便攜式銨氮熒光檢測(cè)儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的便攜式銨氮熒光檢測(cè)儀，其功能模塊包括樣品檢測(cè)模塊、信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊、等精度頻率測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊和電源模塊共五個(gè)模塊；樣品檢測(cè)模塊、信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊、測(cè)頻模塊、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊順序連接，電源模塊分別連接著上述四個(gè)模塊；信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊、測(cè)頻模塊、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊和電源模塊集成在一塊PCB主板上。該檢測(cè)儀通過(guò)檢測(cè)熒光強(qiáng)度來(lái)定量檢測(cè)待測(cè)液中的銨氮濃度，體積小，能夠便攜使用，滿足了便攜式檢測(cè)儀的小型化和集成化要求。
【專利說(shuō)明】便攜式銨氮熒光檢測(cè)儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水體銨氮檢測(cè)儀，具體是一種便攜式銨氮熒光檢測(cè)儀。

【背景技術(shù)】
[0002] 氮的化合物是水體生物所必須的最重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。銨氮是水體中浮游植物可直 接利用的最重要的無(wú)機(jī)氮形態(tài)，其它形態(tài)的氮首先需轉(zhuǎn)化為銨氮才可被浮游植物所利用。 水體中的銨氮可作為水體受到含氮有機(jī)物污染程度的指標(biāo)。因此，銨氮的現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定在 工業(yè)、環(huán)境評(píng)估、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、大氣和污水控制等領(lǐng)域都具有重要意義。
[0003] 熒光光譜法是目前測(cè)定銨氮最為靈敏的方法?，F(xiàn)有的便攜式銨氮測(cè)定儀多采用分 光光度法，總體精度偏低，熒光光譜法還未在便攜式銨氮檢測(cè)儀中推廣。在環(huán)境監(jiān)測(cè)儀朝著 專用化、小型化、便攜化、現(xiàn)場(chǎng)化的發(fā)展大背景下，將高靈敏的熒光光譜法推廣到實(shí)際應(yīng)用 中來(lái)是近年的發(fā)展趨勢(shì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了將高靈敏的熒光光譜法推廣到實(shí)際應(yīng)用中，為銨氮的現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定在工業(yè)、 環(huán)境評(píng)估、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、大氣和污水控制帶來(lái)便利，本專利的目的在于基于熒光光譜法提供 一種便攜式銨氮熒光檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)高精度、低檢測(cè)限、低成本、體積小、能夠便攜使用的目 標(biāo)。
[0005] 本發(fā)明所述的便攜式銨氮熒光檢測(cè)儀包括機(jī)箱和功能模塊，其特征在于：包括樣 品檢測(cè)模塊、信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊、等精度頻率測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊和電 源模塊共五個(gè)模塊；
[0006] 樣品檢測(cè)模塊、信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊、測(cè)頻模塊、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊順序連 接，電源模塊分別連接著上述四個(gè)模塊；
[0007] 上述的順序連接為：樣品檢測(cè)模塊中的娃光電二極管的輸出窗口與信號(hào)放大與壓 頻轉(zhuǎn)換模塊中的放大器連接，信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊中的壓頻轉(zhuǎn)換裝置連接測(cè)頻模塊， 測(cè)頻模塊，連接數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊中的顯示裝置；
