专利名称：一种用于现场水下荧光探头的检测电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学检测电路，具体来说是一种用于现场水下荧光探头的检测
电路。
背景技术：
目前，现场水下荧光探头，如现场水下叶绿素仪，光学灵敏度高，环境光(如阳 光)中所包含的仪器检测波长段的光谱成份将通过接收光路被转换放大为检测信号的背景 成分，在环境光较弱或变化较为缓慢情况下，进入检测电路的背景成份可以有效去除， 但在环境光较强的情况下，进入检测电路的背景成份会使检测电路输出饱和，无法检测 有效荧光的强度，在环境光变化较快的情况下，检测结果准确度也会受快速变化的背景 成份影响。为了避免环境光对现场水下荧光探头的影响， 一般采用遮罩，探头的光路位 于遮罩腔内，仪器通过外置水泵把待测水样抽进遮罩腔内进行检测，但该方法增加了探 头的体积，不利于现场水下荧光探头，特别是原位式水下荧光探头的小型化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种抗环境光干扰能力高的用于现场水下荧 光探头的检测电路。 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是该检测电路包括光源滤光片、 发光元件、脉冲光源驱动模块、接收光滤光片、光敏元件、信号调理模块，所述发光元 件产生的光线通过所述光源滤光片照射到检测水样中，检测水样所产生的荧光和环境光 通过所述接收光滤光片后照射到所述光敏元件上，所述光敏元件与所述信号调理模块连 接，所述信号调理模块包括电流/电压转换电路、带通滤波电路、交流放大电路、全波整 流电路和低通滤波电路，所述的电流/电压转换电路与所述带通滤波电路连接，所述的带 通滤波电路与所述交流放大电路连接，所述交流放大电路与所述全波整流电路连接，所 述全波整流电路与所述低通滤波电路连接。 进一步地，本发明所述脉冲光源驱动模块的脉冲频率与所述信号调理模块中的 带通滤波电路的通带中心频率相同。 进一步地，本发明所述发光元件采用发光二极管。
进一步地，本发明所述光敏元件采用光电二极管。 本发明的工作原理如下脉冲光源驱动模块驱动发光元件以一定的频率f。(lk lOkHz)发出周期性脉冲激发光源，周期性脉冲激发光源通过光源滤光片后，照射到检测 水样中，水样中的荧光物质在受到周期性脉冲激发光照射后，以频率f。产生周期性脉冲 荧光，环境光和荧光通过接收光滤光片后，没有被滤除的光谱成份照射到光敏元件上， 光敏元件采用光电二极管，受到光线照射后产生电流信号输入到电流/电压转换电路，电 流/电压转换电路把电流信号转化电压信号输入到带通滤波电路，带通滤波电路的通带中 心频率为f。与脉冲激发光源的频率相等，带通滤波电路抑制了以直流和低频信号为主的环境光所产生的信号分量，使频率以f。为主的有效荧光信号分量通过，输入到交流放大 电路，交流放大电路把有效荧光信号分量放大，提高信噪比，放大后交流信号通过全波 整流电路和低通滤波器，把交流信号转化为直流信号输出，输出信号可提供给常规的采 集系统使用。
与现有技术相比，本发明具有如下优点 1.本发明通过使用脉冲光源驱动模块驱动发光元件发出高频脉冲激发光源，使 检测水样产生的荧光信号同样呈高频脉冲性，信号调理模块中的带通滤波电路和交流放 大电路能抑制检测信号中以直流和低频信号为主的自然环境光分量，放大以高频信号为 主的有效荧光信号分量，由此显著提高现场水下荧光探头的检测动态范围，有效抑制以 低频信号为主体的强度大的自然环境光(特别是阳光)对检测结果的影响，具有较高的抗 环境光干扰能力。尤其是当脉冲光源驱动模块的脉冲频率与信号调理模块中的带通滤波 电路的通带中心频率相同时，可达到最佳的抗环境光干扰性能。 2.采用本发明提供的检测电路的现场水下荧光探头无需装配遮罩，简化了结 构，有利于该类仪器的小型化。
图1为本发明的工作原理图； 图2为本发明的脉冲光源驱动模块原理框图； 图3为本发明的信号调理模块原理框图； 图4为本发明一种实施例的信号调理模块电路原理图。
具体实施例方式
