可攜式銨氮螢光檢測儀的製作方法

2023-09-18 23:06:35

可攜式銨氮螢光檢測儀的製作方法
【專利摘要】本發明的可攜式銨氮螢光檢測儀，其功能模塊包括樣品檢測模塊、信號放大與壓頻轉換模塊、等精度頻率測量模塊、數據顯示與存儲模塊和電源模塊共五個模塊；樣品檢測模塊、信號放大與壓頻轉換模塊、測頻模塊、數據顯示與存儲模塊順序連接，電源模塊分別連接著上述四個模塊；信號放大與壓頻轉換模塊、測頻模塊、數據顯示與存儲模塊和電源模塊集成在一塊PCB主板上。該檢測儀通過檢測螢光強度來定量檢測待測液中的銨氮濃度，體積小，能夠便攜使用，滿足了可攜式檢測儀的小型化和集成化要求。
【專利說明】可攜式銨氮螢光檢測儀

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種水體銨氮檢測儀，具體是一種可攜式銨氮螢光檢測儀。

【背景技術】
[0002] 氮的化合物是水體生物所必須的最重要的營養物質。銨氮是水體中浮遊植物可直 接利用的最重要的無機氮形態，其它形態的氮首先需轉化為銨氮才可被浮遊植物所利用。 水體中的銨氮可作為水體受到含氮有機物汙染程度的指標。因此，銨氮的現場快速測定在 工業、環境評估、水產養殖業、大氣和汙水控制等領域都具有重要意義。
[0003] 螢光光譜法是目前測定銨氮最為靈敏的方法。現有的可攜式銨氮測定儀多採用分 光光度法，總體精度偏低，螢光光譜法還未在可攜式銨氮檢測儀中推廣。在環境監測儀朝著 專用化、小型化、便攜化、現場化的發展大背景下，將高靈敏的螢光光譜法推廣到實際應用 中來是近年的發展趨勢。


