CN112903611A - 一种多波段吸光度检测系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波段吸光度检测系统及其工作方法，该系统中，单片机负责给驱动电路提供LED阵列工作的驱动信号，同时控制选通开关使LED阵列分时发出多波段的光，经过样品池及拼接滤光片后被信号探测器接收，实现集约型设计的同时大幅抑制环境光的干扰；利用带通滤波器及锁相放大器滤除其他频率成分的干扰，提升信噪比，适用于明场探测；通过参考探测器和信号探测器的同步采集对LED光源的功率波动进行修正，进而消除光源波动对吸光度探测带来的非吸收性干扰，提升测量准确度。本发明通过以上技术方案和共用光路、电路设计，实现了小型化、低功耗的同时具备测量精度高和明场探测的优点。

Description

一种多波段吸光度检测系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种多波段吸光度检测系统及其工作方法，属于环境光学检测技术领域。

背景技术

海水吸光度检测对研究海洋光学特性、反演海水理化参数非常重要，海水吸光度传感器是海洋观测领域的常用传感器之一。国外相关仪器研发较早，在中高端光学测量仪器市场形成垄断局面，其中美国在海水吸光度测量仪器方面遥遥领先，较为先进的有美国水文光学生物仪器公司(Hydro-Optics)的Gamma系列光衰减测量仪和美国WET Labs公司的C-Rover(CRV5)透射计。由于国内海洋仪器研究起步晚，有关海水吸光度的研究少，可用于检测海水吸光度的仪器不多，其中南海海洋研究所曹文熙研制的海水光路多参数测量仪OMC-1和海水IOPs高光谱测量仪较为出名，但实际应用方面仍有不足。海水光路多参数测量仪OMC-1使用单通道测量，可测量波段较少，多个OMC-1集成使用势必会造成功耗高、体积大等问题，应用场景受限；同时海水IOPs高光谱测量仪采用光谱仪作为光电检测器件，优势在于提高了波段测量范围和光谱分辨率，但是要想获得较高的测量精度必须牺牲系统响应时间。

海洋吸光度传感器因其特殊的使用场景限制，正朝着小型化、低功耗、多波段、高精度、明场探测方向发展，小型化和低功耗能够保证吸光度传感器易与其它观测平台集成和长续航工作；多波段能够保证同时对多个波长通道的吸光度值进行测量，同步分析水中多种物质成分；高精度和明场探测能够保证更低的测量极限和更高的环境适应性，使得吸光度传感器应用场景更加宽泛。目前市面上的产品，像美国Wetlab公司的C-star考虑了小型化和低功耗，但是只能实现单波长通道测量；德国Trios公司的VIPER高光谱衰减测量仪采用光谱仪实现多波段测量，体积大、功耗高，测量下限只有0.01AU，且响应时间长达2分钟。

综上所述，目前仍没有一种吸光度测量设备能够兼顾小型化、低功耗、多波段的同时提供较高的测量精度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种多波段吸光度检测系统，该检测系统使用单片机控制选通开关使LED阵列分时工作，实现了共用光路、电路及样品池一体化设计，有利于系统小型化和低功耗；通过拼接滤光片、带通滤波器及锁相放大器设计，可将不同位点的光学探测信号区分开来，达到多波段检测的同时，大幅抑制环境光的干扰，拓展了系统的使用环境，适合明场探测；通过固定滑轨、刻度尺及限位螺丝的组合，实现光程可调设计，适用于不同浑浊度水体的吸光度检测。

本发明还提供了上述多波段吸光度检测系统的工作方法。

本发明的技术方案为：

一种多波段吸光度检测系统，包括单片机、驱动电路、选通开关、LED阵列、分束片、参考探测器、第二跨阻放大器、样品池、拼接滤光片、信号探测器、第一跨阻放大器，

单片机分别与驱动电路、选通开关相连接，且驱动电路、选通开关及LED阵列依次相连接；LED阵列的输出光路上设置有分束片，分束片将LED的光路分为信号探测光路和信号参考光路，