图1为本发明一种用于现场水下荧光探头的检测电路的工作原理图，该检测电 路包括光源滤光片、发光元件、脉冲光源驱动模块、接收光滤光片、光敏元件、信号调 理模块。其中，发光元件与脉冲光源驱动模块连接，发光元件产生的光线通过光源滤光 片照射到检测水样中，检测水样所产生的荧光和环境光通过接收光滤光片后照射到光敏 元件上，光敏元件与信号调理模块连接。 光源滤光片用于滤除发光元件所产生的光源中不需要的波长段分量，提高激发 光源的单色性，光源滤光片可采用市售的带通滤光片。 发光元件用于产生荧光检测所需的激发光源，本发明采用了发光二极管(LED)， LED具有亮度高、功耗低、体积小等特点，广泛应用于光学检测中，由于现场水下荧光 探头，特别是原位式水下荧光探头，对体积和功耗的限制较大，LED作为发光元件有利 于荧光探头设计的小型化和低功耗化。 脉冲光源驱动模块用于产生周期性脉冲驱动电流，驱动发光元件产生周期性脉 冲光源，当周期性脉冲光源照射到检测水样后，水样中的荧光物质所发出的荧光也呈现 周期脉冲性。图2为本发明的脉冲光源驱动模块的原理框图，该模块包括恒流LED 驱动电路和微处理器、微处理器产生脉冲控制信号、控制恒流LED驱动电路产生脉冲功 率驱动电流、驱动LED。恒流LED驱动电路可采用市售的恒流LED驱动芯片组成，如 MAXIM公司的恒流LED驱动芯片MAX1916，它可同时驱动3个LED，通过改变EN管脚的电平来控制LED的开启和关闭。EN管脚的控制信号可由微处理器产生，常用的微处理 器，如51系列单片机、MSP430系列微处理器、ARM核心微处理器、PIC系列微处理器 等通过软件编程都能产生周期性脉冲信号，如采用MSP430系列单片机，用定时器A可产 生频率f。和占空比N均可通过软件控制的周期性脉冲方波信号，该信号输出到MAX1916 的EN管脚，使MAX1916产生周期为f。，占空比为N的驱动电流，f。可取lkHz 10kHz 范围中的某一频率，本实施例中&= lkHz， N = 0.5。除了采用微处理器产生周期性脉 冲方波信号外，还能采用专门的方波信号发生芯片或用分立元件搭建谐振电路来实现。
接收光滤光片用于滤除企图照射到光敏元件的光线中非待检测波长段的光谱分 量，接收光滤光片可采用市售的带通滤光片。 光敏元件采用市售光敏二极管，例如采用日本滨松公司的硅光电二极管S1336， 光敏二极管接收到光信号后，会产生随光信号强度变化的电流，电流信号输入到信号调 理模块。 图3为本发明的信号调理模块的原理框图，该模块包括电流/电压转换电路、 带通滤波电路、交流放大电路、全波整流电路和低通滤波电路，电流/电压转换电路与带 通滤波电路连接，带通滤波电路与交流放大电路连接，交流放大电路与全波整流电路连 接，全波整流电路与低通滤波电路连接。 图4为本发明其中一种实施例的信号调理电路原理图。光电二极管产生的电流 信号通过电流/电压转换电路转化为电压信号，电流/电压转换电路可采用常用的跨导型 电流/电压转换电路，如图4中电阻Rl和运放U1A所组成的一个跨导型电流/电压转换 电路，Rl的一端与U1A的反相输入端连接，Rl的另一端与U1A的输出端连接，U1A 的正相输入端接地，Rl的阻值不能取高，使电流/电压转换系数过高，导致照射到光敏 二极管的背景光分量较强时，电流/电压转换电路输出信号饱和，本实施例中R1取值为 50kQ 。 电流/电压转换电路输出的信号包含周期为f。的脉冲荧光信号分量和环境光信号 分量，自然环境光中特别是以阳光为主的环境光以直流和变化较缓慢的低频号为主，采 用通带中心频率与脉冲激发光源的脉冲频率同为f。的带通滤波器对电流/电压转换电路的 输出信号进行滤波处理，可抑制以直流和低频信号为主的环境光分量以及频率比f。高的 射频噪声，同时最大限度地让频率为f。为主荧光信号分量通过，达到最佳的抗环境光干 扰性能。图4中电阻R2、 R3、 R4，电容C1、 C2和运放U1B组成了一种带通滤波电路， R2的一端与U1A的输出端连接，R2的另一端分别与R3的一端、Cl的一端和C2的一端 连接，R3的另一端接地，Cl的另一端分别与R4的一端和U1B的输出端连接，C2的另 一端分别与R4的另一端和U1B的反相输入端连接，U1B的正相输入端接地，通带中心 频率f。