高精度光度計的研制

魏世龍 曾國強 梁偉忠 劉 輝

(成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059)

高精度光度計的研制

魏世龍 曾國強 梁偉忠 劉 輝

(成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059)

為盡可能地縮小儀器的體積，簡化儀器的復雜度，使儀器更加輕巧、易于攜帶，設計了一種波長為520 nm的便攜式高精度專用光度計。其采用高共模抑制比的差動放大器AD8276構成高穩定度恒流源，使用數字式光電傳感器TSL2561作為光強度檢測元件，選用隔離器ADuM1201與上位機隔離交互通信，將測量數據通過串口發送到上位機供用戶處理。通過連續48 h的測試，數據波動程度小于0.1%，該光度計能夠滿足專用光度計的要求。

光度計 光照度傳感器 隔離電源 恒流源 隔離通信

0 引言

光度計又稱分光光度計，是一種利用比色光譜分析原理對物質進行定量定性分析的儀器。傳統的分光光度計體積龐大而笨重，機械設計較為復雜，難以滿足儀器便攜的需求；同時價格不菲，不利于推廣[1]。本設計主要針對上述傳統分光光度計的不足進行硬件上的改進，設計了一種體積小、電路結構簡潔、波長為520 nm的專用光度計，并配套上位機軟件，可測定特定溶液的濃度。

1 系統總體思想和結構簡介

光度計對溶液濃度的分析方法是根據溶液對特定波長光的選擇性吸收的特性而建立的。由于不同物質分子的組成和結構不同，它們所具有的特征能級和能級差也不同，而各物質只能吸收與它們分子內部能級差相當的光輻射，所以不同物質對不同波長光的吸收具有選擇性[2]。分析溶液的濃度與吸收光度有關。物質之所以有顏色，是它對不同波長的可見光具有選擇性吸收的結果，且其呈現出的顏色恰恰是它所吸收光的互補色，溶液顏色的深淺，決定于溶液吸收光的量的多少，即取決于吸光物質濃度的高低。所以溶液濃度越大，吸光度越大，可據此做定量分析。

傳統的分光光度計由光源、單色器、吸收池、檢測器、處理器組成，如圖1所示。

圖1 分光光度計結構圖

傳統的光源有鎢燈、鹵鎢燈、氙弧燈、氘燈、汞燈、氙燈、激光光源等。最常見的是鹵鎢燈，但是鹵鎢燈光源自身體積較大，正常工作還需外加驅動電路與散熱電路，因而總體積更大，不利于儀器整體小型化。傳統光度計光源中，鹵鎢燈的替代方案是氙弧燈，它能產生較寬的能量輸出，但由于氙弧燈源需要高電壓，同樣難以小型化。傳統分光光度計的結構決定了儀器體積大的特點。

單色器是傳統分光光度計的關鍵部件，其作用是將來自光源的混合光分解為單色光，并提供所需波長的光。

2 電源管理與隔離

電源電路是系統的心臟。對于精密儀器來說，供電電源常常是產生噪聲的根源之一[3]。本設計對于電源的要求是：隔離、降壓。電源隔離可以抑制市電給整個系統帶來的噪聲，消除了接地回路的干擾，同時還起到防雷電的作用。此外，經過隔離降壓后，產生兩路電源：一路用于數字電路，為控制器和數字式光強度傳感器TSL2561等供電；另一路用于模擬電路，為恒流源提供電源。

電源電路采用隔離DC-DC模塊，將市電和系統供電隔離開，以抑制市電給整個系統帶來的噪聲，同時消除接地回路的干擾。電源電路提供3種電壓：3.3 V、5 V、6 V。3.3 V電壓供給主控制器電路、LED控制電路和光電檢測電路；5 V電壓供給串口通信和串口隔離電路；6 V電壓供給恒流源電路。

具體的電源管理電路結構如圖2所示。

圖2 電源模塊框圖

外部電源由12 V/1 A的適配器接入。由于恒流源電路的需要，采用的DC-DC隔離穩壓模塊為6 V輸出。3.3 V和5 V的電壓由6 V電壓降壓得到。

3.3 V電源用于給數字電路部分供電，由于數字部分的功耗非常小，最簡單的方案是直接選用高性價比的電源管理芯片AMS1117-3.3。

5 V電源用于恒流源電路部分，使用TI的Webench，以電源芯片TPS54062為核心設計，該電路輸出為5 V/30 mA。

3 恒流源與光源

目前，在分光光度計光源上得以普及的一種光源是LED源。LED發光源具有體積小、發熱量低、工作電流小、工作電壓小、輸出穩定、使用壽命長達10萬個小時的特點，最重要的是單色LED能夠發射出較為純凈的單色光譜。由于LED是一種電流通過時發射一特定頻帶的光的半導體裝置，因此不同的LED有不同的發射頻帶[4]。

此外，以單色LED代替傳統分光光度計的光源和單色器，將大大簡化儀器的機械結構,并且極大地縮小了儀器的體積和質量,實現了儀器的微型化。

本設計的基本組成為：LED光源、吸收池、檢測電路、主控制電路和上位機軟件。其中最為核心的部分為LED光源，LED產生的單色光光源的穩定性將直接決定后續檢測電路輸出的數字信號的穩定性。如果LED發射的單色光不穩定，那得到的檢測數據將有很大跳動，這種跳動是軟件無法處理的，會直接影響到儀器的線性度。LED單色光源的穩定性是由它的控制電路的穩定性決定的，要求流過LED的電流必須具備高穩定度。