在信号探测光路上，依次设置有样品池、拼接滤光片、信号探测器；所述信号探测器、第一跨阻放大器依次相连接，第一跨阻放大器的输出端与单片机相连接；

在信号参考光路上设置有参考探测器，参考探测器与第二跨阻放大器相连接，第二跨阻放大器与单片机相连接。

单片机为驱动电路提供LED的驱动信号，同时控制选通开关使LED阵列实现多波段分时发光；单片机将正弦信号输出到驱动电路，驱动电路将正弦波电压信号转为电流信号，驱动LED阵列发光；经过分束片，一部分光进入参考探测器，参考探测器输出的电流信号经过第二跨阻放大器调节后进入单片机进行计算，用于校正光源波动对吸光度探测造成的非吸收性干扰；另一部分光进入样品池，穿过其中溶液的透射光经过拼接滤光片，滤除环境光的干扰，之后透射光聚焦于信号探测器上，信号探测器输出的电流信号经过第一跨阻放大器进行处理，处理后的透射信号经过带通滤波器、锁相放大器后被送入单片机进行计算，从而求得样品池中待测溶液的吸光度值。

根据本发明优选的，所述LED阵列包括大于等于两个LED，每个LED的波段不同，所述LED均匀固定在固定基座的上部，固定基座的下部设置有接线柱，所述接线柱与选通开关相连接。单片机为驱动电路提供LED的驱动信号，同时控制选通开关使LED阵列实现多波段分时发光。

根据本发明优选的，所述拼接滤光片上包括若干个分滤光片，分滤光片沿着圆周均匀设置，且分滤光片的数目与LED阵列中LED的数目相同，分滤波片与LED的位置相对应，使得每一个LED准确对应一个分滤波片。拼接滤光片可滤除环境光干扰，提高不同波段透射光测量精度。实现共用信号探测器的同时滤除环境光干扰，并且能够规避强环境光下的探测器饱和影响。

根据本发明优选的，所述检测系统还包括滑轨模块，所述滑轨模块包括两个固定滑轨、发射端光学壳体、接收端光学壳体、限位螺丝，

两个固定滑轨之间设置有发射端光学壳体和接收端光学壳体，且两个光学壳体分别位于固定滑轨的两端；

发射端光学壳体与固定滑轨之间固定连接，

接收端光学壳体与固定滑轨之间滑动连接，接收端光学壳体与固定滑轨之间设置有限位螺丝，限位螺丝用于调节接收端光学壳体在固定滑轨中的位置；

LED阵列、分束片及第一窗片自外到内依次固定在发射端光学壳体的内部，共同形成信号发射端；

第二窗片、拼接滤光片及信号探测器自内到外依次固定在接收端光学壳体的内部，共同形成信号接收端；

两个固定滑轨、第一窗片及第二窗片共同围设成样品池，固定滑轨的内壁上还设置有刻度尺，限位螺丝和刻度尺配合调节样品池的吸收光程。

在接收端，通过滑轨上的刻度尺和限位螺丝组合实现光程的可调节设计，移动信号接收端光学壳体调节系统的光程从而适用于不同浑浊度水体的吸光度检测。窗片可将样品池与光电组件分隔开来，起到水密透光的作用。

根据本发明优选的，第一跨阻放大器和单片机之间设置有带通滤波器和/或锁相放大器，能够将微弱信号从环境噪声中提取出来，提升信号的质量，实现明场探测。

根据本发明优选的，第二跨阻放大器和单片机之间设置有低通滤波器。

根据本发明优选的，所述LED阵列与分束片之间设置有准直透镜。经过准直透镜后产生平行光。

根据本发明优选的，所述拼接滤光片与信号探测器之间设置有会聚透镜。

上述多波段吸光度检测系统的工作方法，包括步骤如下：

(1)单片机将正弦波电压信号输入到驱动电路，驱动电路将正弦波电压信号转为电流信号，并驱动LED阵列中的某一波段LED发射光；单片机控制选通开关，使得LED阵列上的该波段LED导通；

