一种可校准的吸光度测量电路的制作方法

1.本实用新型涉及吸光度测量技术领域，特别涉及一种可校准的吸光度测量电路。


背景技术：

2.吸光度(absorbance)：是指光线通过溶液或某一物质前的入射光强度与该光线通过溶液或物质后的透射光强度比值的以10为第的对数(即log(i0/i1))，其中i0为入射光强，i1为透射光强。吸光度是用来衡量光被吸收的程度的一个物理量，通过测量吸光度来确定目标组分浓度是现代分析仪器领域中的重要手段。吸光系数与入射光的波长及光通过的物质特性有关，由于不同物质的特性不同，其能吸收的光谱也不同，因此，确定待测物质后，只需要选择与待测物质所能吸收的光谱相应的光源，就能够通过吸光度来计算待测物质的含量。
3.现有的测量吸光度的技术方案中，通常采用传统的ad采样电路加单片机运算的方案。通过高精度ad采样电路对入射光和参照光的电压信号进行采样，然后送入单片机中，再通过软件编程计算吸光度。这种方案不但实现复杂，而且硬件成本和软件研发成本较高，同时ad采样电路引入的噪声干扰以及采样波形失真，很大程度上会影响实际测量精度。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种可校准的吸光度测量电路，其电路结构简单，能通过纯模拟信号实现吸光度的测量，可以通过可调电阻实现吸光度测量的零点校准，并能满足不同工况下的需求，从而极大地提升测量电路的通用性。
5.本实用新型的技术方案是：一种可校准的吸光度测量电路，包括信号检测单元、信号放大单元、信号补偿单元；
6.所述信号检测单元包括入射光检测电路、透射光检测电路、对数运算电路，所述入射光检测电路包括光电二极管d1、运算放大器ic1a，所述光电二极管 d1的阳极与运算放大器ic1a的正向输入端共同接地，光电二极管d1的阴极与运算放大器ic1a的反向输入端连接，且运算放大器ic1a的反向输入端与输出端之间设置并联的电阻r1、电容c1；所述透射光检测电路包括光电二极管d2、运算放大器ic1b，所述光电二极管d2的阳极与运算放大器ic1b的正向输入端共同接地，光电二极管d2的阴极与运算放大器ic1b的反向输入端连接，且运算放大器ic1a的反向输入端与输出端之间设置并联的电阻r2、电容c2；所述运算放大器ic1a、运算放大器ic1b的正电源端连接正电源，运算放大器ic1a、运算放大器ic1b的负电源端连接模拟地；所述对数运算电路包括对数放大器 ic2，所述对数放大器ic2的第一输入端经电阻r3、可调电阻p1连接运算放大器ic1a的输出端，所述对数放大器ic2的第二输入端经电阻r4连接运算放大器ic1b的输出端，且对数放大器ic2的第二输入端经电容c3与输出端连接；
7.所述对数放大器ic2的输出端连接信号放大单元，所述信号放大单元的输出端连接信号补偿单元，通过信号补偿单元输出吸光度值。
8.进一步的，所述信号放大单元包括滤波电路、信号放大电路，所述滤波电路的运算放大器ic3的正向输入端经电阻r6、电阻r5连接对数放大器ic2的输出端，且运算放大器ic3的正向输入端经电容c5连接模拟地，所述运算放大器ic3的反向输入端与输出端连接，且运算放大器ic3的反向输入端经电容c4 连接电阻r5、电阻r6之间的结点，所述运算放大器ic3的正电源端连接正电源，负电源端连接负电源；所述信号放大电路的运算放大器ic4的正向输入端与运算放大器ic3的输出端连接，运算放大器ic4的反向输入端与输出端之间连接可调电阻p2，可调电阻p2的两端并联一电容c6，且运算放大器ic4的反向输入端经电阻r7连接模拟地，所述运算放大器ic4的正电源端连接正电源，负电源端连接负电源。
9.进一步的，所述信号补偿单元包括运算放大器ic8、加法器ic7b，所述运算放大器ic8的正向输入端连接可调电阻p3的可调端，所述可调电阻p3一端连接+5v电源，另一端连接-5v电源，所述运算放大器ic8的反向输入端与输出端连接，运算放大器ic8的正电源端连接正电源，负电源端连接负电源，所述加法器ic7b的正向输入端经电阻r10连接信号放大单元的输出端，且加法器 ic7b的正向输入端经电阻r11连接运算放大器ic8的输出端，所述加法器ic7b 的反向输入端经电阻r12与输出端连接，且加法器ic7b的反向输入端还通过电阻r13连接模拟地，所述加法器ic7b的正电源端连接正电源，负电源端连接负电源，通过加法器ic7b的输出端输出吸光度。