为lkHz。 带通滤波电路的输出信号以周期性脉冲荧光信号交流分量为主，该信号采用交 流放大电路放大把交流分量放大，提高检测电路的信噪比，如图4中电容C3、电阻R5、 R6、 R7和运放U2A所组成的交流放大电路，C3的一端与U1B的输出端连接，C3的另 一端分别与R6的一端和U2A的正相输入端连接，R6的另一端接地，C3与R6形成RC 高通滤波网络，进一步抑制信号中的低频分量，R5的一端接信号地，R5的另一端分别与 R7的一端和U2A的反相输入端连接，R7的另一端与U2A的输出端连接，该电路的交流
5放大倍数为l+R7/R5。 交流放大电路输出信号采用全波整流电路进行全波整流，把交流信号中低于 信号地的部分翻转后，再通过截至频率较低的低通滤波器(本实施例中低通截至频率取 10Hz)滤波后，可得幅度与脉冲荧光信号强度成正比的输出信号，该信号可提供给常规采 集系统采集。本发明中全波整流电路可采用常用的电路方案，如图4中电阻R8、 R9、 RIO、 Rll、 R12，整流二极管D1、 D2和运放U2B、 U3A所组成的一种全波整流电路， R8的一端与U2A的输出端连接，R8的另一端分别与U2B的反相输入端、R9的一端、 Ri0的一端连接，U2B的正相输入端接地，U2B的输出端分别与Dl的负极和D2的正极 连接，R9的另一端分别与R11的一端、Dl的正极连接，R10的另一端分别与D2的负极 和U3A的正相输入端连接，Rll的另一端分别与U3A的反相输入端和R12的一端连接， R12的另一端与U3A的输出端连接。本发明中所述的低通滤波电路可采用常用的电路方 案，如图4中电阻R13、电容C4和运放U3B所组成的一种低通滤波电路，R13的一端与 U3A的正相输出端连接，R13的另一端分别与C4的一端和U3B的正相输入端连接，C4 的另一端接地，U3B的反相输入端和输出端连接。
权利要求
一种用于现场水下荧光探头的检测电路，其特征是该检测电路包括光源滤光片、发光元件、脉冲光源驱动模块、接收光滤光片、光敏元件、信号调理模块，所述发光元件与所述脉冲光源驱动模块连接，所述发光元件产生的光线通过所述光源滤光片照射到检测水样中，检测水样所产生的荧光和环境光通过所述接收光滤光片后照射到所述光敏元件上，所述光敏元件与所述信号调理模块连接，所述信号调理模块包括电流/电压转换电路、带通滤波电路、交流放大电路、全波整流电路和低通滤波电路，所述的电流/电压转换电路与所述带通滤波电路连接，所述的带通滤波电路与所述交流放大电路连接，所述交流放大电路与所述全波整流电路连接，所述全波整流电路与所述低通滤波电路连接。
2. 根据权利要求1所述的一种用于现场水下荧光探头的检测电路，其特征是所述 脉冲光源驱动模块的脉冲频率与所述信号调理模块中的带通滤波电路的通带中心频率相 同。
3. 根据权利要求1所述的一种用于现场水下荧光探头的检测电路，其特征是所述 发光元件采用发光二极管。
4. 根据权利要求1所述的一种用于现场水下荧光探头的检测电路，其特征是所述 光敏元件采用光电二极管。
全文摘要
本发明公开了一种用于现场水下荧光探头的检测电路，它包括光源滤光片、发光元件、脉冲光源驱动模块、接收光滤光片、光敏元件、信号调理模块，发光元件与脉冲光源驱动模块连接，发光元件产生的光线通过光源滤光片照射到检测水样，检测水样产生的荧光和环境光通过接收光滤光片后照射到光敏元件，光敏元件与信号调理模块连接，信号调理模块包括电流/电压转换电路、带通滤波电路、交流放大电路、全波整流电路和低通滤波电路，电流/电压转换电路与带通滤波电路连接，带通滤波电路与交流放大电路连接，交流放大电路与全波整流电路连接，全波整流电路与低通滤波电路连接。本发明的优点是可著提高现场水下荧光探头的检测动态范围，抗环境光干扰能力高。
文档编号G01N21/64GK101692044SQ20091015342
公开日2010年4月7日 申请日期2009年10月12日 优先权日2009年10月12日
发明者叶树明, 周乐川, 杨俊毅, 潘建明 申请人:浙江大学