(2)LED阵列的发射光经分束片分光后，一部分光进入信号探测光路，经过单片机计算得到信号探测光路上的信号；另一部分光进入信号参考光路，经过单片机计算得到信号参考光路上的信号；

(3)当样品池中为纯水时，信号探测光路上的信号为I₀，信号参考光路上的信号为V₀；当样品池中为待测海水时，信号探测光路上的信号大小为I_t，信号参考光路上的信号大小为V_t；则待测海水在λ波段下的吸光度值为：

(4)重复步骤(1)-(3)，获得待测海水在其他波段下的吸光度值。

根据本发明优选的，所述工作方法还包括：(5)当海水的浑浊度发生变化时，根据刻度尺调节接收端光学壳体在固定滑轨之间的位置，并使用限位螺丝固定接收端光学壳体在固定滑轨之间的位置，从而改变信号发射端到信号接收端之间的光程，即改变样品池的体积，实现对不同浑浊度海水吸光度的测量。

本发明的有益效果为:

1.本发明采用单片机控制选通开关实现时分复用工作方式，系统采用共用光路及电路的集约型设计，大幅降低多波段吸光度检测系统的体积和功耗，对实际应用中海洋仪器的小型化、轻量化、长续航具有重大意义。

2.本发明采用拼接滤光片既能滤除环境光干扰，又能规避强环境光造成的信号探测器饱和影响；采用带通滤波器滤除其他频率的环境光和电路噪声干扰；锁相放大器更进一步降低其他频率信号干扰的同时能够从大噪声中提取微弱信号，以上多技术手段融合的工作方式使本发明具备抗环境干扰、弱信号探测、高信噪比的能力，适合明场探测。此外，同时利用拼接滤光片、带通滤波器及锁相放大器设计，可将不同位点的光学探测信号区分开来，达到多波段检测的同时，大幅抑制环境光的干扰，大大简化了多波段检测系统的复杂度。

3.本发明提供的多波段吸光度检测系统，将发射端固定在滑轨上，而接收端利用限位螺丝和刻度尺的组合实现了检测系统的光程可调节设计，适用于不同浑浊度水体的吸光度探测，使系统结构得到优化且应用范围得到拓展。

附图说明

图1是本发明中提供的一种多波段吸光度检测系统的结构示意图；

图2是本发明中固定滑轨和光学壳体的结构示意图；

图3是本发明中LED阵列的结构示意图；

图4是本发明中LED阵列的另一个结构示意图；

图5是本发明中拼接滤光片的结构示意图。

1、单片机，2、驱动电路，3、选通开关，4、固定滑轨，5、LED阵列，5-1、λ₁波段LED，5-2、λ₂波段LED，5-3、λ₃波段LED，5-4、λ₄波段LED，5-5、固定基座，5-6、接线柱，6-1、发射端光学壳体，6-2、接收端光学壳体，7、准直透镜，8、分束片，9-1、第一窗片，9-2、第二窗片，10、拼接滤光片，10-1、λ₁波段滤光区，10-2、λ₂波段滤光区，10-3、λ₃波段滤光区，10-4、λ₄波段滤光区；11、会聚透镜，12、信号探测器，13、刻度尺，14、限位螺丝，15、第一跨阻放大器，16、带通滤波器，17、锁相放大器，18、参考探测器，19、低通滤波器，20、样品池，21、第二跨阻放大器。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种多波段吸光度检测系统，如图1和图2所示，包括单片机1、驱动电路2、选通开关3、LED阵列5、分束片8、参考探测器18、第二跨阻放大器21、样品池20、拼接滤光片10、信号探测器12、第一跨阻放大器15，

单片机1分别与驱动电路2、选通开关3相连接，且驱动电路2、选通开关3及LED阵列5依次相连接；LED阵列5的输出光路上设置有分束片8，分束片8将LED的光路分为信号探测光路和信号参考光路，

在信号探测光路上，依次设置有样品池20、拼接滤光片10、信号探测器12；信号探测器12、第一跨阻放大器15依次相连接，第一跨阻放大器15的输出端与单片机1相连接；