10.进一步的，所述信号补偿单元的输出端与电阻r10之间设置一滤波电路，所述滤波电路的运算放大器ic7a的正向输入端依次经串联的电阻r9、电阻r8 与信号单元的输出端连接，且运算放大器ic7a的正向输入端还通过电阻r21 连接模拟地，所述运算放大器ic7a的反向输入端与输出端连接，且运算放大器 ic7a的反向输入端经电阻r20连接电阻r8、电阻r9之间的结点，所述运算放大器ic7a的正电源端连接正电源，负电源端连接负电源。
11.进一步的，所述电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13的阻值相同。
12.进一步的，所述可调电阻p3的可调端与运算放大器ic8的正向输入端之间设置并联的电容c24、电容c25，所述电容c24、电容c25共同连接模拟地。
13.进一步的，所述运算放大器ic1a、运算放大器ic1b的输出端分别连接一电压跟随电路，其中，第一电压跟随电路包括运算放大器ic5，所述运算放大器 ic5的正向输入端与运算放大器ic1a的输出端连接，运算放大器ic5的反向输入端与输出端连接，第二电压跟随电路包括运算放大器ic6，所述运算放大器ic6 的正向输入端连接运算放大器ic1b的输出端，运算放大器ic6的反向输入端与输出端连接，所述运算放大器ic5、运算放大器ic6的正电源端分别连接正电源，并分别经电容连接模拟地，负电源端分别连接负电源，并分别经电容连接模拟地。
14.进一步的，所述对数放大器ic2的正电源端连接正电源，并通过并联的电容c12、电容c13连接模拟地，对数放大器ic2的负电源端连接负电源，并通过并联的电容c14、电容c15连接模拟地，所述电容c12、c14均为电解电容。
15.进一步的，所述运算放大器ic1a、运算放大器ic1b的正电源端分别经电容连接模拟地。
16.进一步的，所述运算放大器的正电源端、负电源端分别经电容连接模拟地。
17.采用上述技术方案：本测量电路在运行时，由入射光检测电路检测光线未通过待测物质的光强，入射光通过光电二极管d1形成光电流，光电流通过入射光检测电路中的电
阻r1得到参考电压vref，该参考电压vref对应入射光的光强，由透射光电路检测光线通过待测物质后的光强，透射光通过光电二极管d2 形成光电流，该光电流通过透射光检测电路中的电阻r2得到信号电压vsignal，该参考电压vsignal对应透射光的光强；然后参考电压vref经可调电阻p1和电阻r3通过公式i1＝vref/(p1+r3)，得到参考电流i1，信号电压vsignal经电阻r4 通过公式i2＝vsignal/r4，得到信号电流i2，参考电流i1和信号电流i2分别作为对数放大器ic2的两个输入，对数放大器ic2即可计算出入射光强度与透射光强度的比值的以10为底的对数，即待测物质的吸光度值vlog。并且本测量电路可通过信号放大单元使待测物质的吸光度值vlog进行放大处理，从而满足不同需求，此外，本测量电路中的信号检测单元可以根据待测物质的浓度引入相适应的电压补偿，提高检测电路的量程。由于本测量电路在运算放大器ic1a的输出端连接有一个可调电阻p1，因此，在使用本测量电路前，可通过调节可调电阻p1使透射光没有通过待测物质时的信号电流i2与参考电流i1一致，由此达到零点校准的目的，从而消除外部条件、光路设计或是安装工艺等人为因素导致的测量误差，能极大地提高检测电路的测量精度。
18.本测量电路的信号放大单元通过采用一个二阶有源低通滤波器，可以对吸光度值vlog进行滤波处理，滤除吸光度值vlog中的高频干扰，提高信噪比，同时，信号放大单元可通过调节信号放大电路中的可调电阻p2，使较小的吸光度值vlog进行放大处理，以满足不同的使用需求，以及提高测量精度。
19.本测量电路使用时可根据实际的测量需求，通过调节信号补偿单元中的可调电阻p3，引入-5v至+5v的电压补偿，当待测物质的浓度较低时，选择正电压补偿，增加输出电压，提高信噪比，当待测物质的浓度较高式，选择负电压补偿，减小输出电压，提高量程。
20.本测量电路通过纯模拟信号进行吸光度测量，省去了传统检测电路中的a/d 采样芯片、单片机和程序设计，能够避免采样频率不足导致的波形失真及采样电路带来的噪声干扰等影响，使本测量电路的容错率和通用性更高，能显著节约硬件成本和软件开发成本，并且具备零点校准的功能，能极大地提高测量精度。
21.下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