【發明內容】

[0004] 為了將高靈敏的螢光光譜法推廣到實際應用中，為銨氮的現場快速測定在工業、 環境評估、水產養殖業、大氣和汙水控制帶來便利，本專利的目的在於基於螢光光譜法提供 一種可攜式銨氮螢光檢測儀，實現高精度、低檢測限、低成本、體積小、能夠便攜使用的目 標。
[0005] 本發明所述的可攜式銨氮螢光檢測儀包括機箱和功能模塊，其特徵在於：包括樣 品檢測模塊、信號放大與壓頻轉換模塊、等精度頻率測量模塊、數據顯示與存儲模塊和電 源模塊共五個模塊；
[0006] 樣品檢測模塊、信號放大與壓頻轉換模塊、測頻模塊、數據顯示與存儲模塊順序連 接，電源模塊分別連接著上述四個模塊；
[0007] 上述的順序連接為：樣品檢測模塊中的娃光電二極體的輸出窗口與信號放大與壓 頻轉換模塊中的放大器連接，信號放大與壓頻轉換模塊中的壓頻轉換裝置連接測頻模塊， 測頻模塊，連接數據顯示與存儲模塊中的顯示裝置；
[0008] 樣品檢測模塊中，兩個激發光源分置在比色皿兩側，比色皿與矽光電二極體之間 設置濾光片；
[0009] 為使儀器布局滿足可攜式檢測儀的小型化和集成化要求，本發明的信號放大與壓 頻轉換模塊、測頻模塊、數據顯示與存儲模塊和電源模塊集成在一塊PCB主板上。
[0010] 樣品檢測模塊作用在於將螢光信號轉換成微弱電流信號，等效於一個光電傳感 器。該模塊還設置比色池架為骨架，嵌入了激發光源、比色皿、濾光片和矽光電二極體。激 發光源照射試樣池中的待測溶液，激發其發射螢光。螢光信號經窄帶濾光片濾光後射入矽 光電二極體接收窗口，被轉換成微弱電流信號後輸出，其電流大小與突光強度成正比。其中 的比色池架用3D列印技術製成。
[0011] 為使儀器專用化、小型化，故選用波段寬、單色性好、穩定性好、體積小、功耗低、 壽命長的LED作為激發光源。在比色皿與矽光電二極體之間放置窄帶幹涉濾光片，濾掉 476. 5nm以下和493. 5nm以上的幹擾光，確保矽光電二極體只接收螢光。使用3D列印技術 加工比色池架，使比色池架不僅能夠放置比色皿，還能將激發光源、濾光片、矽光電二極體 都鑲嵌在比色池架壁上。
[0012] 為了避免幹擾，提高檢測的準確度，本發明中採用了如下措施：首先是選用兩個 LED相對放置，通過提高激發光強度，以期激發出光強更強的螢光。其次，在保證激發光源 的光不進入矽光電二極體的情況下，激發光源需儘可能的靠近比色皿，兩個激發光源、濾光 片均與比色皿直接接觸，矽光電二極體與濾光片直接接觸。還包括將激發光源放置在一個 不透光的空心套管內，並一同塞入在中空螺絲中，通過比色池架壁上的圓孔將螺絲旋進比 色池架壁，以及將矽光電二極體與濾光片一起放置在一個不透光的空心套筒內，濾光片緊 貼在光電二極體前，確保只讓通過濾光片之後的光射入光電二極體；也包括使得激發光源 與比色皿的連線垂直於矽光電二極體與比色皿的連線，減少散射光進入矽光電二極體。
[0013] 信號放大與壓頻轉換模塊把弱電流信號轉換成直流電壓信號並放大，經濾波、壓 頻轉換處理後以頻率信號輸出。選用精密、低噪聲、FET輸入的AD795作為運算放大器，採 用T型網絡互阻放大將微弱電流信號I d轉成電壓信號Vwt並放大。選用低功耗、低噪聲、 雙極性的雙通道運算放大器AD706搭建濾波電路。其中一個通道搭建電壓跟隨電路以提 高帶負載能力；另一個通道搭建二階有源低通濾波電路，濾去工頻及其他幹擾信號得到直 流信號。壓頻轉換是模數轉換的重要形式之一，相對於直接測電壓具有更高的準確度。本 發明使用壓頻轉換晶片把電壓信號轉換成頻率信號，以便對其進行測量。其設計參照CN 203364965U :基於等精度測頻的光信號檢測裝置。
[0014] 測頻模塊基於STM32的定時器，結合一個D觸發器實現等精度頻率測量。待測頻 率信號F x既是輸入信號又是D觸發器的時鐘信號，從AD650晶片輸出，傳給D觸發器的輸 入端，此時，D觸發器使測定F x和參考脈衝信號匕的兩個定時器開啟計數，當測定Fx的定 時器計滿或計到設定值時，輸出信號到D觸發器，D觸發器使這兩個定時器結束計數。讀取 此時的兩計數器寄存器中的計數值，按F x = (NxXFQ)/NQ進行運算便可得出待測頻率值Fx。 其中F x為待測頻率信號，Nx為待測頻率信號脈衝數，匕為參考脈衝信號，隊為參考脈衝信 號脈衝數。其設計參照CN 203364965U:基於等精度測頻的光信號檢測裝置。
[0015] 數據顯示與存儲模塊，選用有機發光二極體（Organic Light - Emitting Diode, 簡稱OLED)顯示模塊作為顯示器。OLED具有對比度高、視角廣、反應快、厚度薄、使用溫度範 圍廣等優點，且不需要背光源。此外，本儀器還帶有一個USB轉串口的接口，可把數據傳輸 到上位機顯示。
[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 換成5V電壓，但是當USB 口與電腦連接進行調試或者串口通訊時，由電腦USB 口供應5V電 壓，AMS1117-5不工作。然後，使用AMS1117-3. 3將5V電壓轉換成3. 3V電壓供樣品檢測模 塊的LED和STM32F103RBT6使用。同時，使用MAX743把5V電壓轉換成正負15V電壓供信 號放大與壓頻轉換模塊的AD795、AD706、AD650晶片使用。
[0017] 本發明所述的檢測儀在機箱內放置主板，機箱外配置按鍵和顯示屏，機箱右側固 定樣品檢測模塊；以及還在機箱內設置備用電池盒，用於放置備用電池，和在機箱底部設置 孔，用於將儀器與外部設施固定。
[0018] 本發明的可攜式銨氮螢光檢測儀體積小、低成本、能夠便攜使用。試驗證實，其 具有良好的基線穩定性和較好的恆定信號響應穩定性，能準確測量銨氮濃度在500? 4000nmo 1 /L範圍內的水樣，可應用與實際水體中銨氮濃度的測定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1是儀器整體結構圖。
[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是樣品檢測模塊俯視剖圖。
[0023] 圖5是SD卡驅動電路原理圖。