[0008] 樣品檢測(cè)模塊中，兩個(gè)激發(fā)光源分置在比色皿兩側(cè)，比色皿與硅光電二極管之間 設(shè)置濾光片；
[0009] 為使儀器布局滿足便攜式檢測(cè)儀的小型化和集成化要求，本發(fā)明的信號(hào)放大與壓 頻轉(zhuǎn)換模塊、測(cè)頻模塊、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊和電源模塊集成在一塊PCB主板上。
[0010] 樣品檢測(cè)模塊作用在于將熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱電流信號(hào)，等效于一個(gè)光電傳感 器。該模塊還設(shè)置比色池架為骨架，嵌入了激發(fā)光源、比色皿、濾光片和硅光電二極管。激 發(fā)光源照射試樣池中的待測(cè)溶液，激發(fā)其發(fā)射熒光。熒光信號(hào)經(jīng)窄帶濾光片濾光后射入硅 光電二極管接收窗口，被轉(zhuǎn)換成微弱電流信號(hào)后輸出，其電流大小與突光強(qiáng)度成正比。其中 的比色池架用3D打印技術(shù)制成。
[0011] 為使儀器專用化、小型化，故選用波段寬、單色性好、穩(wěn)定性好、體積小、功耗低、 壽命長(zhǎng)的LED作為激發(fā)光源。在比色皿與硅光電二極管之間放置窄帶干涉濾光片，濾掉 476. 5nm以下和493. 5nm以上的干擾光，確保硅光電二極管只接收熒光。使用3D打印技術(shù) 加工比色池架，使比色池架不僅能夠放置比色皿，還能將激發(fā)光源、濾光片、硅光電二極管 都鑲嵌在比色池架壁上。
[0012] 為了避免干擾，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，本發(fā)明中采用了如下措施：首先是選用兩個(gè) LED相對(duì)放置，通過(guò)提高激發(fā)光強(qiáng)度，以期激發(fā)出光強(qiáng)更強(qiáng)的熒光。其次，在保證激發(fā)光源 的光不進(jìn)入硅光電二極管的情況下，激發(fā)光源需盡可能的靠近比色皿，兩個(gè)激發(fā)光源、濾光 片均與比色皿直接接觸，硅光電二極管與濾光片直接接觸。還包括將激發(fā)光源放置在一個(gè) 不透光的空心套管內(nèi)，并一同塞入在中空螺絲中，通過(guò)比色池架壁上的圓孔將螺絲旋進(jìn)比 色池架壁，以及將硅光電二極管與濾光片一起放置在一個(gè)不透光的空心套筒內(nèi)，濾光片緊 貼在光電二極管前，確保只讓通過(guò)濾光片之后的光射入光電二極管；也包括使得激發(fā)光源 與比色皿的連線垂直于硅光電二極管與比色皿的連線，減少散射光進(jìn)入硅光電二極管。
[0013] 信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊把弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)并放大，經(jīng)濾波、壓 頻轉(zhuǎn)換處理后以頻率信號(hào)輸出。選用精密、低噪聲、FET輸入的AD795作為運(yùn)算放大器，采 用T型網(wǎng)絡(luò)互阻放大將微弱電流信號(hào)I d轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)Vwt并放大。選用低功耗、低噪聲、 雙極性的雙通道運(yùn)算放大器AD706搭建濾波電路。其中一個(gè)通道搭建電壓跟隨電路以提 高帶負(fù)載能力；另一個(gè)通道搭建二階有源低通濾波電路，濾去工頻及其他干擾信號(hào)得到直 流信號(hào)。壓頻轉(zhuǎn)換是模數(shù)轉(zhuǎn)換的重要形式之一，相對(duì)于直接測(cè)電壓具有更高的準(zhǔn)確度。本 發(fā)明使用壓頻轉(zhuǎn)換芯片把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，以便對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。其設(shè)計(jì)參照CN 203364965U :基于等精度測(cè)頻的光信號(hào)檢測(cè)裝置。
[0014] 測(cè)頻模塊基于STM32的定時(shí)器，結(jié)合一個(gè)D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)等精度頻率測(cè)量。待測(cè)頻 率信號(hào)F x既是輸入信號(hào)又是D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，從AD650芯片輸出，傳給D觸發(fā)器的輸 入端，此時(shí)，D觸發(fā)器使測(cè)定F x和參考脈沖信號(hào)匕的兩個(gè)定時(shí)器開(kāi)啟計(jì)數(shù)，當(dāng)測(cè)定Fx的定 時(shí)器計(jì)滿或計(jì)到設(shè)定值時(shí)，輸出信號(hào)到D觸發(fā)器，D觸發(fā)器使這兩個(gè)定時(shí)器結(jié)束計(jì)數(shù)。讀取 此時(shí)的兩計(jì)數(shù)器寄存器中的計(jì)數(shù)值，按F x = (NxXFQ)/NQ進(jìn)行運(yùn)算便可得出待測(cè)頻率值Fx。 其中F x為待測(cè)頻率信號(hào)，Nx為待測(cè)頻率信號(hào)脈沖數(shù)，匕為參考脈沖信號(hào)，隊(duì)為參考脈沖信 號(hào)脈沖數(shù)。其設(shè)計(jì)參照CN 203364965U:基于等精度測(cè)頻的光信號(hào)檢測(cè)裝置。
