葉姜瑜 重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院,重慶400045 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室 (重慶大學),重慶400045

李書鉞 (重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院,重慶400045)

陳 宇 (西南大學生命科學學院,重慶400715)

王 琳 (重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院,重慶400045)

采用發(fā)光細菌作為毒性測試指標的水質(zhì)毒性檢測儀,已經(jīng)成為一種操作簡便、結(jié)果可靠和耗費低的毒性檢測儀器[1～3]。水質(zhì)毒性檢測儀將發(fā)光細菌所發(fā)出的光轉(zhuǎn)化成電信號并將電信號予以放大輸出,從而得到檢測結(jié)果。但是,由于發(fā)光細菌發(fā)光微弱,經(jīng)轉(zhuǎn)化后得到的微弱電信號可能是微安級甚至是納安級的電流,其最小值和最大值之間相差1000倍,其動態(tài)范圍較大。為了對水質(zhì)毒性檢測儀輸出的微弱電流信號進行處理和顯示,必須首先將信號放大到所要求的強度,而前置放大電路是該類型水質(zhì)毒性檢測儀放大檢測電路的核心[4]。為此,筆者設計了一種適用于水質(zhì)毒性檢測儀的前置放大電路,對其進行了模擬仿真,并采用發(fā)光細菌毒性監(jiān)測方法驗證其實用性。

1 設計思想

利用光電倍增管作為光電探測器,經(jīng)分壓電路設計,將微弱的光信號轉(zhuǎn)化成電流信號輸出時,其干擾源較為廣泛,如基底電流、噪聲干擾、工頻干擾、極化電壓等都會產(chǎn)生一定的干擾。由于干擾源的影響,水質(zhì)毒性檢測儀前置放大電路的放大倍數(shù)不宜過大,以免電信號被干擾信號淹沒。后端電路要實現(xiàn)將光電倍增管的電流信號 (nA或μ A)轉(zhuǎn)換為電壓信號,并放大到0～5V,實現(xiàn)截止頻率為30kHz的低通濾波。

2 光電探測器

根據(jù)發(fā)光細菌發(fā)光波長的范圍,從靈敏度、幅度分辨率等方面綜合考慮,選用濱松光子公司側(cè)窗式R105光電倍增管作為光電探測器。該光電倍增管采用特殊設計的抗滯后結(jié)構(gòu),具有極好的輸出穩(wěn)定性。設計中對光電倍增管進行屏蔽,以防止干擾源對其干擾。根據(jù)設計要求,采用負高壓電1000V供電,因為此時陰極暗電流輸出較少、響應時間快。光電倍增管分壓器回路設計中須選用溫度特性良好的電阻,其精度要求在±5%,為達到耐壓效果,要用有足夠大額定功率的電阻,阻值一般約為100kΩ～1MΩ,設計中選擇分壓電阻為300kΩ。在分壓器基板上焊接分壓器回路時,基板要使用玻璃環(huán)氧制成的耐高壓、漏電電流小的制品。信號輸出線要盡可能短,最好采用同軸電纜或屏蔽線[5]。通常并聯(lián)電容為0.002～0.05μ F,設計中取C1=C2=C3=0.01μ F,各個接地線獨立接地,接地點互相分開,這樣電流互不干擾,可以減少耦合噪聲。光電倍增管分壓電路設計圖如圖1所示。

圖1 光電倍增管分壓電路設計圖

3 前置放大電路設計

3.1 前置放大器電路設計

光電倍增管的輸出信號是電流信號,由于后接的信號處理系統(tǒng)是以電壓信號為對象,所以應將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。利用高輸入阻抗運算放大器構(gòu)成前置放大器進行電流-電壓轉(zhuǎn)換的基本回路如圖2所示。電路輸出電壓為:

由于運算放大器的放大倍數(shù)非常高,通常保持逆向輸入端子的電位與非逆向輸入端子的電位(接地電位)相同的條件下工作,因而運算放大器輸出電壓和R2兩端發(fā)生的電壓相同,實現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換。光電倍增管陽極輸出電流控制在1μ A以內(nèi)可減緩其老化,因而反饋電阻的選擇標準是使陽極的最大輸出電流小于1μ A[6]。從整體考慮,本級輸出最大電壓為0.3V,反饋電阻為300kΩ。該設計選擇TI公司生產(chǎn)的差動運算放大器OPA124,其噪聲水平較低,最大偏置電流為1pA,最大偏置電壓為250mV,常用于精密儀器設計。

此外,因為光電倍增管是加載高電壓的電子管,為了保護運算放大器,設計有保護電阻R1。

3.2 中間同相比例放大器電路設計

通過中間同相比例放大,將前置放大器輸出的正的電壓信號放大約10倍。選擇R3為10kΩ、R1為91kΩ、平衡電阻R4為9.1kΩ。放大倍數(shù)為10.1,輸出電壓為3.03V。中間同相比例放大器設計電路圖如圖3所示。

