景 超曹 煊吳 寧

(齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋監(jiān)測儀器裝備技術(shù)重點實驗室，國家海洋監(jiān)測設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266001)

海水中葉綠素含量不僅可以用來描述浮游植物的現(xiàn)存量，且可以作為海水富營養(yǎng)化的指標，對預防“赤潮”“綠潮”等海洋災害具有重要的意義。

目前海水中葉綠素的檢測方法主要有群落計數(shù)法[1]、遙感衛(wèi)星[2－5]、分光光度法[6－8]、高效液相色譜法[9－11]等。但是，群落計數(shù)法雖然準確但費時費力；遙感衛(wèi)星只適合大范圍、全天候監(jiān)測；分光光度與液相色譜只適合在實驗室中進行且實驗繁瑣復雜，不能滿足葉綠素原位實時檢測。因為熒光法具有較低檢出限、檢測靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適用于現(xiàn)場原位檢測等優(yōu)勢，因此，熒光法[12－13]被廣泛用于海水中葉綠素的檢測研究。

目前，國外的葉綠素傳感器主要有美國YSI公司的EXO2多參數(shù)傳感器、HACH公司的HYDROLAB HL7多參數(shù)監(jiān)測儀、英國Valeport公司Hyperion-C葉綠素a熒光計、德國TriOS公司MicroFlu-chl葉綠素a分析儀、日本Alex Electronics公司的AAQ171多參數(shù)傳感器等。雖然國內(nèi)對葉綠素傳感器的研究取得了一些的進展[14－18]，但是大多數(shù)還處于實驗室階段，且試驗性能與國外還有一定差距。

本設(shè)計利用正交數(shù)字鎖相放大[19－21](DLIA)技術(shù)解決了環(huán)境光干擾的問題，實現(xiàn)了對微弱熒光信號的提??；采用460 nm波長LED照射海水中的浮游植物產(chǎn)生熒光，利用高精度光電二極管作為熒光信號的接收器件，減少了環(huán)境光干擾的問題；同時利用軟件算法對溫度與濁度進行校正，減少葉綠素濃度檢測的影響，提高檢測的精度。

1 傳感器原理設(shè)計

1.1 葉綠素熒光檢測原理

物質(zhì)在在吸收可見光后，可以發(fā)射出不同波長的光，這就是熒光。熒光分析法指通過檢測物質(zhì)受到光照后發(fā)生的熒光變化，根據(jù)熒光變化量來推測反映物質(zhì)特性的分析方法。在較弱的光強下，浮游植物的葉綠素熒光強度只與葉綠素的含量有關(guān)，因此可以通過測特定光強下的熒光強度來測量葉綠素的含量。葉綠素熒光強度特性滿足比爾吸收定律[22]，相對熒光強度:

式中:ε為摩爾吸收系數(shù)，c為葉綠素濃度，b為樣品光程，k為熒光儀器系數(shù)，φ為葉綠素熒光效率，I為激發(fā)光強。

由于本設(shè)計采用對數(shù)計算，對式(1)取對數(shù)得到:

當儀器與檢測物質(zhì)確定后，A、B、D皆為常數(shù)。因此，可以通過檢測浮游植物的熒光強度來檢測出浮游植物中葉綠素的濃度。

葉綠素a的激發(fā)－發(fā)射光譜如圖1所示。由圖1可以看出，當葉綠素的激發(fā)光波長為460 nm附近時，發(fā)射熒光光譜的范圍在680 nm區(qū)域內(nèi)具有波峰，因此本文設(shè)計采用460 nm波長的高亮度L470－02型LED作為激發(fā)光源，并在680 nm附近進行接收，利用中心波長為680 nm的窄帶濾光片來保證接熒光激發(fā)效率和接收熒光強度的最大化。

圖1 葉綠素a的激發(fā)－發(fā)射光譜

1.2 正交數(shù)字鎖相放大器的原理

正交數(shù)字鎖相放大器(DLIA)是基于互相關(guān)原理設(shè)計的一種微弱信號檢測設(shè)備，可以從干擾極大的噪聲中提取所需要的信號信息，能夠抑制噪聲，提高檢測的靈敏度與信噪比。本設(shè)計采用正交DLIA實現(xiàn)對微弱熒光信號的提取。

正交DLIA的原理如圖2所示，S(t)為參考信號，R(t)是待檢測的信號，外界噪聲為n(t)。假設(shè)參考信號R(t)為幅值為A，角頻率為ω，初相為θ的正弦信號:

圖2 正交數(shù)字鎖相放大器原理圖

S(t)是幅值為B，周期為T的方波信號:

由圖2可得:

由式(4)和式(6)得到:

由于噪聲信號與參考信號的不相關(guān)性，因此可以濾除掉噪聲信號，再經(jīng)過低通濾波之后，就可以濾除掉n>1的差頻項以及所有的高頻項，便得到所需的信號:

同理，可以得:

