CN204461951U - 海洋浮游生物粒径激光原位探测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种海洋浮游生物粒径激光原位探测仪。本实用新型包括激光接收传感器、滤光片、水流腔体、柱面透镜、一字线激光发生器、流量传感器、压力传感器、主控电路板、数据输出线缆。主控电路板信号连接一字线激光发生器，一字线激光发生器产生片状激光光束通过柱面透镜后，变成平行面光束穿过水流腔体，然后透过滤光片后到达激光接收传感器，激光接收传感器信号连接主控电路板，流量传感器和压力传感器也与主控电路板信号连接，主控电路板的数据通过数据输出线缆输出。本实用新型能够进一步扩大海洋浮游生物群落信息检测的范围，能够将浮游生物的粒径谱通过图形化方式显示出来，极大地提高海洋浮游生物粒径等参数的采集效率。

Description

海洋浮游生物粒径激光原位探测仪

技术领域

本实用新型涉及以海洋浮游生物粒径谱为研究对象的激光检测系统，是一种用于检测海洋浮游生物粒径等数据的在线检测设备。

背景技术

浮游生物在海洋生态系统的结构和功能中占有极其重要的位置，是“微食物环”和传统食物链之间重要的营养链接，其数量变动和空间分布对整个海洋生态系统的功能运转，甚至全球气候变化都产生重要影响。由于海洋浮游生物的品种繁多、形态多种多样，因此浮游生物的分类统计一直是海洋生态环境观测中一项繁重的工作。为了深入研究浮游生物在海洋渔场生态系统中的地位和作用，提高海洋渔业养殖与生产的技术水平，一些发达国家很早就进行了海洋浮游生物取样与探测技术的研究，并将其应用于实际的海洋渔场生态环境调查中，研制出了一系列浮游生物采样与检测分析装置。但是目前对于海洋渔场浮游生物的研究方法还是主要通过拖网方式获取生物样品，在解剖镜或显微镜下对其进行观察分析、计数统计。这种方法虽然能够获取较为准确的调查数据，但是需要大量具有较强专业知识的科研人员，而且调查范围也只局限于几个特定选址点，缺乏大尺度范围的调查结果，调查速度非常缓慢，无法快速及时地形成渔场生态环境和养殖标准的调查结果。国外最著名的浮游生物检测系统是浮游生物视频记录仪二代（VPR II，Video Plankton Recorder II），主要用于水平拖曳工作时记录浮游生物的水平分布格局。VPR II主要由高压氙灯发光，光线在中轴处发生衍射，在另一边设置了4个分辨率不同的CCD相机，分别将浮游生物的形态成像，再将4个CCD相机所得成像数据传回VPRII主控单元部分，由光纤数据传输单元将水下信息传回上位机。VPRII上还搭载了温度传感器和电导率传感器等传感器，能够在机器工作时将水下的一些参数测量出来。但是VPRII也有其自身的局限性：VPRII使用的是CCD成像技术，工作时将产生大量的数据，这对于存储单元容量，数据传输速度以及整个系统的工作时长来说都是一个挑战后续数据处理也是有着不小的难度。本实用新型针对目前国内还缺乏一种对大范围浮游生物粒径分布实施快速准确调查的技术手段的现状，利用海洋浮游生物粒径谱激光检测系统对浮游生物的粒径大小、数量等参数进行检测。

发明内容

本实用新型旨在提供一种用于海洋浮游生物粒径谱分析的检测系统，以满足对大范围海洋浮游生物形态特征等信息实时监测的需求。

本实用新型涉及的海洋浮游生物粒径谱激光检测系统包括激光接收传感器、滤光片、水流腔体、柱面透镜、一字线激光发生器、流量传感器、压力传感器、主控电路板、数据输出线缆；主控电路板信号连接一字线激光发生器，一字线激光发生器产生片状激光光束通过柱面透镜后，变成平行面光束穿过水流腔体，然后透过滤光片后到达激光接收传感器，激光接收传感器信号连接主控电路板，流量传感器和压力传感器也与主控电路板信号连接，主控电路板将预处理好的数据通过数据输出线缆输出。

本实用新型涉及的主控电路板包括嵌入式CPU，电源模块，传感器信号调理模块，串行数据传输模块，本地TF卡数据存储模块，网络数据传输模块。电源模块主要给嵌入式CPU提供5V电源，给传感器信号调理模块提供±5V的电源，给串行数据传输模块13提供3.3V电源，给本地TF卡数据存储模块提供3.3V电源。激光接收传感器、压力传感器和流量传感器传回的电流信号通过传感器信号调理模块的处理转化成电压信号送给嵌入式CPU，嵌入式CPU将所得的数据进行整合处理，得到的数据通过网络数据传输模块经数据传输线缆传输到上位机。