[0015] 數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊，選用有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light - Emitting Diode, 簡(jiǎn)稱OLED)顯示模塊作為顯示器。OLED具有對(duì)比度高、視角廣、反應(yīng)快、厚度薄、使用溫度范 圍廣等優(yōu)點(diǎn)，且不需要背光源。此外，本儀器還帶有一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口的接口，可把數(shù)據(jù)傳輸 到上位機(jī)顯示。
[0016] 電源模塊中，使用9V電源適配器或者9V碳性電池供電，AMS1117-5將9V電壓轉(zhuǎn) 換成5V電壓，但是當(dāng)USB 口與電腦連接進(jìn)行調(diào)試或者串口通訊時(shí)，由電腦USB 口供應(yīng)5V電 壓，AMS1117-5不工作。然后，使用AMS1117-3. 3將5V電壓轉(zhuǎn)換成3. 3V電壓供樣品檢測(cè)模 塊的LED和STM32F103RBT6使用。同時(shí)，使用MAX743把5V電壓轉(zhuǎn)換成正負(fù)15V電壓供信 號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊的AD795、AD706、AD650芯片使用。
[0017] 本發(fā)明所述的檢測(cè)儀在機(jī)箱內(nèi)放置主板，機(jī)箱外配置按鍵和顯示屏，機(jī)箱右側(cè)固 定樣品檢測(cè)模塊；以及還在機(jī)箱內(nèi)設(shè)置備用電池盒，用于放置備用電池，和在機(jī)箱底部設(shè)置 孔，用于將儀器與外部設(shè)施固定。
[0018] 本發(fā)明的便攜式銨氮熒光檢測(cè)儀體積小、低成本、能夠便攜使用。試驗(yàn)證實(shí)，其 具有良好的基線穩(wěn)定性和較好的恒定信號(hào)響應(yīng)穩(wěn)定性，能準(zhǔn)確測(cè)量銨氮濃度在500? 4000nmo 1 /L范圍內(nèi)的水樣，可應(yīng)用與實(shí)際水體中銨氮濃度的測(cè)定。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是儀器整體結(jié)構(gòu)圖。
[0020] 圖2是儀器布局正視圖。
[0021] 圖3是儀器布局頂視圖。
[0022] 圖4是樣品檢測(cè)模塊俯視剖圖。
[0023] 圖5是SD卡驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 見(jiàn)圖 1。
[0025] 便攜式銨氮熒光檢測(cè)儀，包括樣品檢測(cè)模塊1、信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊2、測(cè)頻 模塊3、數(shù)據(jù)顯7^與存儲(chǔ)模塊4和電源模塊5共五個(gè)模塊；
[0026] 樣品檢測(cè)模塊1、信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊2、測(cè)頻模塊3、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊4 順序連接，電源模塊5分別連接著上述四個(gè)模塊；
[0027] 上述的順序連接為：樣品檢測(cè)模塊1中的硅光電二極管的輸出窗口與信號(hào)放大與 壓頻轉(zhuǎn)換模塊2中的放大器連接，信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊3中的壓頻轉(zhuǎn)換裝置連接測(cè)頻 模塊，測(cè)頻模塊，連接數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊中的顯示裝置；
[0028] 樣品檢測(cè)模塊1中，兩個(gè)激發(fā)光源分置在比色皿兩側(cè)，比色皿與硅光電二極管之 間設(shè)置濾光片。
[0029] 信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊2 :放大器、濾波器、壓頻轉(zhuǎn)換芯片順序連接。
[0030] 測(cè)頻模塊3基于STM32的定時(shí)器，結(jié)合一個(gè)D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)等精度頻率測(cè)量。