將式(8)和式(9)代入公式(10)，便可以計算出所檢測信號的幅值與相位，從而得到檢測信號的大小。

1.3 數(shù)字鎖相放大器的設(shè)計

正交同步檢波原理如圖3所示，是對交流信號進行相敏檢波的放大器。利用和被測信號有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號作為比較基準，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻(或者倍頻)、同相的噪聲分量有響應。因此，能抑制無用噪聲，改善檢測的信噪比，實現(xiàn)對微弱信號的檢測。

圖3 正交同步檢波原理圖

本文設(shè)計的數(shù)字正交鎖相放大器采用了方波乘以方波的形式，相敏檢測波形如圖4所示。首先，STM32F103單片機內(nèi)部產(chǎn)生1 kHz的方波調(diào)制信號，對光源進行調(diào)制，同時作為參考信號。通過光電二極管接收的熒光信號R(t)，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換放大之后，分別于相位差為90°的方波信號S1(t)、S2(t)進行乘法(PSD)運算，即:

圖4 數(shù)字相敏檢測波形圖

將得到的數(shù)據(jù)進行A/D采集和數(shù)字IIR和FIR混疊低通濾波后，送到STM32F103中進行處理，得到的直流信號，便是葉綠素a濃度的響應值，便得到了所檢測到的數(shù)據(jù)。

2 傳感器硬件設(shè)計

2.1 光路設(shè)計

光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。光路系統(tǒng)功能:系統(tǒng)控制驅(qū)動電路，驅(qū)動LED產(chǎn)生波長為460 nm的激發(fā)光調(diào)制信號，激發(fā)光穿過濾光片入射水體中，水體里的葉綠素受激發(fā)光照射產(chǎn)生熒光信號，除此之外，環(huán)境雜散光等外部干擾信號在此時引入。再經(jīng)過熒光濾光片，濾除掉其他波長的信號，得到波長為680 nm熒光信號，高精度的光電二極管將接收到的熒光信號和干擾信號轉(zhuǎn)換為電信號，進行檢測，經(jīng)過解調(diào)放大得到所需的熒光信號。

圖5 光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為了確保葉綠素a的熒光激發(fā)效率與接收熒光強度的最優(yōu)化，降低研發(fā)成本，利用Zemax光學仿真軟件對光路進行了模擬和仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明當激發(fā)光路與檢測光路夾角為45°時，熒光激發(fā)效率和接收效率最高。光學探頭結(jié)構(gòu)如圖7所示，由藍光LED、光電二極管、激發(fā)光源濾光片、熒光濾光片等組成。

圖6 光路仿真模擬

圖7 光學探頭結(jié)構(gòu)

2.2 電路系統(tǒng)設(shè)計

電路系統(tǒng)由LED驅(qū)動電路、I/V轉(zhuǎn)換電路、二級放大電路、AD采集電路、信號處理電路、電刷驅(qū)動和溫度檢測電路等組成。其中信號處理電路是整個電路的核心部分，電路系統(tǒng)的設(shè)計圖如圖8所示。

圖8 電路系統(tǒng)設(shè)計圖

選用STM32F103作為系統(tǒng)的主控芯片，主要包括通信模塊與信號處理模塊。STM32F103通過定時器產(chǎn)生一個1 kHz的方波調(diào)制信號，實現(xiàn)對激發(fā)光源LED調(diào)制；利用恒流源驅(qū)動芯片MAX1916驅(qū)動LED，避免了外界光的干擾，保證了激發(fā)光源LED的穩(wěn)定性；通過高精度S2386－18L光電二極管接收熒光信號，提高檢測靈敏度，降低噪聲；通過ADC功能實現(xiàn)對信號的采集，在STM32F103中進行相敏檢測與數(shù)字濾波，對數(shù)據(jù)進行的處理；傳感器通過RS485與上位機進行通信，主控模塊通過SPI、GPIO等形式與外設(shè)進行通信連接和數(shù)據(jù)交換。

I/V轉(zhuǎn)換電路通過AD8630運算放大器實現(xiàn)。由于光電二極管產(chǎn)生的電流信號極其微弱，并受到外部噪聲的干擾，故設(shè)計電阻R1為1 MΩ，實現(xiàn)對電流信號的放大；電容C1實現(xiàn)通交隔直作用，屏蔽部分直流信號，電容C2保證輸出的穩(wěn)定性，使電路更加穩(wěn)定。放大的信號連接至LF442，二次放大對電壓信號進行補償和反向，實現(xiàn)對微弱熒光信號的檢測。I/V轉(zhuǎn)換與放大電路如圖9所示。

圖9 I/V轉(zhuǎn)換與放大電路

溫度和濁度會影響對水體中葉綠素含量的檢測[23]。為了減少溫度對葉綠素檢測的影響，本文設(shè)計了溫度監(jiān)控系統(tǒng)，利用熱敏電阻監(jiān)測水溫變化，通過溫度建立數(shù)學模型，并利用軟件算法進行溫度補償；此外，在光電檢測裝置前安裝了熒光濾光片，以防止光電二極管檢測到被反射或折射的激勵光信號，然后使用偏最小二乘法建立數(shù)學模型進行校正，改善檢測精度。

