一种在水质毒性检测仪中使用的探测装置的制作方法

本实用新型涉及电子电路领域，具体而言，涉及一种在水质毒性检测仪中使用的探测装置。

背景技术：

近年来，我国发生了多起水源水质突发污染事故，给当地人民正常的生产生活造成了严重影响。水质污染事故概括起来分为事故污染、人为投毒和自然灾害，为保障安全供水，需要建立供水毒性检测的机制。在实验室中判断水质毒性的常规方法是对特定有毒的化学物质实行单个指标检测，比如重金属、农药残留、有机物等；而在实际应用中，水的毒性效应是一种综合的生物学参数，是所有组成物质拮抗作用和抑制作用的综合结果。目前水毒性测试的生物学方法包括发光细菌法、浮游动物试验、藻类试验、鱼类试验等，这些方法中除了发光细菌法外，其他方法均因为操作复杂、检测周期长而不方便使用，而国家环境保护局、国家技术监督局早已将发光菌毒性测试法定为水质检测标准方法(GB/T 15441-1995)。

发光细菌法中，所用的发光细菌是一类非致病的革兰氏阴性兼性厌氧细菌，其在正常的生理条件下能够发射可见荧光，这种可见荧光波长在450nm～490nm之间，强度微弱，黑暗中几乎肉眼不可看到。由于其发光现象是一种正常的代谢活动，在一定条件下发光强度是恒定的，当与待测物质(无机、有机毒物，抑菌、杀菌物等)接触后，其发光强度即有所改变，变化的大小与待测物的浓度和毒性大小呈线性负相关关系，因而通过测量固定配比的发光细菌和待测有毒物质作用后的发光强度变化，就可以推算出毒性大小。

使用发光细菌法对毒性进行测量，需要一个比对过程：即需要将待测物和标准物进行相同条件下的比对测试，通过比对结果来鉴定毒性的大小。现有的水质毒性检测仪中使用的探测装置因为只有1个放置试管的仓和1路探测电路，因而一次只能放入一个样本(或者标准物)进行检测，要获得待测物的综合毒性结果，就分别要对样本和标准物各自进行一次初始测量，然后放置一段时间(一般是5～30分钟)，再分别进行一次测量；现有的技术有以下几个不足：

1.使用一个探测电路对待测物和标准物分别进行测量各2次，测量过程需要放入装置并拿出，非常不方便，同时因为有时间差，不能实时对比，因而对测量结果会有一定误差；

2.测量只能获得一个比对的结果，要想获取整个反应过程中光强的变化趋势，就必须不停的将待测物和标准物交替装入和取出并记录每次的结果，这样就不能同时进行实时测试，时间差异会导致比对数据存在误差，另外样本的不停装入和取出会使采光元件采集到更多的外部环境光，进而引起光信号误差，同时交替测量的时间间隔也导致不能检测实时的变化过程；这些致使无法检测样本毒性的变化过程；

3.另外现有的探测装置能够探测的信号精度也有一定限制，其探测电路使用一级放大，对于微弱信号的放大作用不够，因而检测下限不够，对于弱毒性检测不灵敏，而且还存在着干扰信号。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供在水质毒性检测仪中使用的探测装置，以改善上述的问题。

本实用新型提供了一种在水质毒性检测仪中使用的探测装置，其特征在于，包括：2路探测电路、1个模数转换器和1个偏置电源，其中：

第1路探测电路包括：第一光电二极管PD1、第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4、第五电容器C5；其中：

第一光电二极管PD1的阴极分别连接第一运算放大器A1的反相输入端、第一二极管D1的阴极、第一电容器C1的第一端和第一电阻R1的第一端，第一二极管D1的阳极、第一电容器C1的第二端和第一电阻R1的第二端共同连接第一运算放大器A1的输出端和第二电阻R2的第一端，第一光电二极管PD1的阳极分别连接第一运算放大器A1的正相输入端、第二二极管D2的阳极、第四电阻R4的第一端和第五电容器C5的第一端，第二二极管D2的阴极、第四电阻R4的第二端和第五电容器C5的第二端共同连接偏置电源和第五电阻R5的第一端，第五电阻R5的第二端分别连接第四电容器C4的第一端、第二电容器C2的第一端和第二运算放大器A2的反相输入端，第二电阻R2的第二端分别连接第四电容器C4的第二端、第三电容器C3的第一端和第二运算放大器A2的正相输入端，第二电容器C2的第二端和第三电容器C3的第二端共同接地，第二运算放大器A2的反相输入端与输出端之间并联第三电阻R3，第二运算放大器A2的输出端连接模数转换器；

第2路探测电路包括：第二光电二极管PD2、第三运算放大器A3、第四运算放大器A4、第三二极管D3、第四二极管D4、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第六电容器C6、第七电容器C7、第八电容器C8、第九电容器C9、第十电容器C10；其中：