【具體實施方式】
[0024] 見圖 1。
[0025] 可攜式銨氮螢光檢測儀，包括樣品檢測模塊1、信號放大與壓頻轉換模塊2、測頻 模塊3、數據顯7^與存儲模塊4和電源模塊5共五個模塊；
[0026] 樣品檢測模塊1、信號放大與壓頻轉換模塊2、測頻模塊3、數據顯示與存儲模塊4 順序連接，電源模塊5分別連接著上述四個模塊；
[0027] 上述的順序連接為：樣品檢測模塊1中的矽光電二極體的輸出窗口與信號放大與 壓頻轉換模塊2中的放大器連接，信號放大與壓頻轉換模塊3中的壓頻轉換裝置連接測頻 模塊，測頻模塊，連接數據顯示與存儲模塊中的顯示裝置；
[0028] 樣品檢測模塊1中，兩個激發光源分置在比色皿兩側，比色皿與矽光電二極體之 間設置濾光片。
[0029] 信號放大與壓頻轉換模塊2 :放大器、濾波器、壓頻轉換晶片順序連接。
[0030] 測頻模塊3基於STM32的定時器，結合一個D觸發器實現等精度頻率測量。
[0031] 數據顯示與存儲模塊4 :0LED顯示器或通過USB轉串口的接口把數據傳輸到上位 機顯示。採用SD卡作為儀器外部數據存儲器。
[0032] 電源模塊5,可以為電池、USB或適配器。
[0033] 見圖2。本發明所述的檢測儀在機箱6內放置主板7 (PCB主板），機箱外配置按鍵 和顯示屏，機箱6右側固定樣品檢測模塊1 ;以及還在機箱6內設置備用電池盒8,用於放置 備用電池，和在機箱底座9設置固定孔12 (見圖3)，用於將儀器與外部設施固定。
[0034] 信號放大與壓頻轉換模塊2、測頻模塊3、數據顯示與存儲模塊4和電源模塊5集 成在一塊主板7 (PCB主板）上。
[0035] 見圖3。外配的矩陣鍵盤10和0LED顯示屏11位於機箱6的頂部，機箱底座9設 置四個固定孔12,樣品檢測模塊1位於機箱6右側。
[0036] 本發明樣品檢測模塊1中，兩個激發光源13選用臺灣統佳光電科技股份有限公司 生產的TJ-LF5WVGYMC-AC型LED。比色皿18使用RF-5301PC型螢光分光光度計配套的比色 皿。米用日本濱松集團生產的S1226-8BK型娃光電二極體15作為光電傳感器。選用上海 兆九光電技術有限公司生產的BP485/9K型窄帶幹涉濾光片14放置在比色皿18與矽光電 二極體15之間，濾掉476. 5nm以下和493. 5nm以上的幹擾光。比色池架17具備較高的硬 度和較好的質密性，能夠放置比色皿18,並且壁上鑲嵌有激發光源13、濾光片14和矽光電 二極體15,顏色為黑色。激發光源13放置在一個不透光的空心套管19內，並一同塞入在中 空螺絲中，通過比色池架壁上的圓孔將螺絲旋進比色池架壁，矽光電二極體15與濾光片14 一起放置在一個不透光的空心套筒16內。使用Solidworks軟體繪製3D圖，採用3D列印 技術加工比色池架17。具體見圖4。
[0037] 選用精密、低噪聲、FET輸入的AD795作為運算放大器，採用T型網絡互阻放大將 微弱電流信號I d轉成電壓信號並放大。選用低功耗、低噪聲、雙極性的雙通道運算放大 器AD706搭建濾波電路。其中一個通道搭建電壓跟隨電路以提高帶負載能力；另一個通道 搭建二階有源低通濾波電路，濾去工頻及其他幹擾信號得到直流信號。
[0038] 測頻模塊基於STM32的定時器，結合一個D觸發器實現等精度頻率測量。待測信 號從AD650晶片的第8腳輸出，接到D觸發器晶片74LS74的CLK腳和(ΡΑ8)。觸 發器的輸入腳（D)以及定時器EN控制（觸發器輸出腳Q)均連接在STM32F103RBT6的5V 兼容10 口。觸發器輸入端接PC11，觸發器輸出端接PC12。另外，將參考脈衝信號產生引 腳（PA2)和--Μ3定時器對應計數通道引腳（TO2)連接。
[0039] 數據顯示與存儲模塊，選用ALINETEK生產的有機發光二極體（Organic Light -Emitting Diode，簡稱0LED)顯示模塊作為顯示器。0LED具有對比度高、視角廣、反應快、厚 度薄、使用溫度範圍廣等優點，且不需要背光源。本儀器中，0LED採用8080並行接口方式 與STM32連接，0LED數據口與STM32的GPI0 口的連接順序如表1所示。此外，本儀器還帶 有一個USB轉串口的接口，可把數據傳輸到上位機顯示。
[0040] 表10LED數據口與STM32的GPI0 口的連接順序
[0041]