為防止生物附著在光學鏡頭表面，影響檢測的效果，光學葉綠素傳感器采用機械電刷的方式對光學鏡頭進行清潔。電刷驅(qū)動電路如圖10所示，利用抗干擾能力強的電流驅(qū)動芯片L9110控制和驅(qū)動電機的運行，控制著電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)清除掉附著的在光學鏡頭表面的水生生物，延長在位時間。

圖10 電刷驅(qū)動電路

2.3 傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的光學葉綠素傳感器內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)和傳感器實物圖如圖11所示。儀器主要分為五個模塊，包括信號檢測模塊、熒光探頭、溫度探頭、清潔電刷、機械外殼等組成。

圖11 傳感器內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)與實物圖

信號檢測模塊由控制板A和控制板B組成。LED驅(qū)動電路、電刷控制電路以及電源供電電路組成控制板A；信號處理電路作為控制板B。將控制板A和信號處理電路隔離開，可以有效避免電源不穩(wěn)定、溫度漂移導致信號處理不穩(wěn)定等缺點，提高檢測的準確性。

傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、簡潔高效，方便安裝與固定，使傳感器更加適用于海水中葉綠素的檢測。

3 實驗結(jié)果

3.1 動態(tài)測量范圍

在實驗室中，配置濃度梯度為:0.5μg/L、5μg/L、25μg/L、50μg/L、100μg/L、200μg/L的葉綠素標準溶液和空白(0μg/L)溶液。實驗時，利用光學葉綠素傳感器去檢測不同濃度溶液的A/D值，每組濃度的電壓采樣15次卻平均值得到檢測數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)線性擬合，得到的葉綠素濃度曲線如圖12所示，得到的線性回歸方程為:y＝0.000 8x＋0.056 1，R2＝0.999 6，結(jié)果表明，在動態(tài)測量范圍內(nèi)(0～200μg/L)該傳感器具有良好線性關(guān)系。

圖12 傳感器響應測試結(jié)果

3.2 傳感器的檢出限和精密度

為了檢驗該傳感器的性能，以人工海水為基礎(chǔ)，連續(xù)檢測空白溶液7次，計算標準偏差(SD)，并以3SD作為傳感器的檢出限，由表1可知，檢測結(jié)果的標準偏差為0.007 6，傳感器的檢出限為0.023μg/L。

表1 葉綠素傳感器的檢出限檢測數(shù)據(jù)

同時配置4μg/L、40μg/L、150μg/L三種不同濃度葉綠素標準溶液，利用葉綠素傳感器去檢測三種不同濃度的溶液，連續(xù)檢測7次，測量結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示，該傳感器的最大誤差在2μg/L以內(nèi)，在高中低三個濃度梯度的相對標準偏差分別為0.03%、0.08%、0.24%，顯示出良好的測量精密度。

表2 葉綠素傳感器實驗誤差與精密度

3.3 碼頭比對測試

為了驗證該葉綠素傳感器的可行性，將標定完成的葉綠素傳感器與已檢定日本亞力克AAQ171傳感器，在青島中苑碼頭附近海域進行對比測試，借助碼頭的浮標進行試驗。在為期30天的現(xiàn)場實驗期間，儀器工作狀態(tài)正常，信號傳輸穩(wěn)定。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果如圖13所示。

圖13 30 d內(nèi)兩種傳感器實驗數(shù)據(jù)的對比

由圖13得出，研制的葉綠素傳感器與日本亞力克AAQ171傳感器在海試試驗中的數(shù)據(jù)變化正常，且變化的動態(tài)基本相同，具有良好的波動相關(guān)度。圖14為兩組海試數(shù)據(jù)的比對測試，根據(jù)計算得到，其線性相關(guān)系數(shù)R＝0.824 8，表明兩組數(shù)據(jù)具有較大相關(guān)程度。

圖14 兩組數(shù)據(jù)對比測試

據(jù)此可以得到，在實際海水環(huán)境條件下，基于熒光原理研制的光學葉綠素傳感器具有較高的可靠性與準確性，并且從穩(wěn)定性上來說，要優(yōu)于日本亞力克AAQ171葉綠素傳感器。

4 結(jié)論

本文基于熒光檢測原理設(shè)計光學原位葉綠素傳感器，采用鎖相放大原理，通過對LED驅(qū)動、I/V轉(zhuǎn)換放大、信號采集及處理等電路設(shè)計實現(xiàn)了對微弱熒光信號的提取與檢測。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的光學原位葉綠素傳感器可以準確的檢測出水體中葉綠素的濃度，精度高，準確度好，具有良好的抗干擾能力，適合浮標、臺站等實時原位檢測，也可以將該葉綠素傳感器應用于湖泊河流之中。對預防“綠潮”“赤潮”等自然災害發(fā)生具有重要的意義。