第二光电二极管PD2的阴极分别连接第三运算放大器A3的反相输入端、第三二极管D3的阴极、第六电容器C6的第一端和第六电阻R6的第一端，第三二极管D3的阳极、第六电容器C6的第二端和第六电阻R6的第二端共同连接第三运算放大器A3的输出端和第七电阻R7的第一端，第二光电二极管PD2的阳极分别连接第三运算放大器A3的正相输入端、第四二极管D4的阳极、第八电阻R8的第一端和第十电容器C10的第一端，第四二极管D4的阴极、第八电阻R8的第二端和第十电容器C10的第二端共同连接偏置电源和第九电阻R9的第一端，第九电阻R9的第二端分别连接第七电容器C7的第一端、第八电容器C8的第一端和第四运算放大器A4的反相输入端，第七电阻R7的第二端分别连接第七电容器C7的第二端、第九电容器C9的第一端和第四运算放大器A4的正相输入端，第八电容器C8的第二端和第九电容器C9的第二端共同接地，第四运算放大器A4的反相输入端与输出端之间并联第十电阻R10，第四运算放大器A4的输出端连接模数转换器；

模数转换器用于将接收的模拟信号转换为数字信号并输出。

其中，第二电阻R2的阻值等于第五电阻R5的阻值，第二电容器C2的电容值等于第三电容器C3的电容值。

其中，所述偏置电源提供3伏直流电压。

其中，所述探测装置还包括：2个样本仓，用于分别放置装有样本的试管，该样本仓上有透光口。

有益效果

本实用新型的在水质毒性检测仪中使用的探测装置有以下几个优点：

1、两个试管放置仓或槽，分别放置待测物和标准物，只需要放入一次，无需交替取出和放入，就可以进行测量比对，不用在再次打开仓盖就可以获得比对结果；大大简化了测量过程；

2、测量过程可以实时对比，同时实时记录发光数据，并监控其反应变化的趋势；既可以监测一个仓或者槽内的变化过程，也可以将两个仓或者槽的变化过程进行实时比对；这在一些科学研究或者试验中，是非常有用的，譬如不同物质表现出来的毒性，其发生作用的时间不同，通过实时监测，就可以分析该类物质毒性的成分或者剂量大小；

3、探测电路使用两级放大，增强了对于微弱信号的放大作用，因而检测下限更低，提高了对于弱毒性检测的灵敏度，还加入了抗干扰措施，尽可能的消除了各种信号干扰。

附图说明

图1是本实用新型的在水质毒性检测仪中使用的探测装置的电路原理图。

图2是举例说明偏置电源电路结构的一个实例的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1是本实用新型的本实用新型的在水质毒性检测仪中使用的探测装置的电路原理图。如图1所示，该探测装置包括：

2路探测电路、1个模数转换器和1个偏置电源，这两路探测电路为相同电路结构，偏置电源分别给这2两路探测电路提供偏置电压，这两路探测电路的各自模拟信号输出分别接入模数转换器，经转换为数字信号后分时输出。

具体而言，第1路探测电路包括：第一光电二极管PD1、第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4、第五电容器C5；其中：

第一光电二极管PD1的阴极分别连接第一运算放大器A1的反相输入端、第一二极管D1的阴极、第一电容器C1的第一端和第一电阻R1的第一端，第一二极管D1的阳极、第一电容器C1的第二端和第一电阻R1的第二端共同连接第一运算放大器A1的输出端和第二电阻R2的第一端，第一光电二极管PD1的阳极分别连接第一运算放大器A1的正相输入端、第二二极管D2的阳极、第四电阻R4的第一端和第五电容器C5的第一端，第二二极管D2的阴极、第四电阻R4的第二端和第五电容器C5的第二端共同连接偏置电源和第五电阻R5的第一端，第五电阻R5的第二端分别连接第四电容器C4的第一端、第二电容器C2的第一端和第二运算放大器A2的反相输入端，第二电阻R2的第二端分别连接第四电容器C4的第二端、第三电容器C3的第一端和第二运算放大器A2的正相输入端，第二电容器C2的第二端和第三电容器C3的第二端共同接地，第二运算放大器A2的反相输入端与输出端之间并联第三电阻R3，第二运算放大器A2的输出端连接模数转换器；

同样的，第2路探测电路包括：第二光电二极管PD2、第三运算放大器A3、第四运算放大器A4、第三二极管D3、第四二极管D4、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第六电容器C6、第七电容器C7、第八电容器C8、第九电容器C9、第十电容器C10；其中：

第二光电二极管PD2的阴极分别连接第三运算放大器A3的反相输入端、第三二极管D3的阴极、第六电容器C6的第一端和第六电阻R6的第一端，第三二极管D3的阳极、第六电容器C6的第二端和第六电阻R6的第二端共同连接第三运算放大器A3的输出端和第七电阻R7的第一端，第二光电二极管PD2的阳极分别连接第三运算放大器A3的正相输入端、第四二极管D4的阳极、第八电阻R8的第一端和第十电容器C10的第一端，第四二极管D4的阴极、第八电阻R8的第二端和第十电容器C10的第二端共同连接偏置电源和第九电阻R9的第一端，第九电阻R9的第二端分别连接第七电容器C7的第一端、第八电容器C8的第一端和第四运算放大器A4的反相输入端，第七电阻R7的第二端分别连接第七电容器C7的第二端、第九电容器C9的第一端和第四运算放大器A4的正相输入端，第八电容器C8的第二端和第九电容器C9的第二端共同接地，第四运算放大器A4的反相输入端与输出端之间并联第十电阻R10，第四运算放大器A4的输出端连接模数转换器。

