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作者：駿龍科技現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師
pH值、濁度等指標(biāo)是常見的液體分析需求，傳統(tǒng)的光學(xué)原理液體分析儀器都是龐大的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，做一次液體分析常常耗時(shí)一天。ADI推出了高集成化的光學(xué)傳感前端芯片，讓此類儀器的體積可以做到手掌大小。本文將為大家具體介紹光學(xué)液體分析儀的光路與電路結(jié)構(gòu)原理，并對(duì)ADI推出的4通道液體分析儀方案進(jìn)行深入解析。
1.光路與電路結(jié)構(gòu)
在所有液體分析手段中，光學(xué)是最理想的方法之一，它具有高精度、非接觸、無損耗的顯著優(yōu)勢(shì)。受其原理所限，一條完整的檢測(cè)通道需要復(fù)雜精密的光路結(jié)構(gòu)與配套電路，包括特定波長的光源、光路分光器、用于抗干擾的斬光器、樣品比色容器、光接收器件與電路、電信號(hào)調(diào)理和采集分析等，如下圖（圖1）所示。此外，不同測(cè)量指標(biāo)所需的光波長和光路是有區(qū)別的，一臺(tái)液體分析儀器中需要集成多個(gè)通道，因此，傳統(tǒng)光學(xué)原理的液體分析儀器體積龐大。
對(duì)于電路結(jié)構(gòu)，液體分析儀器的發(fā)射端需要光源驅(qū)動(dòng)、斬光控制電路等。接收端需要光電二極管接收、信號(hào)放大、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換等模擬電路，以及后端用于控制和運(yùn)算分析的數(shù)字電路。
圖1 用于液體分析的光路與電路結(jié)構(gòu)
2.吸光度測(cè)量方法
吸光度測(cè)量是液體分析中最核心的步驟。這種方法被稱為比色法，根據(jù)比爾-朗伯定律的原理，液體中特定物質(zhì)的濃度與吸光度是正相關(guān)的。另外一種衍生方法，是在溶液中加入特定顯色劑，通過測(cè)量溶液顏色變化來分析液體指標(biāo)，例如pH測(cè)量。
下圖(圖2)為細(xì)化的單通道溶液吸光度測(cè)量光路示意圖。入射光束被分光器分成兩路—參考光束與測(cè)量光束。參考光束是直接進(jìn)入接收二極管，而測(cè)量光束是經(jīng)由樣品再進(jìn)入接收二極管。由于兩條相同的接收路徑同時(shí)對(duì)測(cè)量光束和參考光束進(jìn)行采樣，使用軟件將兩路結(jié)果相減，就可以抑制隨時(shí)間變化的環(huán)境光的影響。此外，通過交替交換接收路徑，以及對(duì)結(jié)果進(jìn)行平均等手段，還可以減少兩個(gè)接收路徑之間的誤差。
圖2 吸光度測(cè)量光路圖
3.濁度和熒光測(cè)量方法
用光學(xué)方法測(cè)量液體的渾濁度，是利用了光散射的原理。光線照在液體中懸浮顆粒的表面時(shí)，會(huì)向四周發(fā)生散射，散射光強(qiáng)度和散射角由入射光波長和懸浮物粒徑、濃度決定。下圖（圖3）所示是一種常用的濁度測(cè)量光路結(jié)構(gòu)，示意圖為俯視視角，當(dāng)一側(cè)的光源射入懸浮液樣品時(shí)，設(shè)置對(duì)側(cè)和90度側(cè)兩處光接收裝置，通過對(duì)比兩處的光強(qiáng)，可以推算濁度指標(biāo)。
圖3 濁度測(cè)量光路圖