【權利要求】
1. 可攜式銨氮螢光檢測儀，包括機箱和功能模塊，其特徵在於：功能模塊包括樣品檢 測模塊、信號放大與壓頻轉換模塊、等精度頻率測量模塊、數據顯示與存儲模塊和電源模塊 共五個模塊； 樣品檢測模塊、信號放大與壓頻轉換模塊、測頻模塊、數據顯示與存儲模塊順序連接， 電源模塊分別連接著上述四個模塊； 上述的順序連接為：樣品檢測模塊中的矽光電二極體的輸出窗口與信號放大與壓頻轉 換模塊中的放大器連接，信號放大與壓頻轉換模塊中的壓頻轉換裝置連接測頻模塊，測頻 模塊，連接數據顯示與存儲模塊中的顯示裝置； 樣品檢測模塊中，兩個激發光源分置在比色皿兩側，比色皿與矽光電二極體之間設置 濾光片； 信號放大與壓頻轉換模塊、測頻模塊、數據顯示與存儲模塊和電源模塊集成在一塊PCB 主板上。
2. 根據權利要求1所述的檢測儀，其特徵在於：樣品檢測模塊中還包括比色池架，比色 皿、激發光源、濾光片、光電二極體均鑲嵌在比色池架內。
3. 根據權利要求2所述的檢測儀，其特徵在於：比色池架用3D列印技術製成。
4. 根據權利要求1或2所述的檢測儀，其特徵在於：兩個激發光源、濾光片均與比色皿 直接接觸，矽光電二極體與濾光片直接接觸。
5. 根據權利要求1或2所述的檢測儀，其特徵在於：濾光片為窄帶幹涉濾光片。
6. 根據權利要求1或2所述的檢測儀，其特徵在於：激發光源放置在一個不透光的空 心套管內，並一同塞入在中空螺絲中。
7. 根據權利要求1或2所述的檢測儀，其特徵在於：激發光源與比色皿的連線垂直於 矽光電二極體與比色皿的連線。
8. 根據權利要求1或2所述的檢測儀，其特徵在於：矽光電二極體與濾光片一起放置 在一個不透光的空心套筒內。
9. 根據權利要求1所述的檢測儀，其特徵在於：數據顯示與存儲模塊選用有機發光二 極管顯示模塊作為顯示器，以及還包括設置一個USB轉串口的接口。
10. 根據權利要求1所述的檢測儀，其特徵在於：所述的檢測儀在機箱內放置主板，機 箱外配置按鍵和顯示屏，機箱右側固定樣品檢測模塊；以及還在機箱內設置備用電池盒，用 於放置備用電池，和在機箱底部設置孔，用於將儀器與外部設施固定。
【文檔編號】G01N21/64GK104155268SQ201410248800
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年6月6日 優先權日:2014年6月6日
【發明者】梁英, 鄭芸, 曹毅成, 嚴春梅 申請人:桂林電子科技大學