水体藻类浓度远程检测系统的设计

2018-08-24张戈江西省邮电规划设计院有限公司南昌市330002

江西通信科技 2018年3期

张戈江西省邮电规划设计院有限公司南昌市 330002

0 引言

近年随着经济高速发展，人们生活水平日益改善，环境破也日益严重。工业和生活用水的任意排放造成湖泊水体中藻类大量繁殖，水体生物因藻类过度繁殖而缺氧死亡，引起水体富营养化，称为“水华”。加强对水体藻类的繁殖检测尤为重要[1-3]。

水体藻类色素作为鉴定不同藻类和浮游植物群落组成的特征标示物。通常以叶绿素浓度来反应藻类浮游植物繁殖程度。其中叶绿素a是水体生态系统的重要参数，通过有效方法来检测a浓度达到检测水体藻类繁殖程度的目的[4]。对选取规范方法、超声波法、反复冻融法、延时提取法、热丙酮法、丙酮加热法、热乙醇法、混合溶剂法是常见的8种检测方法。但这8种方法都需要提取样本，并在实验室内完成叶绿素a的测定[5]。其操作复杂，不能达到在线检测的效果，效率低下。

作者结合自动化控制、传感器、荧光检测、和通信技术，并通过相关实验数据，设计出一套能够实时检测叶绿素a浓度的在线检测系统。该系统具有操作方便、灵活性强、测量数据准确等优点。

1 检测方法及原理

藻类叶绿素a的检测采用荧光发射原理。紫外光照射物质分子时，受激发分子以辐射形式将其吸收的能量释放返回基态时会发射出波长大于激光。对于不同荧光物质其分子结构和能量分布不同，显示出的吸收光谱和荧光光谱特性也不同[6]。叶绿素a在受光435nm波长光激励时，a分子发出荧光峰值波长为685nm，其中发光过程在激光停止后约10-8s内停止。只要激光的光强一定，荧光强度随着a浓度的变化而变化。

经过在紫外光的激发下，a分子所发出的荧光强度为：

其中，k为仪器常数；Q为物质荧光效率；I0为激励光光强；c为物质浓度；b为样品光程差；ε为摩尔吸收系数。

只要k，Q，I0，b，ε一定，A、B、C也就是定值，a浓度C和荧光强度F成数学关系。通过光学传感器对荧光的强度进行检测，能推断出叶绿素a的浓度。

2 检测装置及系统结构设计

2.1 荧光检测装置设计

装置为钢制T形，长15cm，内直径5cm，外直径6cm，内壁有反光性高铬涂层。其中紫色激光头功率为50mw，中心波长435nm，光源具有高稳定性、强持续性以及高亮度、低损耗等特点。激光射出后通过435nm干涉滤光片，滤出光波能保证叶绿素a达到最佳激励。激发光透过滤光片射在分光棱镜上将光一分为二，射入测量槽内的是有用光，射向光电二级管1的是参考光。整个装置浸水后，槽内被水填满，滤网杂物挡在槽外，保证检测可靠性。435nm波长的有用光与测量槽内水中的叶绿素a发生荧光反应射出荧光。该光的中心波长为685nm，装置内装有干涉滤光片下方再放置凸透镜，焦点处安装光电二级管2将荧光汇聚减少能量的损失。整个装置在水下工作，其密封性良好，保证了各个器件正常可靠工作。

2.2在线检测系统结构设计

为实现在线检测目的，装置安装在遥控小船上，船上安有自动升降杆，装置固定在升降杆上，C8051F020单片机控制连接升降杆的步进电机，使装置水中自由升降。光电二级管1和2测量电压值分别经过DSP放大电压后，送入单片机两路12位A/D转换端口进行同步采样。对参考和可用光作除法剔除整个系统因各种原因造成光源不稳定性带来的荧光值的浮动现象，减小外界光源对检测系统影响。通过控制电路对激光头的电流调解实现光强可调。

图2 系统结构框图

数据通过无线传输方式传送。选择nRF2401无线收发模块，其传输数据速度快，外接天线能达几百米距离。模块的工作电压和单片机的工作电压一致，简化了电路设计。岸边检测人员通过计算机的操作实现远距离在线检测。数据传输方式为半双通方式，如图2所示。

2.3 信号处理电路设计

藻类繁殖情况不同，其叶绿素a浓度也不同。当紫色激光头对其进行照射时，发出的光强也有较大差距。当叶绿素a浓度比较低时，二级管2采集的光电信号将非常微弱，故必须用特殊放大器对其进行信号放大，否则无法到达采样电压。

选用运放型号是ICL7650。该运放可分辨10-12A电流，采用CMOS工艺集成的载波稳零高精度运放，具有响应快、体积小、稳定性好等特点。其接法如图3，光电二级管反偏接入直流电源端，C55起稳压的作用。光电二极管为美国PSS系列低暗电流光电二极管，其响应度高、暗电流低、体积小、重量轻，广泛用于微光探测仪器仪表中。R54、R55、C56组成反馈补偿网络降低宽带。芯片10脚直接输入单片机的A/D采样端。