高精度光度计的研制

魏世龙 曾国强 梁伟忠 刘 辉

(成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059)

高精度光度计的研制

魏世龙 曾国强 梁伟忠 刘 辉

(成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059)

为尽可能地缩小仪器的体积，简化仪器的复杂度，使仪器更加轻巧、易于携带，设计了一种波长为520 nm的便携式高精度专用光度计。其采用高共模抑制比的差动放大器AD8276构成高稳定度恒流源，使用数字式光电传感器TSL2561作为光强度检测元件，选用隔离器ADuM1201与上位机隔离交互通信，将测量数据通过串口发送到上位机供用户处理。通过连续48 h的测试，数据波动程度小于0.1%，该光度计能够满足专用光度计的要求。

光度计 光照度传感器 隔离电源 恒流源 隔离通信

0 引言

光度计又称分光光度计，是一种利用比色光谱分析原理对物质进行定量定性分析的仪器。传统的分光光度计体积庞大而笨重，机械设计较为复杂，难以满足仪器便携的需求；同时价格不菲，不利于推广[1]。本设计主要针对上述传统分光光度计的不足进行硬件上的改进，设计了一种体积小、电路结构简洁、波长为520 nm的专用光度计，并配套上位机软件，可测定特定溶液的浓度。

1 系统总体思想和结构简介

光度计对溶液浓度的分析方法是根据溶液对特定波长光的选择性吸收的特性而建立的。由于不同物质分子的组成和结构不同，它们所具有的特征能级和能级差也不同，而各物质只能吸收与它们分子内部能级差相当的光辐射，所以不同物质对不同波长光的吸收具有选择性[2]。分析溶液的浓度与吸收光度有关。物质之所以有颜色，是它对不同波长的可见光具有选择性吸收的结果，且其呈现出的颜色恰恰是它所吸收光的互补色，溶液颜色的深浅，决定于溶液吸收光的量的多少，即取决于吸光物质浓度的高低。所以溶液浓度越大，吸光度越大，可据此做定量分析。

传统的分光光度计由光源、单色器、吸收池、检测器、处理器组成，如图1所示。

图1 分光光度计结构图

传统的光源有钨灯、卤钨灯、氙弧灯、氘灯、汞灯、氙灯、激光光源等。最常见的是卤钨灯，但是卤钨灯光源自身体积较大，正常工作还需外加驱动电路与散热电路，因而总体积更大，不利于仪器整体小型化。传统光度计光源中，卤钨灯的替代方案是氙弧灯，它能产生较宽的能量输出，但由于氙弧灯源需要高电压，同样难以小型化。传统分光光度计的结构决定了仪器体积大的特点。

单色器是传统分光光度计的关键部件，其作用是将来自光源的混合光分解为单色光，并提供所需波长的光。

2 电源管理与隔离

电源电路是系统的心脏。对于精密仪器来说，供电电源常常是产生噪声的根源之一[3]。本设计对于电源的要求是：隔离、降压。电源隔离可以抑制市电给整个系统带来的噪声，消除了接地回路的干扰，同时还起到防雷电的作用。此外，经过隔离降压后，产生两路电源：一路用于数字电路，为控制器和数字式光强度传感器TSL2561等供电；另一路用于模拟电路，为恒流源提供电源。

电源电路采用隔离DC-DC模块，将市电和系统供电隔离开，以抑制市电给整个系统带来的噪声，同时消除接地回路的干扰。电源电路提供3种电压：3.3 V、5 V、6 V。3.3 V电压供给主控制器电路、LED控制电路和光电检测电路；5 V电压供给串口通信和串口隔离电路；6 V电压供给恒流源电路。

具体的电源管理电路结构如图2所示。

图2 电源模块框图

外部电源由12 V/1 A的适配器接入。由于恒流源电路的需要，采用的DC-DC隔离稳压模块为6 V输出。3.3 V和5 V的电压由6 V电压降压得到。

3.3 V电源用于给数字电路部分供电，由于数字部分的功耗非常小，最简单的方案是直接选用高性价比的电源管理芯片AMS1117-3.3。

5 V电源用于恒流源电路部分，使用TI的Webench，以电源芯片TPS54062为核心设计，该电路输出为5 V/30 mA。

3 恒流源与光源

目前，在分光光度计光源上得以普及的一种光源是LED源。LED发光源具有体积小、发热量低、工作电流小、工作电压小、输出稳定、使用寿命长达10万个小时的特点，最重要的是单色LED能够发射出较为纯净的单色光谱。由于LED是一种电流通过时发射一特定频带的光的半导体装置，因此不同的LED有不同的发射频带[4]。

此外，以单色LED代替传统分光光度计的光源和单色器，将大大简化仪器的机械结构,并且极大地缩小了仪器的体积和质量,实现了仪器的微型化。

本设计的基本组成为：LED光源、吸收池、检测电路、主控制电路和上位机软件。其中最为核心的部分为LED光源，LED产生的单色光光源的稳定性将直接决定后续检测电路输出的数字信号的稳定性。如果LED发射的单色光不稳定，那得到的检测数据将有很大跳动，这种跳动是软件无法处理的，会直接影响到仪器的线性度。LED单色光源的稳定性是由它的控制电路的稳定性决定的，要求流过LED的电流必须具备高稳定度。

LED光源的驱动电路通常有两种：恒压源驱动、恒流源驱动。考虑到不同波段LED自身的压降是不同的，这就需要一种波段的LED使用一种恒压源，但显然这是不现实的。由于LED的光强与流经自身的电流大小成正比，因此采用不同波段的LED复用同一恒流源是可行的。