本实用新型的工作过程如下：主控电路板控制打开鲍威尔棱镜为核心器件的一字线激光发生器。一字线激光光束通过柱面透镜后，变成平行面光光束穿过水流腔体，水流腔体内部流过的浮游生物将遮挡部分光束形成形体影像，于是光束携带着浮游生物的粒径等信息透过滤光片到达激光接收传感器，激光接收传感器将接收到的信号输入到主控电路，与流量传感器和压力传感器传回的数据共同处理。主控电路板将预处理好的数据经以太网数据传输模块通过数据输出线缆传输到科考船上的上位机软件，上位机软件负责将预处理得到的数据进行进一步处理，最终的结果通过直观的图表显示出来；同时预处理完毕的数据也会存储在本地存储模块中。

本实用新型与背景技术相比具有的有益的效果是：能够进一步扩大海洋浮游生物群落信息检测的范围，能够将浮游生物的粒径谱通过图形化方式显示出来，极大地提高海洋浮游生物粒径等参数的采集效率。

附图说明

图1是本实用新型设计的海洋浮游生物粒径谱激光检测系统的结构原理图。

图2是本实用新型设计的海洋浮游生物粒径谱激光检测系统的主控电路硬件结构图；

图3是本实用新型设计的海洋浮游生物粒径谱激光检测系统的组装结构图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型涉及的海洋浮游生物粒径谱激光检测系统包括激光接收传感器1、滤光片2、水流腔体3、柱面透镜4、一字线激光发生器5、流量传感器6、压力传感器7、主控电路板8、数据输出线缆9。具体的工作过程如下：主控电路板8控制打开鲍威尔棱镜为核心器件的一字线激光发生器5，一字线激光发生器5发射片状激光光束通过柱面透镜后，变成平行面光光束穿过水流腔体3，水流腔体3内部流过的浮游生物将遮挡部分光束形成形体影像，于是光束携带着浮游生物的粒径等信息透过滤光片2到达激光接收传感器1，激光接收传感器1将接收到的信号输入到主控电路板8，流量传感器6和压力传感器7也将数据传输到主控电路板8。主控电路板8将预处理好的数据通过数据输出线缆9传输到上位机软件，上位机软件负责将预处理得到的数据进行进一步处理，最终的结果通过直观的图表显示出来；同时预处理完毕的数据也会存储在本地存储卡中。主控电路板8采用自主研制，为本实用新型的核心控制部分。

如图2所示，主控电路板8主要有六部分组成：嵌入式CPU 10，电源模块11，传感器信号调理模块12，串行数据传输模块13，本地TF卡数据存储模块14，网络数据传输模块15。电源模块主要给嵌入式CPU 10提供5V电源，给传感器信号调理模块12提供±5V的电源，给串行数据传输模块13提供3.3V电源，给本地TF卡数据存储模块14提供3.3V电源。激光接收传感器、压力传感器和流量传感器传回的电流信号通过传感器信号调理模块的处理转化成电压信号送给嵌入式CPU 10，嵌入式CPU 10将所得的数据进行整合处理，得到的数据通过网络数据传输模块经数据传输线缆传输到上位机，上位机软件负责将预处理得到的数据进行进一步处理，最终的结果通过直观的图表显示出来；如果主控电路板与上位机的网络连接断开，则将预处理完的数据存储在本地存储模块中等待重传。

本实用新型涉及的激光接收传感器1采用日本滨松公司的S4111-35Q光电二极管阵列。S4111-35Q光电二极管阵列是双列直插封装的光电二极管，主要应用于低光照度的应用，具有从紫外到红外宽度的光谱范围，且线性范围宽，相应时间短。由于所有的元素可以通过读取其反向偏置来了解电荷存储情况，故S4111光电二极管阵列能够在低光照度的情况下具有高灵敏度，元素之间的串扰影响小，能够保持信号纯度。在输入窗口前加上特殊的滤光片，可以提高检测信号的精度。因此，该光电二极管阵列具有有效面积大，低串扰，光谱响应范围宽，线性范围宽等优点，只需要在嵌入式CPU 10之间加上信号调理电路，再通过A/D模数转换将数据输入嵌入式CPU 10。

本实用新型涉及的流量传感器4采用hydro-bios公司的BH2M电子流量计，该流量计在0.5-9.9m/s的流速条件下能够有1%的精度，使得系统测量所得的浮游生物粒子数能够更加准确地计算出离子浓度等指标。流量传感器输出标准传感器的4~20mA的电流信号，需要经过信号调理电路，再通过A/D转换将数据输入嵌入式CPU 10。

