CN214122004U - 一种检测发光菌发光强度的光电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种检测发光菌发光强度的光电系统，由暗室结构，光学特殊结构，光电采集模块，模数转换模块组成；光电采集模块由光电流电压转换模块，电压缓冲器，50hz陷波器，低通滤波电路组成；在暗室结构中放置发光菌的培养皿，通过光学特殊结构将发光菌发射的弱光汇聚；光电采集模块将采集到的光强信号转变为相应的模拟电压信号；然后通过模数转换模块将模拟电压信号转换为直观的，可供计算处理的数字信号，通过监测计算机的数字信号强度，便可得知发光菌的发光强度；该系统实现了对发光菌发光强度的检测，可检测的输入电流范围大，频率响应范围宽，线性度较好、成本低、电路结构简单，便于携带。

Description

一种检测发光菌发光强度的光电系统

技术领域

本实用新型属于光电技术检测领域，具体涉及一种检测发光菌发光强度的光电系统。

背景技术

随着工农业的不断发展，当今世界面临日益严重的环境污染问题，水污染尤为突出。水中污染物种类繁多，性质复杂，且污染物之间可发生协同、相加或拮抗等复杂作用。传统的水质检测虽能准确定量分析污染物中主要成分及含量，但不能检测水中各种污染物对环境和生物产生的综合毒性。发光细菌毒性试验因其独特的生理特性，与现代光电检测手段结合具快速、灵敏、简便等特点，检测结果可反映水中污染物的综合毒性，比测定单一组分污染物更具实际意义。同时由于发光菌检测水质毒性的衡量标准是通过发光菌的发光强度及发光抑制率来标定，为简化计算，直观明了，同时便于数据交互处理，需将光数据转换为电数据，引入PC端通过相关算法计算得出毒性水平，为此，发光菌荧光微弱信号检测放大电路的必要性得以体现。

光电探测器通过光电效应来捕获光的辐射能量，输出微弱的电流信号，实现了光信号到电信号的转换。光电流等微弱信号测量领域,测量微弱信号过程中极易受到环境因素的干扰, 严重时微弱信号甚至会被淹没在背景噪声中。在这种微弱信号的测量中,某个环节的一个微小缺陷就会使测量精度严重恶化，由于探测器输出的电流信号很微弱，必须对信号进行放大然后再传输。由于发光菌荧光微弱，PIN光电二极管光电流微小，所以要考虑背景噪声、电路噪声、元器件噪声的滤除，以及防止其他噪声影响的引入。

在光电检测电路中，一般通过对光电二极管的微弱光电流的检测来获取有用信息(如温度、压力、气体浓度等)，其原理是先将光信号转换为电信号，再将调制到光载波上的有用信号解调出来。通常光电二极管接收到的光信号很微弱，转换后的电信号也非常小(μA量级)，由于背景噪声、电路噪声、元器件噪声的影响，要做到精确测量有较大难度。因此，光电检测放大电路的性能对整个检测系统的性能起决定作用，是提高系统检测灵敏度和精度的关键。另一方面，作为前置放大器，还必须满足信号频率范围所需的带宽、高稳定性和小增益误差，以保证输出信号有高的信噪比。

对微弱光信号的检测，在科学研究和军事等领域有广泛的应用。微弱光检测的难点在于光电探测器接收到的光信号和转换后的电信号都很微弱，很容易淹没在各种噪声中；而且微弱光的动态范围比较大，光电检测设备的量程不好控制。因此，研发性能优越的光电检测设备，提高信噪比和拓宽设备可检测光范围尤为重要。设计以降低噪声和拓宽微弱光光强测量范围为目的，对传统的光电探检测电路进行了优化设计，并对优化后的电路进行了测试。

随着传感器相关技术的快速发展,在传统电传感不适用的场合,光纤传感器特有的优势不断突显出来,并被迅速提上日程。而对于光信号我们难以像对于电信号那样熟悉，可以进行那样复杂的数据处理，为此需要光电信息的传递以及光信号向电信号的转化，从而及时的传输最准确的最原始的数据。

目前常见的检测方法的光电探测器大多采用光电倍增管，在响应速度，信号稳定性，动态范围等方面有较优性能。但由于光电倍增管体积较大，性价比较低，使得目前的光电检测设备难以搬移，成本较高，同时还需要专业人员操作，很难推广发光菌的检测应用。有的设备还需要对发光菌进行光谱扫描，这无疑增加了系统的搭建难度。同时目前的检测设备大多鲁棒性较差，容易对外界环境产生依赖，使得数据的采集会受到噪声的影响，准确性大幅下降。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种检测发光菌发光强度的光电系统，该光电系统创新性的采用了性价比较高的光电二极管，在提高信噪比方面采用了独特的信号处理方法，在保证发光菌光电检测系统稳定性，高信噪比的基础上，使设备系统进一步趋于微型化架构。通过本实用新型系统，可将容易淹没在环境光噪声中的发光菌微弱光信号转换为直观的，可供PC端方便处理的电信号，从而快速稳定准确检测发光菌的发光强度，判别发光菌的代谢情况。