圖2 前置放大器電路設計圖

圖3 中間同相比例放大器電路設計圖

3.3 濾波電路的設計

為了加強濾波器濾除噪聲的能力,筆者采用巴特沃斯低通濾波器。由于水質(zhì)傳感器的信號多為低頻信號,因此可以將低通濾波器的截止頻率設計的低一些。根據(jù)要達到的響應帶寬的要求,選擇Cf=30kHz、放大倍數(shù)為1.586來設計濾波器。巴特沃斯低通濾波器的歸一化系數(shù)B=1.42,C=1.1,各元件的設計參數(shù)為C=0.33nF,R=16kΩ,R2=82kΩ,R1=51kΩ。輸出電壓為4.91V。低通濾波器電路設計圖如圖4所示。

圖4 低通濾波器電路設計圖

3.4 光電倍增管后端電路總體設計圖

將上述三級電路相連,形成光電倍增管后端電路總體設計圖,如圖5所示。后端電路要實現(xiàn)將光電倍增管的電流信號 (nA或μ A)轉(zhuǎn)換為電壓信號,并放大到0～5V,實現(xiàn)截止頻率為30kHz的低通濾波。

圖5 光電倍增管后端電路總體設計圖

4 電路仿真

4.1 直流仿真

為了測定設計電路的穩(wěn)定點,在NI MULTISIM 10環(huán)境下對電路進行直流仿真,用-1μ A的電流源代表光電倍增管,第一級輸出接通道一,其標準電壓為1V;第二級輸出接通道二,其標準電壓為1V;第三級接通道三,其標準電壓為2V。仿真結(jié)果如圖6所示,1號線為第一級輸出,其電壓為0.3V,2號線為第二級輸出,其電壓為3.03V,3號線為第三級輸出,其電壓為4.91V,確定設計電路穩(wěn)定點分別為0.3、3.03、4.91V。

4.2 交流仿真

為了驗證其濾波效果,對其進行交流仿真。當輸入電流為 1μ A,頻率分別為 10、20、30、40、50和100kHz時,經(jīng)交流仿真,輸出電壓分別為 4.95、4.57、3.42、2.2、1.46和0.327V,實現(xiàn)了截止頻率為30kHz的低通濾波功能。交流仿真結(jié)果如圖7～12所示。

圖6 直流仿真結(jié)果圖

圖7 10kHz交流仿真結(jié)果

圖8 20kHz交流仿真結(jié)果

圖9 30kHz交流仿真結(jié)果

圖10 40kHz交流仿真結(jié)果

圖11 50kHz交流仿真結(jié)果

圖12 100kHz交流仿真結(jié)果

5 試驗與討論

為了證明所設計電路的實用性,以明亮發(fā)光桿菌為測試菌種,以光電倍增管R105為光電探測器,采用所設計的前置放大電路,就PbCl2對明亮發(fā)光桿菌的毒性效應進行研究。發(fā)光細菌采用明亮發(fā)光桿菌T3變種,由中國科學院南京土壤研究所提供。筆者自制暗盒,菌種的培養(yǎng)基及培養(yǎng)方法見參考文獻 [7]。數(shù)據(jù)采用origin 7.5處理軟件處理,以相對發(fā)光度表示發(fā)光單位:

試驗取用培養(yǎng)24h發(fā)光細菌菌液。用于測試的發(fā)光菌液與樣本體積按1∶1混合,測試方法見參考文獻 [8],測試3個平行試樣 (包括蒸餾水對照),取其平均值。將試樣放入自制暗盒中進行測試,繪制相對發(fā)光度與時間關系曲線,如圖13所示。

由于發(fā)光細菌發(fā)光微弱,經(jīng)轉(zhuǎn)化后得到的是微弱電信號,可能是微安級甚至是納安級的電流,所以必須首先將信號適度放大,并且要有效防止電信號被干擾信號淹沒。根據(jù)試驗設計要求,將電壓信號放大到0～5V,實現(xiàn)截止頻率為30kHz的低通濾波。從圖 13可以看出,PbCl2對明亮發(fā)光桿菌的抑制作用隨濃度的增加而加強。在PbCl2與明亮發(fā)光桿菌作用前20min,明亮發(fā)光桿菌發(fā)光不穩(wěn)定,呈下降趨勢,在20min后趨于平穩(wěn)。從相對發(fā)光度的變化來看,該前置放大器放大倍數(shù)適中,有效防止電信號被干擾信號淹沒。經(jīng)放大的電壓信號變化能夠較好地反映PbCl2對明亮發(fā)光桿菌的抑制作用。通過上述試驗表明,該前置放大電路的設計能夠滿足水質(zhì)毒性檢測儀的設計要求,且精度較為準確。

圖13 PbCl2對明亮發(fā)光桿菌的毒性效應曲線圖

6 結(jié) 語

設計的前置放大電路有效降低了干擾源對測量電路的影響,有較好的濾波作用。通過PbCl2對明亮發(fā)光桿菌的毒性效應驗證試驗得到較為理想的結(jié)果,說明該前置放大電路能夠滿足水質(zhì)毒性檢測儀的設計要求,可以很好地應用于水質(zhì)毒性監(jiān)測儀的研制中。

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[8]GB/T 15441-1995.水質(zhì)急性毒性的測定:發(fā)光細菌法 [S].