本实用新型涉及的嵌入式CPU 10使用TI公司的低功耗双核嵌入式处理器OMAPL138。这款处理器是DSP与ARM结合的非对称多核结构处理器，双核架构兼具DSP和精简指令集技术的优点，采用了高性能的TMS320C674x DSP内核和ARM926EJ-S内核。处理器456MHz的主频，单板功率1.5W，一个10/100Mbps以太网络接口，三个串行接口，一个MMC卡接口，DSP内核具有6个算数逻辑单元和2个乘法功能单元，能够充分满足体积小，计算数据量大，通信方便等需求，因此非常适合作为浮游生物粒径谱激光检测系统的主控处理器。

本实用新型涉及的传感器信号调理模块12使用Texas Instruments公司的运算放大器OPA656。OPA656 是一个超宽频带、单位增益稳定、电压反馈运算放大器，此运算放大器有一个 FET 输入级以提供一个针对 ADC （模数转换器）缓冲和跨阻应用的超高动态范围放大器。 极低的 DC 误差在光学应用中提供了很好的精度。高单位增益稳定带宽和 JFET 输入可在高速、低噪声的应用中实现出色的性能。传感器信号调理模块首先将传感器输出的电流信号转换为电压信号，然后再将信号放大，进入A/D转换模块进而处理之后的数据输入嵌入式CPU 10。

本实用新型涉及的网络数据传输模块15使用SMSC（Standard MicroSystems Corporation）公司的以太网物理层收发器LAN8710，该芯片是一个高性能低功耗的10BASE-T/100BASE-TX以太网收发器，具有业界最小的占位面积，超低的功耗，广泛应用于消费类电子，工业和企业应用。由于嵌入式CPU内部集成了以太网媒介访问控制器，所以它只需要一个网络硬件层的器件就可以控制和访问网络，故网络数据传输模块使用该芯片来实现网络数据传输功能。

本实用新型涉及的滤光片2、水流腔体3、柱面透镜4、数据输出线缆9均采购现成的成熟模块和产品。

本实用新型涉及的海洋浮游生物粒径谱激光检测仪的组装结构如图3所示，主要由九部分组成：水流腔体，柱面透镜，密封舱16，一字线激光发生器，数据输出接口17，嵌入式主控板，压力传感器，流量传感器，激光接收传感器，滤光片。嵌入式板为主处理单元，激光一字线光源、光电二极管这几个器件均与嵌入式主控板相连，这些内部组件包括柱面透镜、滤光片都封装在密封舱中。流量传感器和压力传感器放置于水流腔体中，采集得到的数据传输到嵌入式主板进行处理。

本实施例的主要技术参数如下：

（1）浮游生物粒径分辨率：1mm-50mm；

（2）浮游生物形态匹配粒径：2mm-50mm；

（3）具有自容式存储和实时传输功能；

（4）最大数据存储容量：16G；

（5）实时传输接口：以太网；

（6）工作流速：≤1m/s；

（7）工作水深：0-50m。

基于浮游生物粒径组成和数量分布关系的粒径谱数据分析技术，已成为海洋生态学研究的一个新的重要手段。本实用新型针对目前国内还缺乏一种对大范围浮游生物粒径分布实施快速准确调查的技术手段的现状，利用海洋浮游生物粒径谱激光检测系统对浮游生物的粒径大小、数量等参数进行检测，具有精度高，速度快等特点，特别适合于海洋渔场生态环境的快速量化调查。

Claims (2)

1.海洋浮游生物粒径激光原位探测仪，包括激光接收传感器、滤光片、水流腔体、柱面透镜、一字线激光发生器、流量传感器、压力传感器、主控电路板、数据输出线缆，其特征在于：主控电路板信号连接一字线激光发生器，一字线激光发生器产生片状激光光束通过柱面透镜后，变成平行面光束穿过水流腔体，然后透过滤光片后到达激光接收传感器，激光接收传感器信号连接主控电路板，流量传感器和压力传感器也与主控电路板信号连接，主控电路板的数据通过数据输出线缆输出。

2.根据权利要求1所述的海洋浮游生物粒径激光原位探测仪，其特征在于：主控电路板包括嵌入式CPU，电源模块，传感器信号调理模块，串行数据传输模块，本地TF卡数据存储模块，网络数据传输模块，电源模块主要给嵌入式CPU提供5V电源，给传感器信号调理模块提供±5V的电源，给串行数据传输模块13提供3.3V电源，给本地TF卡数据存储模块提供3.3V电源；激光接收传感器、压力传感器和流量传感器传回的电流信号通过传感器信号调理模块的处理转化成电压信号送给嵌入式CPU，嵌入式CPU将所得的数据进行整合处理，得到的数据通过网络数据传输模块经数据传输线缆传输到上位机。