本实用新型通过以下技术方案实现：一种检测发光菌发光强度的光电系统，由暗室结构、光学增强结构、光电采集模块、模数转换模块组成；所述暗室结构采用全遮光材料作为内壁，为搭建光学增强结构提供空间；所述光学增强结构采用反射光材料作为环壁，用于汇聚发散光。塑料罩为光学结构支架，用于保护支撑整个结构。经仿真软件优化后的光学镜片结构，将平行光再次汇聚成点光源。外部螺纹用于固定链接光学结构。塑料导管内部为光强接收区，光电探测器在此探测光强。所述光电采集模块的光电流电压转换模块的运放芯片选用低偏置电流的高性能运放芯片AD8605，构成T型网络的反馈电阻应采用有玻璃绝缘的陶瓷电阻或精密金属膜电阻装在抽真空的玻璃封装内。跨接在电阻两端的补偿电容器应采用低泄漏的聚丙烯或聚苯乙烯介质的电容器。在PCB板布线时将反馈线以及运放后面的地层挖空，从而减少电路板在高频工作是的杂散电容对信号的影响。在运放的输入端及引线周围敷设平行的低阻抗导线，该导线的电位固定为地(0V)。电压缓冲器，50Hz陷波器，低通滤波电路的运放芯片均选用常见的LM358芯片。所述模数转换模块采用STM32F4内部资源12位逐次逼近型的模拟数字转换器。

在暗室结构中放置发光菌的培养皿，通过光学增强结构将发光菌发射的弱光集中，通过光电采集模块将采集到的光强信号转变为相应的模拟电压信号；光电采集模块中的光电流电压转换模块是将微弱的PIN二极管光电流转换成合适的可监测的电压，电压缓冲器做阻抗匹配，同时提高电路稳定性，50Hz陷波器用来滤除常见的50Hz工频噪声，低通滤波器用来滤除高频噪声，提高电路信噪比。实现光电流与输出电压的较好线性关系，从而实现对发光菌发光强度的稳定，精准检测。然后通过数模转换模块将模拟电压信号转换为直观的，可供计算处理的数字信号，通过监测计算机的数字信号强度，便可得知发光菌的发光强度。

本实用新型的工作原理是：采用暗室结构来防止发光菌发射的弱光淹没在外部强光环境下，增大检测难度。光学增强结构通过反射光材料作为环壁收集杂散光并汇聚，并通过光学镜筒增强再次汇聚光强，最后光电探测器在导管内部感应光强，从而尽可能排除外部环境的光影响。光电采集模块是一种转换电路，通过具体的光电转换和信号放大，滤波等部分构成，从而将光信号转化为适合灵敏检测的电压信号，具体原理是光电二极管接收到微弱光信号之后，会将光信号转化为呈线性关系的电流信号，微弱电流在经过前置放大电路之后就会变为电压信号，电路中采用滤波处理技术提高信噪比，进而便于电路采集工作。模数转换模块(是将模拟电压信号转换为具体直观，可供计算操作的数字信号发送给PC端处理。

对于光电采集模块的电路工作原理进行如下详述：由于PIN光电管收到不同程度的微弱光照而产生微弱电流，为了避免输入电流噪声耦合进光电流，需要在PIN管输出端与跨阻抗运放输入端之间添加隔离，以获得更好的电路噪声效果。在PIN光电管输出端与跨阻抗运放之间添加隔离，采用大带宽，极低噪声的结型场效应管做输入缓冲隔离；滑动变阻器，电阻、电阻用来调节输入失调电压。电容是旁路电容，进一步降低同相输入端的高频噪声，保证同相输入端电位稳定。三个电阻构成T型网络，T型电路可以实现反相放大器的高增益和高输入电阻的兼顾，如果使用普通的反相比例器，要实现相同的功能，反馈电阻会很大，达到M 级别，这样的大电阻出现在电路中，会带来很多后续问题，比如噪声大，受偏置电流影响大，为此采用相对合适的T型网络。电容降低噪声频带，提高高频时的信噪比。光电流电压转换模块的输出信号传给由运放组成的稳压缓冲器，而后信号再传到由双运放以及电容电阻组成的50Hz陷波器，最后经过电阻电容和运放共同组成的低通滤波器输出最后的稳定信号。本实用新型的有益效果是：

(1)通过将光学增强结构与低噪声电路系统相结合，实现了对发光菌发光强度的检测。

(2)本实用新型成本较低，同时便于携带检测，对操作人员要求不高。

(3)本实用新型可检测的输入电流范围大，频率响应范围带宽大，线性度好、信噪比高、成本低、电路结构简单，具有较高的参考意义和使用价值。

附图说明

图1是一种检测发光菌发光强度的光电系统结构示意图。

图2是一种检测发光菌发光强度的光电系统电路示意图。

图3是光路采集结构示意图。

图1中，29为暗室结构，30为光学增强结构；31为光电采集模块，32为模数转换模块。

图2中，1为PIN光电管，2为极低噪声的BF861结型场效应管，3为104电容，4为100欧电阻，5为1M欧电阻，6为104滑动变阻器，7为AD8605跨阻抗运放，8为100K欧电阻， 9为102.02K欧电阻，10为100K欧电阻，11为100K欧电阻，12为104电容，13为LM358 运放，14为31.8K欧电阻，15为15.9K欧电阻，16为104电容，17为104电容，18为31.8K 欧电阻，19为204电容，20为LM358运放，21为LM358运放，22为318.4欧电阻，23为10uF 电容，24为LM358运放，25为光电转换部分，26为电压缓冲器，27为50Hz陷波器，28为低通滤波电路。