某些特定物質(zhì)再被紫外光等照射時(shí)，會(huì)激發(fā)出另一種波長的光，稱為熒光。通過檢測(cè)熒光的強(qiáng)度來分析物質(zhì)含量，相比吸光度檢測(cè)法的線性度更高。但熒光的強(qiáng)度往往很微弱，需要更靈敏的檢測(cè)與抗干擾手段。下圖（圖4）所示為熒光測(cè)量光路圖，其與濁度測(cè)量的光路非常類似，也是在對(duì)側(cè)和90側(cè)進(jìn)行光強(qiáng)采集，不同的是，此時(shí)想四周發(fā)散的是熒光，需要在90度側(cè)的接收處增加濾光片，只允許熒光波長通過。最后，通過測(cè)算對(duì)側(cè)與90度側(cè)的光比率，來獲得熒光強(qiáng)度。
圖4 熒光測(cè)量光路圖
4.高度集成化的芯片
由以上幾種測(cè)量手段的原理描述，可以看出要想實(shí)現(xiàn)光學(xué)方法的液體分析，需要配套多路的光源與接收電路，以及小信號(hào)調(diào)理采集電路等。ADI最新推出的ADPD4100/1系列產(chǎn)品，充分滿足了這類技術(shù)需求，其中，ADPD4100與ADPD4101的區(qū)別僅在于其對(duì)外通信接口，分別為SPI和IIC。芯片具有微體積、低成本的優(yōu)勢(shì)，長寬僅為3mm左右。駿龍科技可以為工程師提供此芯片的試驗(yàn)樣品和充足技術(shù)支持，助力工程師搭建完整的芯片外圍電路方案，直至項(xiàng)目批量生產(chǎn)的芯片供應(yīng)。
下圖（圖5）所示為芯片的結(jié)構(gòu)原理圖，其具備以下幾種主要特性：
- 8路LED驅(qū)動(dòng)（可同時(shí)4路工作）與8路光接收通道
- 自帶基于脈沖光與數(shù)字濾波器的環(huán)境光抑制功能
- 發(fā)射接收信號(hào)鏈具有100dB的超高信噪比
圖5 ADPD4100/1產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖
5.多參數(shù)液體分析應(yīng)用
基于ADPD4101的產(chǎn)品平臺(tái)，ADI打造了同時(shí)支持4路通道的光學(xué)液體分析方案。如下圖（圖6）所示，ADPD4101可支持同時(shí)帶動(dòng)4路LED工作，總驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到400mA，8個(gè)接收通道可以靈活配置為接收PD的正或負(fù)端，然后接入芯片內(nèi)部的TIA電路。通過設(shè)計(jì)各種模式的跳針，該方案可以接入多路不同采樣位置的接收PD，同時(shí)支持4通道不同類型的液體分析，包括了本文上述的吸光度、熒光、濁度等等。
圖6 4通道液體分析方案
由于ADI芯片及其外圍電路本身占用面積很小，此方案的體積基本都體現(xiàn)在4路的樣品池及其光路裝置。其實(shí)際的面積僅為手掌大小，下圖（圖7）為該方案的平臺(tái)實(shí)物圖。
圖7 ADI的4通道液體分析方案
6. 液體分析儀結(jié)構(gòu)介紹
多參數(shù)光學(xué)液體分析儀的最主要結(jié)構(gòu)是一個(gè)3D打印的檢測(cè)池，配套的電路板設(shè)計(jì)能夠支持其光路發(fā)揮功能，如下圖（圖8）所示。其中，電路板上包含了必備的光發(fā)射與接收器件，ADPD4101芯片及其外圍電路，預(yù)留主控板接口用于連接ADUCM3029處理器的開發(fā)板，默認(rèn)是位于該電路板的下方。在使用時(shí)，計(jì)算機(jī)通過該ADUCM3029開發(fā)板上的USB接口實(shí)現(xiàn)供電和通訊。該方案平臺(tái)的ADI官方編號(hào)為CN0503，如需要測(cè)試評(píng)估該方案的實(shí)物，可以咨詢駿龍科技當(dāng)?shù)剞k事處。
圖8 光學(xué)液體分析儀方案平臺(tái)