设计要求恒流源具备高度稳定性。恒流源电路有很多种方式实现，但影响恒流源稳定性的主要因素有电压基准源、噪声、温度。在此不强调恒流源的精度，只需确保恒流源的输出电流高度稳定便可。选取合适的电压基准源是恒流源稳定的第一关。为了最大程度减少温度和噪声的影响，恒流源要有良好的共模抑制能力。对于运算放大器构成的恒流源来说，这就要求运算放大器有很高的共模抑制比(CMMR)[5]。

差动放大器具备很好的共模抑制比，将差动放大器用于高稳定度恒流源是很好的选择。

恒流源电路是除了电源之外最为关键的部分。为保证比色分析的精度和稳定度，作为光源的发光二极管的发光强度要始终保持恒定不变，即不会随温度的变化而变化。

对于要求高稳定度的恒流源，要特别考虑温度和噪声的影响。温度和噪声属于共模信号，因而必须选择具有高共模抑制比的运放来设计恒流源。运算放大器中的差动放大器的共模抑制比需求抗干扰能力更强，因此选择差动放大器来设计高稳定度恒流源，电路结构如图3所示。

图3 恒流源电路

差动放大器选择AD8276，其共模抑制比高达90 dB，具有轨到轨输出特性，可采用2.7～36 V电源供电，典型增益漂移为1×10-6K。该器件内置4个40 kΩ激光调整电阻，分别与输入引脚、REF引脚和SENSE引脚相连，它的最大失调电压漂移为5 μV/℃，最大增益漂移为10×10-6K。

4 传感器与光电检测

在传统的分光光度计中，常见检测光照度的传感器有硅光电二极管、光敏二极管、光敏三极管、线性CMOS光电传感器等。这些传统的传感器需要设计前端模拟信号调理电路，增加了系统的复杂度。

检测光照度的传感器中有一种集成数字式光强度传感器，直接输出数字信号，无须额外设计前端模拟信号调理电路，使光检测稳定可靠，简化了系统设计。

可供选择的集成数字式光强度传感器为TAOS公司的TSL2561，该传感器采用I2C总线进行数据传输[6]。TSL2561具备高速、低功耗、宽量程、可编程、配置灵活的强度数字转换芯片，内部结构如图4所示。其主要特点：① 可编程设置许可的光强度上下阈值,当实际光照度超过该阈值时给出中断信号;② 模拟增益和数字输出时间可编程控制;③ 自动抑制50 Hz/60 Hz的光照波动。

图4 TSL2561内部结构图

该芯片体积小，成本低，已在光强监测控制领域得到广泛应用。

5 系统控制与上位机设计

本设计的控制部分较为简单，选择一个基本功能齐全的MCU便可。

控制器电路是整个电路的控制中心。它负责控制恒流源开通和关断来间接的控制LED的亮灭；接收来自光电检测电路的数据，进行简单处理运算；将数据通过串口传给计算机。

主控制器采用TI公司的超低功耗微处理器MSP430G2553。该控制器体积小，同时具有串口、定时器等外设功能，完全能够满足本设计的要求。

通过串口可以将采集到的数据传送到计算机，通过计算机对数据进行一系列的分析，测定溶液的浓度。串口通信电路也需要隔离，通过将外部电源和系统电源隔离，可避免外部噪声对系统的干扰，隔离芯片ADuM1201的内部结构如图5所示[7]。这部分电路的关键是数字式隔离器的选型，要求隔离器的功耗不能太大。

图5 ADuM1201隔离示意图

6 结束语

随着科技的进步，分光光度计的技术工艺也不断提升。利用LED灯作为光源的分光光度计早有先例，本系统也是顺应这一趋势而作的改进。本系统设计的分光光度计有两点创新：一是设计了一种稳定度极高的恒流源，确保了单色LED等光强的稳定性，每隔30 s测量一次数据，波动范围小于0.1%；二是使用数字式光强度传感器TSL2561，代替了传统的信号调理电路，极大地减少了设计的复杂度，优化了仪器的测量精度。

[1] 秦鲲,曾国强,徐进勇,等.一种新型便携式高精度数字比色仪[J].自动化与仪表,2012(4):14-17.

[2] 沈晓伟,黄梅珍,韩振兴,等.便携式多功能比色仪的研制及实验[J].上海交通大学学报,2009(1):153-156.

[3] 孙坚,王瑛辉,钟一虓,等.超级隔离电源的研究[J].工业计量，2014，24(1):68-69.

[4] 刘煜原,罗毅,韩彦军,等.LED波长一致性和温度均匀性对背光源色差的影响[J].半导体光电，2010，31(1):104-107.

[5] 刘艳,汪毅,贾雯杰,等.一种常见精密恒流源的改进与应用[J].电测与仪表,2011(4):93-96.

[6] 姜连祥,汪小燕.基于光强传感器TSL256x的感测系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2006(12):43-45.

[7] 李英,徐钊.采用ADuM1201的CAN总线隔离方法[J].单片机与嵌入式系统应用,2006(4):45-47.

Research and Development of the High Precision Photometer

In order to greatly reduce the volume of instrument and simplify the complexity of instrument, to make the instrument more lightweight and easier to carry, the portable dedicated high precision photometer with 520 nm of wavelength has been designed. In this instrument, by using high common mode reject ratio differential amplifier AD8276, the highly stable constant current source is built, and the digital optical sensor TSL2561 is used as the light intensity detection element; the isolator ADuM1201 is selected to implement isolated interactive communication between instrument and host computer, to send the measured data to host computer via serial port for user to process. The 48-hour test shows that the degree of fluctuation of data is less than 0.1%, this meets the requirement of dedicated photometer.

Photometer Light illuminance sensor Isolated power supply Constant current source Isolated communication

魏世龙(1992-)，男，现为成都理工大学测试计量技术与仪器专业在读硕士研究生；主要从事核仪器开发方面的研究。

TH833

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509025

修改稿收到日期：2014-08-27。