原位海水总磷总氮传感器的微光信号检测电路设计

吴 宁，马海款，曹 煊，褚东志，张述伟，张盈盈，张 颖，张 丽，张天鹏

(齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东省海洋监测仪器装备技术重点实验室，国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东青岛 266001)

0 引言

海水中总磷和总氮与藻类生长繁殖过程密切相关，因此总磷和总氮浓度变化成为评价海水水体富营养化，预防赤潮灾害以及生态环境监测的重要参数，具有重要的意义。目前海水总磷和总氮的检测主要采用现场采集-实验室测定法[1]。该方法具有维护复杂，分析过程繁琐，持续时间长，二次污染严重等缺点，最主要是不能实现原位实时测量。实时、持续运行的原位总磷总氮传感器的研发是海洋环境监测技术的发展方向和趋势。

本文提出一种基于可编程增益放大器和正交同步检波功能的电路，通过不同波长测量消解后样本与参考样本的吸光度之比，完成微光信号的检测。该方法基于互相关原理，使输入待测信号与频率相同的参考信号进行互相关检测，从而有效检测出深埋在大量非相关噪声中的痕量信号。除此之外，该电路使用调制光源和同步检波电路，可消除环境光线和低频噪声产生的测量误差，并提高测量信噪比、灵敏度和准确度[2]。

1 系统方案设计

原位总磷总氮传感器原理如图1所示，以顺序注射技术为基础，根据实验确定消解还原、显色的最佳条件后，在不同波长LED条件下对消解后的总磷总氮进行分光光度测量[3]。

图1 原位总磷总氮传感器原理图

系统由紫外-加热消解模块、显色反应模块、分光光度检测模块、控制模块以及数据处理模块组成。先采用紫外-加热外加消解剂的方式对海水样品进行在线消解，然后将完全消解后的样品分别用显色剂进行混合显色，最后注射进入流通池进行不同波长LED条件下的分光光度测量。

为提高微光信号的准确度、灵敏度、稳定性以及抗环境光干扰能力。本文在信号采集处理上采用了基于可编程增益和同步检波功能的电路，电路原理如图2所示。

图2 可编程增益和同步检波功能电路原理图

STM32F407单片机通过直接数字频率合成器(DDS)产生5 kHz方波，控制恒流源驱动不同波长的LED，LED光束通过二分镜分成两路，一路光束通过消解和显色后的流通池，另一路光束通过参考样本流通池。通过流通池后的信号通过两个光电二极管接收，接收到的电流信号经过可编程增益跨阻放大器AD8618和AD8271进行I/V转换并放大后由同步检波电路和低通滤波电路完成信号的提取。根据比尔-朗伯特定律，将经过流通池的信号值与参考流通池的信号值进行对数之比，可得到总磷和总氮的线性浓度曲线。

2 LED光源驱动电路设计

图3 LED光源驱动电路原理图

LED驱动信号通过控制恒流源的通断对不同LED进行分时调制，驱动电路如图3所示，采用AD8618和NPN三极管以及ADG633单刀双掷开关构成了一个恒流源，ILED=Vref/R9，其中Vref代表数字电位器的输出电压，R9代表三极管发射极电阻，改变Vref或R9即可以改变LED的电流值，从而改变LDE的亮度。ADG633的控制端接DDS驱动脉冲信号，开关连接到参考电压与地之间，参考电压采用可编程电阻分压器，因此只要改变参考电压的值就可以改变LED的驱动电流[4]。

3 可编程跨阻式I/V转换与放大电路设计

I/V转换模块采用AD8618作为可编程跨阻放大器，可将光电二极管的电流转换成电压，转换放大电路如图4所示，其中AD8618具有极低的输入偏执电流(1 pA)、输入失调电压(100 μV)和噪声(8 nVHz)。由于某些受测溶液可能具有强的吸收特性，因此有时需要使用大的反馈电阻以测量光电二极管产生的极微弱电流。在电路中设计了可编程增益反馈电阻，工作时可以根据具体的信号大小对反馈电阻Rf进行选择。考虑稳定性，使用反馈电容C7以补偿总输入电容以及反馈电阻产生的振荡。

图4 I/V转换与放大电路原理图

4 同步检波电路设计

相敏检波电路主要用于微弱信号的提取，在相敏检波电路中通常分为模拟乘法相敏检波和开关型同步检波电路两种。由于模拟乘法实现具有一定的困难和非线性，因此设计并采用了开关型相敏检波电路，优点是线性良好，动态范围广，不受参考信号影响。设计的开关同步检波电路如图5所示，Vref为参考信号、Vin为待测信号。

图5 同步检波电路原理图

参考信号Vref为DDS产生的与驱动LED的方波信号同频同相的方波信号，当参考信号Vref为高电平时，Vout=Vin，当参考信号为低电平时，LED灯关闭，Vout=2Vref-Vin，经过低通滤波后输出直流信号，然后经过AD7798对数据进行采集。为了提高测量精度，采用了数字多点平均法对输出信号进行降噪处理。

5 实验数据分析

为验证该信号处理电路在检测微弱信号的可行性与可靠性，采用国标海水配置一系列梯度的已知浓度的磷、氮标准液[5]。采用基于该信号处理电路的总磷总氮传感器对配置好的标准液进行消解液后测量实验，每测完一次样品后，仪器都要进行清洗以防止上次进入试剂对测量结果产生影响。将测量结果进行曲线拟合后如图6和图7所示，其中横坐标为已知浓度的总磷和总氮，纵坐标为平均吸光度值。由图6和图7中可知，总磷的线性回归方程为y=0.088 3x-0.003 6，线性相关系数R2=0.997 9，表明线性度较好。总氮的线性回归方程为y=1.690 9x+0.186 8，线性相关系数R2=0.997 4。表明线性度较好。

图6 总磷实验标准曲线

图7 总氮实验标准曲线

6 结束语

本文基于正交同步检波原理设计了海水总磷总氮传感器信号处理电路，基于该电路设计原位海水总磷总氮传感器，并验证了该信号处理电路的可行性与可靠性。实验表明，基于该电路完成的总磷总氮传感器能够实时、连续反应海水中总磷总氮的浓度变化趋势，不受环境光等背景光的影响，仪器具有低噪声、无漂移、体积小、精度高、稳定性好的优点。可广泛用于船载、浮标、台站等生态环境监测载体。