藻類含量測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：水華是嚴(yán)重的水體災(zāi)害。現(xiàn)階段，對(duì)于水華，人類缺少有效的治理手段。實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)水體中各種藻類的密度，意義重大。本文采用正弦調(diào)制、高速USB數(shù)據(jù)采集卡和離散信號(hào)軟件處理的儀器方案，基于葉綠素?zé)晒庑?yīng)，完成了藻類含量測(cè)量儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。儀器通過(guò)數(shù)字正弦信號(hào)發(fā)生器和LED電流驅(qū)動(dòng)器，產(chǎn)生正弦變化的電流驅(qū)動(dòng)超高亮LED，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)熒光激發(fā)光的正弦調(diào)制;通過(guò)高速USB數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)采集，然后通過(guò)離散互相關(guān)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了軟件對(duì)信號(hào)的處理。

　　引言

　　隨著人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，水環(huán)境問(wèn)題成為非常重要的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，并影響到全球國(guó)家的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。目前，我國(guó)湖泊、水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重。隨著水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化程度加重，當(dāng)?shù)w中浮游植物爆發(fā)性繁殖并聚集時(shí)，會(huì)產(chǎn)生水體變色的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫“水華”。我國(guó)水華事件發(fā)生范圍較廣，發(fā)生頻率較高，并造成嚴(yán)重?fù)p失。

　　水華發(fā)生的首要條件是藻類的爆發(fā)性增殖，因此，只要使用藻類含量測(cè)量儀實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)重點(diǎn)湖泊和水庫(kù)的各種藻類含量動(dòng)態(tài)，在水體中藻類有爆發(fā)性增殖的趨勢(shì)之前，采取對(duì)策，就能有效預(yù)防水華的發(fā)生。

　　進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)很多高校及科研院所進(jìn)行了藻類含量測(cè)量儀的研制。但是，目前我國(guó)還沒(méi)有可以應(yīng)用在水體藻類實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的產(chǎn)品。

　　現(xiàn)有的藻類含量測(cè)量產(chǎn)品在水樣中葉綠素濃度低于1μg/L時(shí)測(cè)量精度很低。本文基于葉綠素?zé)晒庑?yīng)，采用正弦調(diào)制、高速USB數(shù)據(jù)采集卡和離散信號(hào)軟件處理的儀器方案，完成了藻類含量測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　藻類含量測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　磁力攪拌器的作用是，保證藻類在水體樣品中均勻分布，采用IKA公司生產(chǎn)的Topolino。

　　超高亮LED陣列用于產(chǎn)生激發(fā)含有藻類的水體樣品產(chǎn)生熒光效應(yīng)的激發(fā)光，共有3個(gè)發(fā)出不同波長(zhǎng)光的LED，分別為藍(lán)色(中心波長(zhǎng)460nm左右)、綠色(中心波長(zhǎng)530nm左右)和黃色(中心波長(zhǎng)595nm左右)。

　　THORLABS公司的LD3000電流驅(qū)動(dòng)器是用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED的，電流最大可達(dá)到2.5安培。它相當(dāng)于一個(gè)電壓控制電流源，給它輸入正弦變化的電壓，則產(chǎn)生相同頻率的正弦變化的電流。

　　信號(hào)發(fā)生器的作用就是產(chǎn)生880Hz的正弦變化的電壓信號(hào)，輸送給LD3000電流驅(qū)動(dòng)器。

　　藻類含量測(cè)量?jī)x控制卡的作用包括，對(duì)磁力攪拌器和正弦信號(hào)發(fā)生器的開(kāi)關(guān)控制、對(duì)超高亮LED陣列的控制以及與PC機(jī)的通信。

　　光電倍增管的作用是將含有藻類的水體樣本在電流正弦變化的LED光的激發(fā)下產(chǎn)生的微弱的熒光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，采用濱松公司CR131型。

　　光電倍增管電源為光電倍增管提供電源，同時(shí)為光電倍增管提供增益調(diào)節(jié)。

　　前置信號(hào)處理模塊的作用包括，將光電倍增管的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，然后進(jìn)行放大和初級(jí)帶通濾波。

　　信號(hào)采集卡的作用是，在便攜式電腦的控制下，對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并對(duì)信號(hào)AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并在對(duì)信號(hào)進(jìn)行了一定時(shí)間的采集后，通過(guò)USB接口將采集到的數(shù)據(jù)傳送給便攜式電腦，以供后續(xù)計(jì)算使用。本文采用北京星爍華創(chuàng)科技有限公司的FCFR-USB2027A-3，模擬輸入分辨率為14位，采集率最高達(dá)3MS/s，硬件FIFO為4M，USB2.0接口。

　　便攜式電腦上裝有藻類含量測(cè)量?jī)x配套軟件，通過(guò)USB接口與信號(hào)采集卡和藻類含量測(cè)量?jī)x控制卡進(jìn)行通信。藻類含量測(cè)量?jī)x配套軟件的作用包括，測(cè)量中與藻類含量測(cè)量?jī)x互相發(fā)送和接收“握手信號(hào)”，控制信號(hào)采集卡采集數(shù)據(jù)，并讀取信號(hào)采集卡采集到的數(shù)據(jù)，存入相應(yīng)的文件中，對(duì)存儲(chǔ)到文件中的信號(hào)數(shù)據(jù)與參考正弦信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到熒光信號(hào)幅值，然后求得水體中3種藻類分別的含量，并進(jìn)行顯示。