一种纯数字化光电检测系统及其检测方法
【专利摘要】本发明涉及一种纯数字化光电检测系统及其检测方法，包括光源、滤光片、光检池和CPU，还包括数字感光芯片组；其中光源前端连接稳压恒流电路，光源和滤光片顺次放置于光检池同侧，在光检池另一侧放置数字感光芯片，数字感光芯片组的输出端连接CPU。光源在稳压恒流电路的控制下发射出稳定的信号光，并经滤光片滤光后变为单色光，单色光透过光检池内的溶液形成出射光，照射在数字感光芯片上，数字感光芯片将光信号转化为电信号，并通过I2C通讯协议与CPU双向数据传输。本发明具有结构简单、测量精度高、稳定性好等优点，适用于各种水质在线分析仪器中。
【专利说明】一种纯数字化光电检测系统及其检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电检测领域，具体地说是一种纯数字化光电检测系统及其检测方 法。
【背景技术】
[0002] 随着社会的发展和人们对自身健康的关注以及水资源的日益短缺和恶化，传统的 监测分析方法分析速度较慢、准确性有限，已经逐渐地不能满足环境监测的要求了，水质分 析技术正朝着快速、准确、高灵敏度、自动化方向迈进。
[0003] 自动在线检测仪器中，检测器基本分为光学检测器和电化学检测器两大类。与电 化学检测相比，光电检测的方法为非接触检测，不需与腐蚀性的检测液接触，方便了仪器的 维护工作，延长了检测器的使用寿命。因此，通常采用光电检测作为检测手段。
[0004] 光电检测型的分析仪器主要是把光的信号强度转换成对应的电信号强度，通过光 电压值的变化来计算和检测溶液的吸光度、浓度等参数。因此，光电检测模块是仪器进行样 品分析的关键环节，尤其体现在水样的痕量分析领域，仪器的诸多性能参数如灵敏度、稳定 性、重现性等均与这部分的设计有关。
[0005] 在理想情况下，只要有光辐射存在或变化，光电检测装置就可以检测出来，但当入 射功率很小或变化很小时，由于噪声干扰的存在而无法确定入射辐射的存在和变化。
[0006] 传统的光电检测装置的基本组成：一般由光源、滤光片、比色池、光电传感器、放大 器、A/D模块等几部分组成，如图1可以看出，传统的光电检测装置通过光电检测器件接收 光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经A/D转换后 输入CPU运算、处理。在此装置中，影响光电检测精度的因素主要分为外部扰动和内部噪 声。外部扰动主要包括光源的随机波动、杂散光的入射及检测电路受到的电磁干扰等。这 些扰动可以通过稳定辐射光源、遮断杂散光以及电气屏蔽等措施加以改善和消除。光电器 件和前置放大器等器件的固有噪声是光信号检测的另一扰动源，后续的数模转换、数字滤 波等相关处理也会引入新的噪声，这些内部噪声是随机起伏的，覆盖在很宽的频谱范围内， 他们和有用信号同时存在，互相混淆，限制了检测系统分辨率的提高。因此要提高信号检测 精度，得到最小的非线性失真信号，就要减弱或消除噪声的干扰。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的不足，本发明提供一种纯数字化光电检测系统及其检测方法，大 大减少了现有光电模块在设计过程中的光电检测、光电放大及数模转换等多种元器件及复 杂电路所产生的噪声干扰，提高了仪器的检测精度和稳定性，实现了真正意义上的光电检 测纯数字化。
[0008] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种纯数字化光电检测系统，包括 光源（8 )、滤光片（9 )、光检池（11)和CPU，还包括数字感光芯片组，且均固定于暗箱中；