[0031] 數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊4 :0LED顯示器或通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口的接口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔?機(jī)顯示。采用SD卡作為儀器外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
[0032] 電源模塊5,可以為電池、USB或適配器。
[0033] 見(jiàn)圖2。本發(fā)明所述的檢測(cè)儀在機(jī)箱6內(nèi)放置主板7 (PCB主板），機(jī)箱外配置按鍵 和顯示屏，機(jī)箱6右側(cè)固定樣品檢測(cè)模塊1 ;以及還在機(jī)箱6內(nèi)設(shè)置備用電池盒8,用于放置 備用電池，和在機(jī)箱底座9設(shè)置固定孔12 (見(jiàn)圖3)，用于將儀器與外部設(shè)施固定。
[0034] 信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊2、測(cè)頻模塊3、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊4和電源模塊5集 成在一塊主板7 (PCB主板）上。
[0035] 見(jiàn)圖3。外配的矩陣鍵盤(pán)10和0LED顯示屏11位于機(jī)箱6的頂部，機(jī)箱底座9設(shè) 置四個(gè)固定孔12,樣品檢測(cè)模塊1位于機(jī)箱6右側(cè)。
[0036] 本發(fā)明樣品檢測(cè)模塊1中，兩個(gè)激發(fā)光源13選用臺(tái)灣統(tǒng)佳光電科技股份有限公司 生產(chǎn)的TJ-LF5WVGYMC-AC型LED。比色皿18使用RF-5301PC型熒光分光光度計(jì)配套的比色 皿。米用日本濱松集團(tuán)生產(chǎn)的S1226-8BK型娃光電二極管15作為光電傳感器。選用上海 兆九光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的BP485/9K型窄帶干涉濾光片14放置在比色皿18與硅光電 二極管15之間，濾掉476. 5nm以下和493. 5nm以上的干擾光。比色池架17具備較高的硬 度和較好的質(zhì)密性，能夠放置比色皿18,并且壁上鑲嵌有激發(fā)光源13、濾光片14和硅光電 二極管15,顏色為黑色。激發(fā)光源13放置在一個(gè)不透光的空心套管19內(nèi)，并一同塞入在中 空螺絲中，通過(guò)比色池架壁上的圓孔將螺絲旋進(jìn)比色池架壁，硅光電二極管15與濾光片14 一起放置在一個(gè)不透光的空心套筒16內(nèi)。使用Solidworks軟件繪制3D圖，采用3D打印 技術(shù)加工比色池架17。具體見(jiàn)圖4。
[0037] 選用精密、低噪聲、FET輸入的AD795作為運(yùn)算放大器，采用T型網(wǎng)絡(luò)互阻放大將 微弱電流信號(hào)I d轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)并放大。選用低功耗、低噪聲、雙極性的雙通道運(yùn)算放大 器AD706搭建濾波電路。其中一個(gè)通道搭建電壓跟隨電路以提高帶負(fù)載能力；另一個(gè)通道 搭建二階有源低通濾波電路，濾去工頻及其他干擾信號(hào)得到直流信號(hào)。
[0038] 測(cè)頻模塊基于STM32的定時(shí)器，結(jié)合一個(gè)D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)等精度頻率測(cè)量。待測(cè)信 號(hào)從AD650芯片的第8腳輸出，接到D觸發(fā)器芯片74LS74的CLK腳和(ΡΑ8)。觸 發(fā)器的輸入腳（D)以及定時(shí)器EN控制（觸發(fā)器輸出腳Q)均連接在STM32F103RBT6的5V 兼容10 口。觸發(fā)器輸入端接PC11，觸發(fā)器輸出端接PC12。另外，將參考脈沖信號(hào)產(chǎn)生引 腳（PA2)和--Μ3定時(shí)器對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)通道引腳（TO2)連接。
[0039] 數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊，選用ALINETEK生產(chǎn)的有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light -Emitting Diode，簡(jiǎn)稱0LED)顯示模塊作為顯示器。0LED具有對(duì)比度高、視角廣、反應(yīng)快、厚 度薄、使用溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，且不需要背光源。本儀器中，0LED采用8080并行接口方式 與STM32連接，0LED數(shù)據(jù)口與STM32的GPI0 口的連接順序如表1所示。此外，本儀器還帶 有一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口的接口，可把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示。