附图说明
22.图1为本实用新型的信号检测单元的电路图；
23.图2为本实用新型的信号放大单元的电路图；
24.图3为本发实用新型的信号补偿单元的电路图。
具体实施方式
25.参见图1至图3，一种可校准的吸光度测量电路的实施例，包括信号检测单元、信号放大单元、信号补偿单元。
26.所述信号检测单元包括入射光检测电路、透射光检测电路、对数运算电路，所述入射光检测电路用于检测光线未通过待测物质的光强，所述透射光检测电路用于检测光线通过待测物质后的光强，所述对数运算电路用于计算吸光度值。
27.所述入射光检测电路包括光电二极管d1、运算放大器ic1a，所述光电二极管d1的阳极与运算放大器ic1a的正向输入端共同接地，光电二极管d1的阴极与运算放大器ic1a的
反向输入端连接，且运算放大器ic1a的反向输入端与输出端之间设置并联的电阻r1、电容c1，入射光通过光电二极管d1形成光电流，光电流经过电阻r1得到参考电压vref，通过电容c1对参考电压vref进行滤波处理。
28.所述透射光检测电路包括光电二极管d2、运算放大器ic1b，所述光电二极管d2的阳极与运算放大器ic1b的正向输入端共同接地，光电二极管d2的阴极与运算放大器ic1b的反向输入端连接，且运算放大器ic1a的反向输入端与输出端之间设置并联的电阻r2、电容c2，透射光通过光电而极端d2形成光电流，光电流经过电阻r2得到信号电压vsignal，通过电容c2对信号电压vsignal 进行滤波处理。所述运算放大器ic1a、运算放大器ic1b的正电源端连接正电源，且正电源端经电容连接模拟地，通过电容减小电源的纹波，运算放大器ic1a、运算放大器ic1b的负电源端连接模拟地，所述运算放大器ic1a、运算放大器 ic1b可以是集成于一个双运放芯片中，也可以采用相互独立的运算放大器。
29.所述对数运算电路包括对数放大器ic2，所述对数放大器ic2的第一输入端经电阻r3、可调电阻p1连接运算放大器ic1a的输出端，使参考电压vref经过可调电阻p1、电阻r3后壳得到参考电流i1，所述参考电流i1对应入射光的光强，可调电阻p1的值为零点校准值，所述对数放大器ic2的第二输入端经电阻r4连接运算放大器ic1b的输出端，使信号电压vsignal经过电阻r4后后可得到信号电流i2，且对数放大器ic2的第二输入端经电容c3与输出端连接，所述对数放大器ic2采用log101a，通过对数放大器ic2可计算出参考电流i1 与信号电流i2的比值的以10为底的对数，即待测物质的吸光度值vlog，计算公式如下：
[0030][0031]
i1＝vref/(p1+r3)
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(2)
[0032]
i2＝vsignal/r4
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(3)
[0033]
所述对数放大器ic2的正电源端连接正电源，并通过并联的电容c12、电容 c13连接模拟地，对数放大器ic2的负电源端连接负电源，并通过并联的电容 c14、电容c15连接模拟地，所述电容c12、c14均为电解电容，由于电解电容的电容量较大，本实施例通过在对数放大器ic2的正电源端和负电源端分别设置并联的大电容和小电容，达到滤除电源的纹波的目的，以便提高吸光度值的计算精度。
[0034]
所述对数放大器ic2的输出端连接信号放大单元，通过信号放大单元使对数放大器ic2输出的吸光度值vlog进行放大处理，将小信号的吸光度值放大至所需倍数，提高测量电路的测量精度，所述信号放大单元的输出端连接信号补偿单元，通过信号补偿单元引入合适的电压补偿，输出最终处理后的吸光度值，提高测量电路的量程。
[0035]
本实施例中，所述信号放大单元包括滤波电路、信号放大电路，所述滤波电路的运算放大器ic3的正向输入端经电阻r6、电阻r5连接对数放大器ic2 的输出端，且运算放大器ic3的正向输入端经电容c5连接模拟地，所述运算放大器ic3的反向输入端与输出端连接，且运算放大器ic3的反向输入端经电容 c4连接电阻r5、电阻r6之间的结点，所述运算放大器ic3的正电源端连接正电源，负电源端连接负电源，且正电源端与负电源端分别经电容连接模拟地，通过电容分别滤除正电源、负电源的纹波，由运算放大器ic3、电阻r5、电阻 r6、电容c4、电容c5构成二阶有源低通滤波器，滤除吸光度测量值vlog中的高频干扰，提高信噪比，其传递函数为：