在信号参考光路上设置有参考探测器18，参考探测器18与第二跨阻放大器21相连接，第二跨阻放大器21与单片机1相连接。

单片机1为驱动电路2提供LED的驱动信号，同时控制选通开关3使LED阵列5实现多波段分时发光；单片机1将正弦信号输出到驱动电路2，驱动电路2将正弦波电压信号转为电流信号，驱动LED阵列5发光；经过分束片8，一部分光进入参考探测器18，参考探测器18输出的电流信号经过第二跨阻放大器21调节后进入单片机1进行计算，用于校正光源波动对吸光度探测造成的非吸收性干扰；另一部分光进入样品池20，穿过其中溶液的透射光经过拼接滤光片10，滤除环境光的干扰，之后透射光聚焦于信号探测器12上，信号探测器12输出的电流信号经过第一跨阻放大器15进行处理，处理后的透射信号经过带通滤波器16、锁相放大器17后被送入单片机1进行计算，从而求得样品池20中的待测溶液的吸光度值。

实施例2

根据实施例1提供的一种多波段吸光度检测系统，区别之处在于：

LED阵列5包括大于等于两个LED，每个LED的波段不同，LED均匀固定在固定基座5-5的上部，固定基座5-5的下部设置有接线柱5-6，接线柱5-6与选通开关3相连接。单片机1为驱动电路2提供LED的驱动信号，同时控制选通开关3使LED阵列5实现多波段分时发光。

拼接滤光片10上包括若干个分滤光片，分滤光片沿着圆周均匀设置，且分滤光片的数目与LED阵列5中LED的数目相同，分滤波片与LED的位置相对应，使得每一个LED准确对应一个分滤波片。拼接滤光片10可滤除环境光干扰，提高不同波段透射光测量精度。实现共用信号探测器12的同时滤除环境光干扰，并且能够规避强环境光下的探测器饱和影响。

实施例3

根据实施例2提供的一种多波段吸光度检测系统，区别之处在于：

如图3和图4所示，LED阵列5包括四个LED，每个LED的波段不同，分别为λ₁波段LED5-1，λ₂波段LED5-2，λ₃波段LED 5-3，λ₄波段LED5-4；LED均匀固定在固定基座5-5的上部，固定基座5-5的下部设置有接线柱5-6，接线柱5-6与选通开关3相连接。单片机1为驱动电路2提供LED的驱动信号，同时控制选通开关3使LED阵列5实现多波段分时发光。

如图5所示，拼接滤光片10上包括四个分滤光片，分滤光片均为四分之一圆，分滤光片沿着圆周均匀设置，且分滤光片的数目与LED阵列5中LED的数目相同，分滤波片与LED的位置相对应，四个分滤光片分别为λ₁波段滤光区10-1，λ₂波段滤光区10-2，λ₃波段滤光区10-3，λ₄波段滤光区10-4。

实施例4

根据实施例1提供的一种多波段吸光度检测系统，区别之处在于：

第一跨阻放大器15和单片机1之间设置有带通滤波器16，或第一跨阻放大器15和单片机1之间设置有锁相放大器17；或第一跨阻放大器15和单片机1之间设置有带通滤波器16和锁相放大器17。

第二跨阻放大器21和单片机1之间设置有低通滤波器19。

实施例5

根据实施例1提供的一种多波段吸光度检测系统，区别之处在于：

第一跨阻放大器15和单片机1之间设置有带通滤波器16，或第一跨阻放大器15和单片机1之间设置有锁相放大器17；或第一跨阻放大器15和单片机1之间设置有带通滤波器16和锁相放大器17。

第二跨阻放大器21和单片机1之间设置有低通滤波器19。

LED阵列5与分束片8之间设置有准直透镜7。经过准直透镜7后产生平行光。

拼接滤光片10与信号探测器12之间设置有会聚透镜11。

检测系统还包括滑轨模块，滑轨模块包括两个固定滑轨4、发射端光学壳体6-1、接收端光学壳体6-2、限位螺丝14，

两个固定滑轨4之间设置有发射端光学壳体6-1和接收端光学壳体6-2，且两个光学壳体分别位于固定滑轨4的两端；

发射端光学壳体6-1与固定滑轨4之间固定连接，

接收端光学壳体6-2与固定滑轨4之间滑动连接，接收端光学壳体6-2与固定滑轨4之间设置有限位螺丝14，限位螺丝14用于调节接收端光学壳体6-2在固定滑轨4中位置；