[0040] 表10LED數(shù)據(jù)口與STM32的GPI0 口的連接順序
[0041]

【權(quán)利要求】
1. 便攜式銨氮熒光檢測(cè)儀，包括機(jī)箱和功能模塊，其特征在于：功能模塊包括樣品檢 測(cè)模塊、信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊、等精度頻率測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊和電源模塊 共五個(gè)模塊； 樣品檢測(cè)模塊、信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊、測(cè)頻模塊、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊順序連接， 電源模塊分別連接著上述四個(gè)模塊； 上述的順序連接為：樣品檢測(cè)模塊中的硅光電二極管的輸出窗口與信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn) 換模塊中的放大器連接，信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊中的壓頻轉(zhuǎn)換裝置連接測(cè)頻模塊，測(cè)頻 模塊，連接數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊中的顯示裝置； 樣品檢測(cè)模塊中，兩個(gè)激發(fā)光源分置在比色皿兩側(cè)，比色皿與硅光電二極管之間設(shè)置 濾光片； 信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊、測(cè)頻模塊、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊和電源模塊集成在一塊PCB 主板上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)儀，其特征在于：樣品檢測(cè)模塊中還包括比色池架，比色 皿、激發(fā)光源、濾光片、光電二極管均鑲嵌在比色池架內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測(cè)儀，其特征在于：比色池架用3D打印技術(shù)制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的檢測(cè)儀，其特征在于：兩個(gè)激發(fā)光源、濾光片均與比色皿 直接接觸，硅光電二極管與濾光片直接接觸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的檢測(cè)儀，其特征在于：濾光片為窄帶干涉濾光片。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的檢測(cè)儀，其特征在于：激發(fā)光源放置在一個(gè)不透光的空 心套管內(nèi)，并一同塞入在中空螺絲中。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的檢測(cè)儀，其特征在于：激發(fā)光源與比色皿的連線垂直于 硅光電二極管與比色皿的連線。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的檢測(cè)儀，其特征在于：硅光電二極管與濾光片一起放置 在一個(gè)不透光的空心套筒內(nèi)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)儀，其特征在于：數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊選用有機(jī)發(fā)光二 極管顯示模塊作為顯示器，以及還包括設(shè)置一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口的接口。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)儀，其特征在于：所述的檢測(cè)儀在機(jī)箱內(nèi)放置主板，機(jī) 箱外配置按鍵和顯示屏，機(jī)箱右側(cè)固定樣品檢測(cè)模塊；以及還在機(jī)箱內(nèi)設(shè)置備用電池盒，用 于放置備用電池，和在機(jī)箱底部設(shè)置孔，用于將儀器與外部設(shè)施固定。
【文檔編號(hào)】G01N21/64GK104155268SQ201410248800
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】梁英, 鄭蕓, 曹毅成, 嚴(yán)春梅 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)