[0036][0037][0038][0039]
式中，ωn为截止角频率；
[0040]
ξ1为滤波电路的阻尼系数；
[0041]
vlog2为滤波电路的输出信号。
[0042]
所述信号放大电路的运算放大器ic4的正向输入端与运算放大器ic3的输出端连接，运算放大器ic4的反向输入端与输出端之间连接可调电阻p2，可调电阻p2的两端并联一电容c6，且运算放大器ic4的反向输入端经电阻r7连接模拟地，所述运算放大器ic4的正电源端连接正电源，负电源端连接负电源，且正电源端、负电源端分别经电容连接模拟地，由运算放大器ic4、电阻r7、可调电阻p2构成信号放大电路，并按以下公式对经滤波电路滤波后的吸光度测量值进行放大处理，计算公式如下：
[0043][0044]
式中，p2为可调电阻p2的阻值，根据实际需要的放大倍数确定；
[0045]
v0为信号放大电路的输出值。
[0046]
由于对数放大器ic2输出的吸光度测量值通常为小信号，本放大电路可以根据实际需求，通过调节可调电阻p2在电路中的阻值，达到调节信号放大倍数的目的，使吸光度测量值放大到相应倍数，以满足不同的实际需求。
[0047]
本实施例中，所述信号补偿单元包括运算放大器ic8、加法器ic7b，所述运算放大器ic8的正向输入端连接可调电阻p3的可调端，所述可调电阻p3一端连接+5v电源，另一端连接-5v电源，所述运算放大器ic8的反向输入端与输出端连接，运算放大器ic8的正电源端连接正电源，负电源端连接负电源，且正电源端、负电源端分别经电容连接模拟地，所述运算放大器ic8作为电压跟随器，使运算放大器ic8的输出值等于可调电阻p3引入的电压补偿，所述加法器ic7b的正向输入端经电阻r10连接信号放大单元的输出端，且加法器ic7b 的正向输入端经电阻r11连接运算放大器ic8的输出端，所述加法器ic7b的反向输入端经电阻r12与输出端连接，且加法器ic7b的反向输入端还通过电阻 r13连接模拟地，所述加法器ic7b的正电源端连接正电源，负电源端连接负电源，通过加法器ic7b的输出端输出最终处理后的吸光度值。
[0048]
本测量电路不仅仅局限于上述实施例，当信号放大单元与信号补偿单元分别设置于两块pcb电路板时，可以在信号补偿单元的输出端与电阻r10之间设置一滤波电路，所述滤波电路的运算放大器ic7a的正向输入端依次经串联的电阻r9、电阻r8与信号单元的输出端连接，且运算放大器ic7a的正向输入端还通过电容c21连接模拟地，所述运算放大器ic7a的反向输入端与输出端连接，且运算放大器ic7a的反向输入端经电容c20连接电阻r8、电阻r9之间的结点，所述运算放大器ic7a的正电源端连接正电源，负电源端连接负电源，且运算
放大器ic7a与加法器ic7b可采用集成于同一个双运放芯片中，也可以分别采用单独的运算放大器实现，本实施例的运算放大器ic7a与加法器ic7b为集成于一个双运放芯片中，由运算放大器ic7a与电阻r8、电阻r9、电容c20、电容c21构成二阶有源低通滤波器，对信号放大电路的输出值v0进行滤波处理，其传递函数如下：
[0049][0050][0051][0052]
式中，ωm为该滤波电路的截止角频率；
[0053]
ξ2为该滤波电路的阻尼系数；
[0054]
v3为通过该滤波电路滤波处理后输出信号。
[0055]
所述信号补偿单元在使用时，通过调节可调电阻p3在电路中的阻值可选择
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5v～+5v区间内的电压作为补偿电压值v1，当待测物质的浓度较低时，选择正电压补偿，增加输出电压，提高信噪比，当待测物质的浓度较高式，选择负电压补偿，减小输出电压，提高量程，补偿电压值v1经过运算放大器ic8后可得到电压v4，且v1＝v4，根据信号放大电路的输出值v0与电压v4，通过加法器ic7b计算得到最终经过信号补偿后的吸光度值，计算公式如下：
[0056][0057]
式中，v4为运算放大器ic8的输出信号，即电压补偿值；
[0058]
vout为待测物质经处理后的吸光度值；
[0059]
本实施例中，设置电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13的阻值相同，即r10＝r11＝r12＝r13，由此可得vout＝v3+v4。