图3中，33为反射光材料环壁，用于汇聚发散光。34为光学结构支架，用于保护支撑整个结构。35为经仿真软件优化后的光学镜片结构，将平行光再次汇聚成点光源。36为螺纹，用于固定链接光学结构。37为光强接收区，光电探测器在此探测光强。

具体实施方式

一种检测发光菌发光强度的光电系统，由暗室结构、光学增强结构、光电采集模块、模数转换模块组成；所述暗室结构(29)采用全遮光材料做内壁搭建，同时留出光学增强结构空间；所述光学增强结构(30)采用反射光材料作为环壁，用于汇聚发散光。塑料罩为光学结构支架，用于保护支撑整个结构。经仿真软件优化后的光学镜片结构，将平行光再次汇聚成点光源。外部螺纹用于固定链接光学结构。塑料导管内部为光强接收区，光电探测器在此探测光强。所述光电采集模块(31)的光电流电压转换模块(25)的运放芯片选用低偏置电流的高性能运放芯片AD8605，构成T型网络的反馈电阻(9)、(10)、(11)应采用有玻璃绝缘的陶瓷电阻或精密金属膜电阻装在抽真空的玻璃封装内。跨接在电阻(11)两端的补偿电容器(12)应采用低泄漏的聚丙烯或聚苯乙烯介质的电容器。在PCB板布线时将反馈线以及运放后面的地层挖空，从而减少电路板在高频工作是的杂散电容对信号的影响。在运放的输入端及引线周围敷设平行的低阻抗导线，该导线的电位固定为地(0V)。电压缓冲器(26)，50Hz陷波器(27)，低通滤波电路(28)的运放芯片均选用常见的LM358芯片。所述模数转换模块(32)采用STM32F4内部资源12位逐次逼近型的模拟数字转换器。

光电采集模块(31)在PCB板布线时将反馈线以及运放后面的地层挖空，从而减少电路板在高频工作是的杂散电容对信号的影响。在运放的输入端及引线周围敷设平行的低阻抗导线，该导线的电位固定为地(0V)。同时整个电路应当用接地金属屏蔽罩进行良好屏蔽，以防通过电磁感应接收杂散的电磁干扰信号。

Claims (5)

1.一种检测发光菌发光强度的光电系统，其特征在于:由暗室结构、光学增强结构、光电采集模块、模数转换模块组成；所述暗室结构采用全遮光材料作为内壁，为搭建光学增强结构提供空间；所述光学增强结构采用反射光材料作为环壁，用于汇聚发散光；塑料罩为光学结构支架，用于保护支撑整个结构；经仿真软件优化后的光学镜片结构，将平行光再次汇聚成点光源；外部螺纹用于固定链接光学结构；塑料导管内部为光强接收区，光电探测器在此探测光强；所述光电采集模块的光电流电压转换模块的运放芯片选用低偏置电流的高性能运放芯片AD8605，构成T型网络的反馈电阻应采用有玻璃绝缘的陶瓷电阻或精密金属膜电阻装在抽真空的玻璃封装内；跨接在电阻两端的补偿电容器应采用低泄漏的聚丙烯或聚苯乙烯介质的电容器；在PCB板布线时将反馈线以及运放后面的地层挖空，从而减少电路板在高频工作是的杂散电容对信号的影响；在运放的输入端及引线周围敷设平行的低阻抗导线，该导线的电位固定为地(0V)；电压缓冲器，50Hz陷波器，低通滤波电路的运放芯片均选用常见的LM358芯片；所述模数转换模块采用STM32F4内部资源12位逐次逼近型的模拟数字转换器。

2.根据权利要求1所述的一种检测发光菌发光强度的光电系统,其特征在于:暗室结构采用全遮光材料做内壁搭建，体积为10cm*10cm*10cm；暗室上部留有螺纹连接固定光学增强结构；同时留有螺孔，固定光电采集模块及模数转换模块电路板。

3.根据权利要求1所述的一种检测发光菌发光强度的光电系统,其特征在于:光学增强结构罩型塑料外壳最大直径为8cm，内部镜筒直径为2cm，反射光环壁与镜筒完全贴合，但并未固定，方便更换以兼容不同发光强度梯度的发光菌。

4.根据权利要求1所述的一种检测发光菌发光强度的光电系统,其特征在于:光电采集模块采用环氧纸质层压板材料，面积大小为8cm*6cm。

5.根据权利要求1所述的一种检测发光菌发光强度的光电系统,其特征在于:模数转换模块采用STM32F4最小核心板，面积大小为6cm*2cm。

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