藻類含量測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)

　　摘要：水華是嚴重的水體災(zāi)害?，F(xiàn)階段，對于水華，人類缺少有效的治理手段。實時地監(jiān)測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)采集卡和離散信號軟件處理的儀器方案，基于葉綠素熒光效應(yīng)，完成了藻類含量測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)。儀器通過數(shù)字正弦信號發(fā)生器和LED電流驅(qū)動器，產(chǎn)生正弦變化的電流驅(qū)動超高亮LED，從而實現(xiàn)了對熒光激發(fā)光的正弦調(diào)制;通過高速USB數(shù)據(jù)采集卡進行信號采集，然后通過離散互相關(guān)運算實現(xiàn)了軟件對信號的處理。

　　引言

　　隨著人口增長和經(jīng)濟社會發(fā)展，水污染問題日益嚴重，水環(huán)境問題成為非常重要的生態(tài)環(huán)境問題，并影響到全球國家的經(jīng)濟和社會發(fā)展。目前，我國湖泊、水庫富營養(yǎng)化嚴重。隨著水質(zhì)富營養(yǎng)化程度加重，當?shù)w中浮游植物爆發(fā)性繁殖并聚集時，會產(chǎn)生水體變色的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫“水華”。我國水華事件發(fā)生范圍較廣，發(fā)生頻率較高，并造成嚴重損失。

　　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量儀實時在線監(jiān)測重點湖泊和水庫的各種藻類含量動態(tài)，在水體中藻類有爆發(fā)性增殖的趨勢之前，采取對策，就能有效預(yù)防水華的發(fā)生。

　　進入21世紀以來，我國很多高校及科研院所進行了藻類含量測量儀的研制。但是，目前我國還沒有可以應(yīng)用在水體藻類實時在線監(jiān)測的產(chǎn)品。

　　現(xiàn)有的藻類含量測量產(chǎn)品在水樣中葉綠素濃度低于1μg/L時測量精度很低。本文基于葉綠素熒光效應(yīng)，采用正弦調(diào)制、高速USB數(shù)據(jù)采集卡和離散信號軟件處理的儀器方案，完成了藻類含量測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　藻類含量測量儀的系統(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個發(fā)出不同波長光的LED，分別為藍色(中心波長460nm左右)、綠色(中心波長530nm左右)和黃色(中心波長595nm左右)。

　　THORLABS公司的LD3000電流驅(qū)動器是用來驅(qū)動LED的，電流最大可達到2.5安培。它相當于一個電壓控制電流源，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。

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

　　藻類含量測量儀控制卡的作用包括，對磁力攪拌器和正弦信號發(fā)生器的開關(guān)控制、對超高亮LED陣列的控制以及與PC機的通信。

　　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轉(zhuǎn)化為電流信號，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，同時為光電倍增管提供增益調(diào)節(jié)。

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

　　信號采集卡的作用是，在便攜式電腦的控制下，對輸入的信號進行AD轉(zhuǎn)換，并對信號AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進行保存，并在對信號進行了一定時間的采集后，通過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3MS/s，硬件FIFO為4M，USB2.0接口。

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