[0060]
结合公式(1)～(11)，可得待测物质经处理后的吸光度值vout：
[0061][0062]
本实施例中，所述可调电阻p3的可调端与运算放大器ic8的正向输入端之间设置并联的电容c24、电容c25，所述电容c24、电容c25共同连接模拟地，通过电容c24、电容c25将补偿电压值v1耦合到地，滤除+5v和-5v电源的高频干扰，保证测量电路的精度。
[0063]
本测量电路的另一实施例，所述运算放大器ic1a、运算放大器ic1b的输出端分别连接一电压跟随电路，其中，第一电压跟随电路包括运算放大器ic5，所述运算放大器ic5的正向输入端与运算放大器ic1a的输出端连接，运算放大器ic5的反向输入端与输出端连接，由运算放大器ic5构成电压跟随电路，输出的电压信号ref与运算放大器ic1a输出的参考电压vref相等，通过运算放大器ic5输出的电压信号ref可以实时监测入射光的光强，并通过入射光的光强判断光源衰减情况，从而能在光源衰减严重时及时进行更换，保证测量精度；第二电压跟随电路包括运算放大器ic6，所述运算放大器ic6的正向输入端连接运算放大器
ic1b的输出端，运算放大器ic6的反向输入端与输出端连接，由运算放大器ic6构成另一个电压跟随电路，其输出的电压信号signal与信号电压vsignal相等，通过电压信号signal可以实时监测光路的污染情况，使工作人员能够根据光路污染情况及时对光路中的各部件进行检修，保证输出的透射光光强的精确性，所述运算放大器ic5、运算放大器ic6的正电源端分别连接正电源，负电源端分别连接负电源，且正电源端、负电源端分别经电容连接模拟地。本实施例分别通过电压跟随电路引出参考电压vref和信号电压vsignal，能够减小输出阻抗，从而达到远距离监控光源衰减和光路污染情况的目的，同时在入射光检测电路、透射光检测电路与外部系统之间起到缓冲、隔离的作用。
[0064]
本测量电路在运行前，当光路中没有待测物质时，此时入射光的光强应该与透射光的光强相同，通过检测参考电流i1是否等于信号电流i2，若i1＝i2，则说明检测电路已被校准，不需要调节可调电阻p1，若i1≠i2，则说明检测电路存在测量误差，此时可通过调节可调电阻p1在电路中的阻值，使i1＝i2，由此达到零点校准的目的，消除检测电路因设计、安装等人为因素造成的测量误差，能够提高测量精度。
[0065]
本测量电路在运行时，由入射光检测电路检测光线通过待测物质前的光强，入射光通过光电二极管d1形成光电流，光电流通过入射光检测电路中的电阻r1得到参考电压vref，然后参考电压vref经可调电阻p1和电阻r3得到参考电流i1，由透射光电路检测光线通过待测物质后的光强，透射光通过光电二极管 d2形成光电流，该光电流通过透射光检测电路中的电阻r2得到信号电压 vsignal，信号电压vsignal经电阻r4得到信号电流i2，将参考电流i1和信号电流i2分别作为对数放大器ic2的两个输入信号，通过对数放大器ic2计算出参考电流i1和信号电流i2的比值的以10为底的对数，即待测物质的吸光度测量值vlog，然后通过信号放大单元的二阶有源低通滤波器对吸光度值vlog进行滤波处理，同时，根据需要的放大倍数，调节可调电阻p2在信号放大电路中的阻值，通过信号放大电路对待测物质的吸光度值vlog进行放大处理得到v0，从而满足不同需求，再通过信号补偿单元对v0引入合适的电压补偿，得到最终经处理后的吸光度值vout，该电压补偿可根据待测物质的浓度，通过调节可调电阻 p3来实现。
[0066]
本测量电路的结构简单，通过纯模拟信号进行吸光度测量，省去了传统检测电路中的a/d采样芯片、单片机和程序设计，能够避免采样频率不足导致的波形失真及采样电路带来的噪声干扰等影响，使本测量电路的容错率和通用性更高，能显著节约硬件成本和软件开发成本，而且，本测量电路通过信号检测单元的可调电阻p1，能够实现零点校准的功能，从而消除外部条件、光路设计或是安装工艺等人为因素导致的测量误差，通过调节信号放大单元的可调电阻 p2，能够对较小的吸光度值vlog进行放大处理得到放大后的信号v0，以满足不同的使用需求，并可以根据实际测量需求，通过信号补偿单元中可调电阻p2引入合适的电压补偿，从而能极大地提高本测量电路的测量精度。本测量电路还能实时监控光源的衰减情况及光路的污染情况，使工作人员能及时对光源进行更换，以及能及时对光路的各部件进行检修，保证整个检测电路的长期稳定运行。