LED阵列5、准直透镜7、分束片8及第一窗片9-1自外到内依次固定在发射端光学壳体6-1的内部，共同形成信号发射端；

第二窗片9-2、拼接滤光片10、会聚透镜11及信号探测器12自内到外依次固定在接收端光学壳体6-2的内部，共同形成信号接收端；

两个固定滑轨4、第一窗片9-1及第二窗片9-2共同围设成样品池20，固定滑轨4的内壁上还设置有刻度尺13，限位螺丝14和刻度尺13配合调节样品池20的吸收光程。

参考探测器18固定在固定滑轨4上，且参考探测器18的入射端位于发射端光学壳体6-1内部。

在接收端，通过滑轨上的刻度尺13和限位螺丝14组合实现光程的可调节设计，移动信号接收端光学壳体6-2调节系统的光程从而适用于不同浑浊度水体的吸光度检测。

窗片可将样品池20与光电组件分隔开来，起到水密透光的作用。

样品池20为信号发射端和信号接收端中间所夹的自由空间，当放入海水中测量海水的吸光度时，海水填充在这段自由空间中，所以通过限位螺丝14将光学接收端固定在不同位置，实际上就改变了这段自由空间的长度。比如，在海水非常清澈的时候，光程太短很难测量出变化，此时就需要将光程调长一些；如果在水质浑浊的水体中使用，光程太长，信号都被浑浊水体挡住，光学接收端很难测得透射信号，这个时候需要将光程调短。目前国外的测量吸光度的仪器，如C-star，就针对不同波长、不同光程长度设置有不同的信号，而本发明是将所有波段集成到一起，同时光程可调。

实施例6

根据实施例1-4提供的一种多波段吸光度检测系统的工作方法，包括步骤如下：

(1)单片机1将正弦波电压信号输入到驱动电路2，驱动电路2将正弦波电压信号转为电流信号，并驱动LED阵列5中的λ₁波段LED5-1发射光；单片机1控制选通开关3，使得LED阵列5上的该波段LED导通；LED阵列5采用分时工作的方式，每个LED依次点亮；

(2)LED阵列5的发射光经分束片8分光后，一部分光进入信号参考光路，即光经过参考探测器18，参考探测器18输出的电流信号经过第二跨阻放大器21、低通滤波器19调节后进入单片机1进行计算；另一部分光进入信号探测光路，即光穿过样品池20中溶液的透射光经过拼接滤光片10，滤除环境光的干扰，之后由会聚透镜11将透射光再聚焦于信号探测器12上，信号探测器12输出的电流信号经过第一跨阻放大器15、带通滤波器16和/或锁相放大器17后，再进入单片机1计算；

(3)当样品池20中为纯水时，信号探测光路上的信号为I₀，信号参考光路上的信号为V₀；当样品池20中为待测海水时，信号参考光路上的信号为I_t，信号参考光路上的信号为V_t，则获得待测海水在λ₁波段下的吸光度值为：

(4)重复步骤(1)-(3)，获得待测海水在其他波段下的吸光度值。

实施例7

根据实施例5提供的一种多波段吸光度检测系统的工作方法，与实施例6提供的工作方法的区别之处在于：

还包括:(5)当海水的浑浊度发生变化时，根据刻度尺13调节接收端光学壳体6-2在固定滑轨4之间的位置，并使用限位螺丝14固定接收端光学壳体6-2在固定滑轨4之间的位置，从而改变信号发射端到信号接收端之间的光程，即改变样品池20的体积，实现对不同浑浊度海水吸光度的测量。

Claims (10)

1.一种多波段吸光度检测系统，其特征在于，包括单片机、驱动电路、选通开关、LED阵列、分束片、参考探测器、第二跨阻放大器、样品池、拼接滤光片、信号探测器、第一跨阻放大器，