具體分析其結(jié)構(gòu)，可以看到不同位置的發(fā)射與接收光器件。如下圖（圖9）所示，首先是在檢測(cè)池結(jié)構(gòu)的對(duì)向、側(cè)邊、底部分別都設(shè)置有部件安裝位置，接口為4pin排針。除了底部的4個(gè)光接收二極管是焊接在電路板上，其他位置的部件均采用可插拔式。下圖（圖10）為插拔部件實(shí)物圖，為采用4pin排座接口的小型電路板，其上焊接了LED或光接收PD。CN0503方案演示了多種測(cè)量參數(shù)，其配套了多種波長型號(hào)的LED發(fā)光板，在后文中會(huì)有體現(xiàn)，根據(jù)不同的測(cè)量指標(biāo)需求，需要更換不同波長型號(hào)的LED板。
圖9 檢測(cè)池光配件的安裝位置
圖10 LED光源板和光接收PD板
7.測(cè)量光路原理
通過檢測(cè)池的俯視解析圖，可以直觀看到該方案的平臺(tái)光路原理。如下圖（圖11）所示，檢測(cè)池分為4個(gè)獨(dú)立的光路通道，每個(gè)通道都需要配備比色皿支架，支架結(jié)構(gòu)中包含了聚光鏡、平板分光器、窄帶濾光器等等。檢測(cè)池底部的4個(gè)接收PD是用于吸光度檢測(cè)時(shí)的背景光參考，光源是自平板分光器分出的垂直90度光，這在前文的吸光度測(cè)量原理中進(jìn)行了介紹。在側(cè)邊位置的接收PD用于接收水平90度散射光，具體用于濁度和熒光測(cè)量。
圖11 檢測(cè)池結(jié)構(gòu)原理示意圖
下圖（圖12）為比色皿支架的結(jié)構(gòu)，其主要是將1mm長寬的透明比色皿固定于特定位置，而后引導(dǎo)光路進(jìn)行反射散射等。在正向光路路徑上，比色皿支架包含一個(gè)黑色圓柱體形狀的窄帶光濾波器，用于使光路更為潔凈，檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確，客戶在實(shí)際設(shè)計(jì)自己的方案時(shí)，也可以通過其他方法達(dá)到這一目的。在光路徑后段，可見一個(gè)平板分光器，它可以將射入的LED光分出一路垂直90度向下的光束，用于作為吸光度測(cè)量中的參考光，起到抗干擾作用。實(shí)際上，該方案實(shí)現(xiàn)環(huán)境光抑制的最重要原理是通過ADPD1401的脈沖式光源方案，其在無光源瞬間會(huì)采集PD信號(hào)，而后自動(dòng)與有光信號(hào)進(jìn)行相減補(bǔ)償。
圖12 比色皿支架結(jié)構(gòu)
在熒光測(cè)量時(shí)，水平90度側(cè)的接收PD前需要增加濾光片，如下圖（圖13）所示。這是由于被測(cè)物質(zhì)激發(fā)出的熒光往往非常微弱，此處PD接收的信號(hào)很有可能被散射光和環(huán)境光所淹沒。通過增加濾光片，可以讓熒光波長為主的光強(qiáng)進(jìn)入接收PD。
圖13 熒光測(cè)量光路原理
8.pH值測(cè)量試驗(yàn)
在pH值測(cè)量試驗(yàn)中，將顏色指示劑（溴麝香草酚藍(lán)）添加到不同 pH 值的溶液中，此時(shí)溶液的顏色將會(huì)因pH值的不同而顯示不同顏色，如下圖（圖14）所示。將溶液轉(zhuǎn)移到比色皿中，并在兩種不同的波長（430 nm 和 615 nm）下進(jìn)行測(cè)試。溶液中指示劑的吸光度會(huì)隨 pH 值不同而變化。使用CN0503方案平臺(tái)實(shí)現(xiàn)pH測(cè)量時(shí)，兩個(gè)不同波長的 LED 小板可以插入光路 2 和光路 3。然后將比色皿支架簡(jiǎn)單地移動(dòng)到這兩個(gè)光路中進(jìn)行測(cè)量。
圖14 不同pH值溶液的顯色效果