[0009] 其中光源（8)的前端连接稳压恒流电路，光源（8)和滤光片（9)依次设置于光检池 (11)同侧，在光检池（11)另一侧放置数字感光芯片组，且光源（8)、滤光片（9)、光检池（11) 和数字感光芯片组的中心孔设置于同一轴线，数字感光芯片组的输出端连接CPU。
[0010] 所述光源（8)为发光二级管。
[0011] 所述滤光片（9)为带通型滤光片。
[0012] 所述光检池（11)为静止测定的比色池或流动测定的流通池。
[0013] 所述数字感光芯片组（13)是由稳压芯片U2和数字感光芯片U1组成的，用于实现 稳压后的光数字化检测的芯片。
[0014] 所述暗箱为聚四氟乙烯材料制成的密闭装置。
[0015] 光源（8)在稳压恒流电路的控制下发射出稳定的信号光，并经滤光片（9)滤光后 变为单色光，单色光透过光检池（11)内的溶液形成出射光，照射在数字感光芯片组的U1的 感光板上，数字感光芯片组将光信号转化为电信号，并通过I 2c通讯协议与CPU双向数据传 输。
[0016] 本发明具有以下有益效果及优点：
[0017] 1.本发明提高了读出信噪比，实现了高精度、微电流的检测，解决了水体中痕量元 素在线自动比色检测过程中噪声的干扰难题；
[0018] 2.本发明所采用的数字感光芯片长度只有2mm，因此整个检测单元可做微型化设 计，适用于超微量样品的检测；
[0019] 3.本发明稳光源设计与暗箱设计相结合，避免了杂峰与杂散光的影响，进一步提 高了光电检测的稳定性；
[0020] 4.本发明的光检池的两种测量模式使此模块具有更好的通用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是本发明光电检测技术结构示意图；
[0022] 图2是数字感光芯片电路图；其中1为数字感光芯片U1的输入引脚、2为数字感 光芯片U1的接地引脚、3为数字感光芯片U1的外部电阻器引脚、4为数字感光芯片U1的中 断引脚、5为数字感光芯片的时钟信号线、6为数字感光芯片的数据信号线；
[0023] 图3暗箱装置结构图，其中7为侧面板、8为光源、9为滤光片、10为入射光线孔、 11为光检池、12为出射光线孔、13为数字感光芯片组、15为前置稳压恒流电路板、16为上面 板、17为下面板。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和实施例对本专利做进一步说明。
[0025] 本光电检测系统是一套用于水质在线分析仪比色测量中检测透过有色溶液前后 光强度的装置。
[0026] 如图1所不，本光电检测模块包括光源、滤光片、光检池、数字感光芯片及CPU。光 源与滤光片位于光检池的一侧，光源固定于前置稳压恒流电路板上；数字感光芯片位于光 检池的另一侧。光源发射光束经滤光片滤光变为单色光，该单色光透过光检池内的溶液被 吸收一部分，出射光打在数字感光芯片上，被数字感光芯片感应并将该光照强度转化为数 字电信号，传输给(PU进行运算输出。
[0027] 系统的发射光源为发光二级管，用固定输出地稳压恒流源选择一个合适的输出代 替本装置的输出。滤光片选用带通型滤光片，允许选定波段的光通过，通带以外的光截止。 根据不同待测物质所需的最大吸收波长，只需更换发光二极管及滤光片即可，简单方便。光 检池可选择静止测定的比色池或流动测定的流通池，光程通常选择1〇_，也可根据实际需 要更改。数字感光芯片可直接将光信号转化为数字信号，通过I 2C数字通讯协议直接与CPU 实现通信。数字感光芯片长度仅为2_，可将本模块做微型化处理。