单片机分别与驱动电路、选通开关相连接，且驱动电路、选通开关及LED阵列依次相连接；LED阵列的输出光路上设置有分束片，分束片将LED的光路分为信号探测光路和信号参考光路，

在信号探测光路上，依次设置有样品池、拼接滤光片、信号探测器；所述信号探测器、第一跨阻放大器依次相连接，第一跨阻放大器的输出端与单片机相连接；

在信号参考光路上设置有参考探测器，参考探测器与第二跨阻放大器相连接，第二跨阻放大器与单片机相连接。

2.根据权利要求1所述的一种多波段吸光度检测系统，其特征在于，所述LED阵列包括大于等于两个LED，每个LED的波段不同，所述LED均匀固定在固定基座的上部，固定基座的下部设置有接线柱，所述接线柱与选通开关相连接。

3.根据权利要求2所述的一种多波段吸光度检测系统，其特征在于，所述拼接滤光片上包括若干个分滤光片，分滤光片沿着圆周均匀设置，且分滤光片的数目与LED阵列中LED的数目相同，分滤波片与LED的位置相对应。

4.根据权利要求1所述的一种多波段吸光度检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括滑轨模块，所述滑轨模块包括两个固定滑轨、发射端光学壳体、接收端光学壳体、限位螺丝，

两个固定滑轨之间设置有发射端光学壳体和接收端光学壳体，且两个光学壳体分别位于固定滑轨的两端；

发射端光学壳体与固定滑轨之间固定连接，

接收端光学壳体与固定滑轨之间滑动连接，接收端光学壳体与固定滑轨之间设置有限位螺丝，限位螺丝用于调节接收端光学壳体在固定滑轨中的位置；

LED阵列、分束片及第一窗片自外到内依次固定在发射端光学壳体的内部，共同形成信号发射端；

第二窗片、拼接滤光片及信号探测器自内到外依次固定在接收端光学壳体的内部，共同形成信号接收端；

两个固定滑轨、第一窗片及第二窗片共同围设成样品池，固定滑轨的内壁上还设置有刻度尺，限位螺丝和刻度尺配合调节样品池的吸收光程。

5.根据权利要求1所述的一种多波段吸光度检测系统，其特征在于，第一跨阻放大器和单片机之间设置有带通滤波器和/或锁相放大器。

6.根据权利要求1所述的一种多波段吸光度检测系统，其特征在于，第二跨阻放大器和单片机之间设置有低通滤波器。

7.根据权利要求1所述的一种多波段吸光度检测系统，其特征在于，所述LED阵列与分束片之间设置有准直透镜。

8.根据权利要求1所述的一种多波段吸光度检测系统，其特征在于，所述拼接滤光片与信号探测器之间设置有会聚透镜。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种多波段吸光度检测系统的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)单片机将正弦波电压信号输入到驱动电路，驱动电路将正弦波电压信号转为电流信号，并驱动LED阵列中的某一波段LED发射光；单片机控制选通开关，使得LED阵列上的该波段LED导通；

(2)LED阵列的发射光经分束片分光后，一部分光进入信号探测光路，经过单片机计算得到信号探测光路上的信号；另一部分光进入信号参考光路，经过单片机计算得到信号参考光路上的信号；

(3)当样品池中为纯水时，信号探测光路上的信号为I₀，信号参考光路上的信号为V₀；当样品池中为待测海水时，信号探测光路上的信号大小为I_t，信号参考光路上的信号大小为V_t；则待测海水在λ波段下的吸光度值为：

(4)重复步骤(1)-(3)，获得待测海水在其他波段下的吸光度值。

10.根据权利要求9所述的一种多波段吸光度检测系统的工作方法，其特征在于，所述工作方法还包括：(5)当海水的浑浊度发生变化时，根据刻度尺调节接收端光学壳体在固定滑轨之间的位置，并使用限位螺丝固定接收端光学壳体在固定滑轨之间的位置，实现对不同浑浊度海水吸光度的测量。

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