其中，第1路探测电路和第2路探测电路连接的偏置电源是同一偏置电源，模数转换器向下一级输出数字信号。

偏置电源提供例如3V电压，电容器的电容值和电阻的阻值可以根据实际应用需要自由设计。

偏置电源的电路结构可以采用本领域公知的任何结构，图2是举例说明偏置电源电路结构的一个实例的电路原理图，图中所示的U2为电压基准芯片，可以采用例如德州仪器公司(TI公司)销售的REF3030，通过图2所示的电路结构可以提供这里所需要的偏置电压。

除此之外，探测装置还包括：2个样本仓，用于分别放置装有样本的试管，每个样本仓上有透光口。这样，当装有发光细菌和水质样本的试管放置在样本仓时，发光细菌发出的光可以通过透光口发射。所述样本仓本身的结构可以采用现有技术来实现。这里所述的试管为化学实验室常用的普通玻璃试管。

根据本实用新型的探测装置的工作原理是：

在水质毒性检测仪中都会有试管放置仓或槽，用来将装有样本的试管放置其中，而该仓或槽有透光口以便发光细菌发出的光可以通过透光口发射，这些现有技术的详细内容可参见例如2014年12月17日公开的专利号为201420465586.4、名称为：“便携式水质毒性检测仪”的专利文献或其他现有文献。而本实用新型提供的探测装置中的光电二极管的位置位于透光口之下，以便接收发光细菌发出的光，将光信号转换为电信号。具体而言，以第1路探测电路为例来进行说明，在布置本实用新型的探测装置时，将光电二极管置于透光口之下，这里使用的光电二极管PD1能够将微弱的荧光信号(发光细菌发出的光)转化成电流信号，第一运算放大器A1为高增益低噪声精密运算放大器，其与第一电阻R1和第四电阻R4组合成电流-电压变换电路，能够将光电二极管PD1产生的微弱电流信号进行电流-电压转换并放大，变换成电压信号进行输出，其中第一电阻R1和第四电阻R4为精密电阻，其作用是将光电二极管PD1产生的光电流转变成电压信号；第一电容器C1和第五电容器C5为分别并联在相应的第一电阻R1和第四电阻R4的两端，用于滤除高频干扰；第一二极管D1和第二二极管D2为限幅二极管，将输出电压限制在一定范围内，防止第一运算放大器A1进入饱和区；偏置电源经由第八电阻R8间接连接到第一运算放大器A1的正相输入端，用于提供合适的直流偏置电压；第二电阻R2、第五电阻R5和第四电容器C4为第一运算放大器A1的输出信号进行差模低通滤波，目的是滤除高频差模噪声。另外，共模干扰通常在微弱信号处理电路中影响较为明显，本方案中使用第二电阻R2和第三电容器C3、第五电阻R5和第二电容器C2分别构成低通滤波通路，用于滤除掉输出信号的共模干扰；这里需要设计成：第二电阻R2的阻值＝第五电阻R5的阻值，第二电容器C2的电容值＝第三电容器C3的电容值；本方案还设计了第二运算放大器A2作为二级运算放大器，其作用是将第一放大器的输出信号进一步放大，以确保在微弱信号下的输出电压的幅值足够大，这样相对采用单级运放，能够有更高的灵敏度；第二运算放大器A2输出的差模信号进入高精度的模数转换器或者AD采样电路，以便转换为数字信号进行输出。

因为第1路探测电路和第2路探测电路为相同电路结构，采用的元件的参数相同，其工作原理和过程与上述相同，这里就不再对第2路探测电路的工作过程做详细描述。

在实践中，需要先将现有的水质毒性检测仪中的单个试管放置仓或槽改为2个试管放置仓或槽设计，再安装本实用新型提供的探测装置，只要设计好空间布局就容易实现该布置，就能够采集发光细菌发出的光，将光电二极管采用的光信号，先转换成模拟电信号，再转换成数字信号，然后输出到后面的分析装置进行处理。

本实用新型的在水质毒性检测仪中使用的探测装置有以下几个优点：

1、两个试管放置仓或槽，分别放置待测物和标准物，只需要放入一次，无需交替取出和放入，就可以进行测量比对，不用在再次打开仓盖就可以获得比对结果；大大简化了测量过程；

2、测量过程可以实时对比，同时实时记录发光数据，并监控其反应变化的趋势；既可以监测一个仓或者槽内的变化过程，也可以将两个仓或者槽的变化过程进行实时比对；这在一些科学研究或者试验中，是非常有用的，譬如不同物质表现出来的毒性，作用的时间不同，通过实时监测，就可以分析是毒性的成分或者剂量大小；

3、探测电路使用两级放大，增强了对于微弱信号的放大作用，因而检测下限更低，提高了对于弱毒性检测的灵敏度，还加入了抗干扰措施，尽可能的消除了各种信号干扰。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。