[0028] 如图2所示为本发明中数字感光芯片的电路，数字感光芯片U1，型号为 ISL29023/29033,工作电压（VDD)要求为2. 25V-3. 63V，而通常电源的供电电压输出为5V， 因此，在数字感光芯片U1与5V电源之间加入一个3. 3V稳压芯片U2 (型号：LM1117-3. 3)， 保证输入引脚1的电压为3. 3V，满足数字感光芯片电压的要求。数字感光芯片U1中的接 地端2 (GND)与稳压芯片U2的接地端（GND)同时接地。数字感光芯片U1中的外部电阻器 引脚3 (REXT)通过可调电阻（R)与地相连，可通过调节可调电阻（R)的阻值和内部寄存器 的设置，来调节芯片的灵敏度。数字感光芯片U1中的中断引脚4 (INT)设置芯片为中断响 应。数字感光芯片U1中的I2C总线由数据信号线6 (SDA)和时钟信号线5 (SCL)构成串行 总线，实现发送和接收数据功能。在CPU与数字感光感光芯片U1之间进行双向传送，即CPU 通过I2C总线，向芯片发起检测指令，芯片开始检测光信号强度并将检测结果传送回CPU。
[0029] 如图3所示为本发明中暗箱装置结构图，暗箱装置为聚四氟乙烯材料制成，左右 前后面板采用一体化设计，其中侧面板7上凿有安装光源8及滤光片9的光源发射孔、入射 光线孔10、光检池11、出射光线孔12及安装数字感光芯片组13的光线接收孔，上置上面板 16,下置下面板17,所有孔位及面板均采用黑化处理，保证样品检测的暗室环境，避免了杂 散光的干扰。
[0030] 光源8、滤光片9及入射光线孔10位于光检池11的左侧，光源8固定于前置稳压 恒流电路板15上；出射光线孔12及数字感光芯片组13位于光检池11的右侧。安装光源 8及滤光片9的光源发射孔、入射光线孔10、出射光线孔12及安装数字感光芯片组13的光 线接收孔彼此相通且中心孔在同一轴线14上。机械加工时要保证入射光线孔10与出射光 线孔12的通道内壁光滑，最大限度地减少因表面不光滑产生的光线损耗。
[0031] 另外，图3中的光检池11为正方形设计，但并不能因此而理解为对本专利范围的 限制。应当指出的是，光检槽11还可以做出若干变形和改进，比如圆形管与聚四氟乙烯管， 这些都属于本专利的保护范围。上面板16与下面板17根据选择光检池的种类进行打孔安 装。
[0032] 本暗箱装置主体部分采用一体化设计，结构简单，便于安装。
【权利要求】
1. 一种纯数字化光电检测系统，包括光源（8 )、滤光片（9 )、光检池（11)和CPU，其特征 在于，还包括数字感光芯片组，且均固定于暗箱中； 其中光源（8)的前端连接稳压恒流电路，光源（8)和滤光片（9)依次设置于光检池（11) 同侧，在光检池（11)另一侧放置数字感光芯片组，且光源（8)、滤光片（9)、光检池（11)和数 字感光芯片组的中心孔设置于同一轴线，数字感光芯片组的输出端连接CPU。
2. 根据权利要求1所述的纯数字化光电检测系统，其特征在于：所述光源（8)为发光二 级管。
3. 根据权利要求1所述的纯数字化光电检测系统，其特征在于：所述滤光片（9)为带通 型滤光片。
4. 根据权利要求1所述的纯数字化光电检测系统，其特征在于：所述光检池（11)为静 止测定的比色池或流动测定的流通池。
5. 根据权利要求1所述的纯数字化光电检测系统，其特征在于：所述数字感光芯片组 (13)是由稳压芯片U2和数字感光芯片U1组成的，用于实现稳压后的光数字化检测的芯片。
6. 根据权利要求2所述的纯数字化光电检测系统，其特征在于：所述暗箱为聚四氟乙 烯材料制成的密闭装置。
7. -种纯数字化光电检测方法，其特征在于：光源（8)在稳压恒流电路的控制下发射 出稳定的信号光，并经滤光片（9)滤光后变为单色光，单色光透过光检池（11)内的溶液形 成出射光，照射在数字感光芯片组的U1的感光板上，数字感光芯片组将光信号转化为电信 号，并通过I2C通讯协议与CPU双向数据传输。
【文档编号】G01N21/31GK104142306SQ201310166968
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年5月8日 优先权日:2013年5月8日
【发明者】付龙文, 孙西艳, 陈令新, 冯巍巍 申请人:中国科学院烟台海岸带研究所