通過上位機(jī)軟件讀取數(shù)據(jù)，然后繪制成表格。下圖（圖15）繪制了分別使用兩種波長LED測(cè)量的 p值與吸光度的關(guān)系圖，這些曲線可以用于作為校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的曲線。通過圖上的標(biāo)準(zhǔn)pH數(shù)據(jù)點(diǎn)，添加趨勢(shì)線可以獲得校準(zhǔn)曲線方程。通過使用這些方程，就可以確定其他被測(cè)樣品的濃度。
圖15兩種光波長的pH與吸光度關(guān)系圖
9.濁度測(cè)量試驗(yàn)
下圖（圖16）所示為濁度測(cè)量的樣品圖，試驗(yàn)中是用530nm的光源在光路4通道中進(jìn)行的測(cè)量。在做標(biāo)定時(shí)，整體曲線按照低渾濁度、高渾濁度兩個(gè)區(qū)段考察，這是因?yàn)?90度的散射測(cè)量結(jié)果對(duì)高濁度的響應(yīng)較差。如下圖（圖17）所示，橫軸表示的是對(duì)射與散射的強(qiáng)度比率，較低的濁度范圍定義為0 NTU 到 100 NTU，較高的濁度范圍定義為100 NTU 到 750 NTU，然后分別對(duì)兩個(gè)區(qū)段進(jìn)行線性擬合。需要注意的是，兩段曲線數(shù)據(jù)之間是相互依賴的。第一段方程的結(jié)果是第二段方程 的輸入變量。存儲(chǔ)方程值后，第一段可作為校準(zhǔn)曲線測(cè)量低濁度樣品，第二段可作為校準(zhǔn)曲線測(cè)量高濁度樣品。
圖16 濁度測(cè)量試驗(yàn)樣品
圖17 濁度測(cè)量結(jié)果曲線圖
10.熒光測(cè)量實(shí)驗(yàn)
熒光是一種化學(xué)特異性，可用于識(shí)別溶液中特定分子的存在和濃度。在此試驗(yàn)中，使用菠菜汁代替熒光葉綠素，通過稀釋不同的濃度，制作成樣品進(jìn)行測(cè)量，如下圖（圖18）所示。熒光測(cè)量有許多應(yīng)用場(chǎng)景，例如生物測(cè)定、溶解氧、化學(xué)需氧量、牛奶巴氏殺菌有效率等。
圖18 不同濃度的菠菜液汁樣品
在本實(shí)驗(yàn)中，菠菜汁溶液是通過由打碎的菠菜葉與水混合制成的，然后將其固體過濾。使用本方案進(jìn)行熒光測(cè)量室，是使用光路1通道，LED波長選用了365 nm，并在光路上加入了窄帶濾光器。下圖（圖19）是菠菜汁濃度與熒光強(qiáng)度比率的圖線，通過曲線擬合，可以作為標(biāo)準(zhǔn)曲線，用于未知濃度樣品的測(cè)量。
圖19 菠菜汁濃度與熒光比率曲線圖
11.總結(jié)
使用光學(xué)手段進(jìn)行液體分析需要復(fù)雜的光路與電路結(jié)構(gòu)，ADI推出的光學(xué)模擬前端芯片，具備通道數(shù)多、自帶抗干擾的特點(diǎn)。其小巧的體積與業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的性能，為光學(xué)液體分析儀的小型化提供了可能性。ADI推出了具有實(shí)用意義的實(shí)驗(yàn)室級(jí)多通道液體分析儀方案，本文介紹了光學(xué)液體分析的基礎(chǔ)知識(shí)，并對(duì)該液體分析儀方案的結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行了詳細(xì)技術(shù)拆解與分析。欲了解更多技術(shù)細(xì)節(jié)方案和進(jìn)行評(píng)估測(cè)試，請(qǐng)聯(lián)系駿龍科技公司為您提供更詳細(xì)的技術(shù)解答。
參考文獻(xiàn)
[1] ADPD4100/1產(chǎn)品頁面：https://www.analog.com/cn/products/adpd4101.html
[2] CN0503應(yīng)用方案頁面：https://www.analog.com/cn/design-center/reference-designs/circuits-from-the-lab/cn0503.html
作者：王斌
下載ECAD模型