LED光源的驅動電路通常有兩種：恒壓源驅動、恒流源驅動。考慮到不同波段LED自身的壓降是不同的，這就需要一種波段的LED使用一種恒壓源，但顯然這是不現實的。由于LED的光強與流經自身的電流大小成正比，因此采用不同波段的LED復用同一恒流源是可行的。

設計要求恒流源具備高度穩定性。恒流源電路有很多種方式實現，但影響恒流源穩定性的主要因素有電壓基準源、噪聲、溫度。在此不強調恒流源的精度，只需確保恒流源的輸出電流高度穩定便可。選取合適的電壓基準源是恒流源穩定的第一關。為了最大程度減少溫度和噪聲的影響，恒流源要有良好的共模抑制能力。對于運算放大器構成的恒流源來說，這就要求運算放大器有很高的共模抑制比(CMMR)[5]。

差動放大器具備很好的共模抑制比，將差動放大器用于高穩定度恒流源是很好的選擇。

恒流源電路是除了電源之外最為關鍵的部分。為保證比色分析的精度和穩定度，作為光源的發光二極管的發光強度要始終保持恒定不變，即不會隨溫度的變化而變化。

對于要求高穩定度的恒流源，要特別考慮溫度和噪聲的影響。溫度和噪聲屬于共模信號，因而必須選擇具有高共模抑制比的運放來設計恒流源。運算放大器中的差動放大器的共模抑制比需求抗干擾能力更強，因此選擇差動放大器來設計高穩定度恒流源，電路結構如圖3所示。

圖3 恒流源電路

差動放大器選擇AD8276，其共模抑制比高達90 dB，具有軌到軌輸出特性，可采用2.7～36 V電源供電，典型增益漂移為1×10-6K。該器件內置4個40 kΩ激光調整電阻，分別與輸入引腳、REF引腳和SENSE引腳相連，它的最大失調電壓漂移為5 μV/℃，最大增益漂移為10×10-6K。

4 傳感器與光電檢測

在傳統的分光光度計中，常見檢測光照度的傳感器有硅光電二極管、光敏二極管、光敏三極管、線性CMOS光電傳感器等。這些傳統的傳感器需要設計前端模擬信號調理電路，增加了系統的復雜度。

檢測光照度的傳感器中有一種集成數字式光強度傳感器，直接輸出數字信號，無須額外設計前端模擬信號調理電路，使光檢測穩定可靠，簡化了系統設計。

可供選擇的集成數字式光強度傳感器為TAOS公司的TSL2561，該傳感器采用I2C總線進行數據傳輸[6]。TSL2561具備高速、低功耗、寬量程、可編程、配置靈活的強度數字轉換芯片，內部結構如圖4所示。其主要特點：① 可編程設置許可的光強度上下閾值,當實際光照度超過該閾值時給出中斷信號;② 模擬增益和數字輸出時間可編程控制;③ 自動抑制50 Hz/60 Hz的光照波動。

圖4 TSL2561內部結構圖

該芯片體積小，成本低，已在光強監測控制領域得到廣泛應用。

5 系統控制與上位機設計

本設計的控制部分較為簡單，選擇一個基本功能齊全的MCU便可。

控制器電路是整個電路的控制中心。它負責控制恒流源開通和關斷來間接的控制LED的亮滅；接收來自光電檢測電路的數據，進行簡單處理運算；將數據通過串口傳給計算機。

主控制器采用TI公司的超低功耗微處理器MSP430G2553。該控制器體積小，同時具有串口、定時器等外設功能，完全能夠滿足本設計的要求。

通過串口可以將采集到的數據傳送到計算機，通過計算機對數據進行一系列的分析，測定溶液的濃度。串口通信電路也需要隔離，通過將外部電源和系統電源隔離，可避免外部噪聲對系統的干擾，隔離芯片ADuM1201的內部結構如圖5所示[7]。這部分電路的關鍵是數字式隔離器的選型，要求隔離器的功耗不能太大。

圖5 ADuM1201隔離示意圖

6 結束語

隨著科技的進步，分光光度計的技術工藝也不斷提升。利用LED燈作為光源的分光光度計早有先例，本系統也是順應這一趨勢而作的改進。本系統設計的分光光度計有兩點創新：一是設計了一種穩定度極高的恒流源，確保了單色LED等光強的穩定性，每隔30 s測量一次數據，波動范圍小于0.1%；二是使用數字式光強度傳感器TSL2561，代替了傳統的信號調理電路，極大地減少了設計的復雜度，優化了儀器的測量精度。

[1] 秦鯤,曾國強,徐進勇,等.一種新型便攜式高精度數字比色儀[J].自動化與儀表,2012(4):14-17.

[2] 沈曉偉,黃梅珍,韓振興,等.便攜式多功能比色儀的研制及實驗[J].上海交通大學學報,2009(1):153-156.

[3] 孫堅,王瑛輝,鐘一虓,等.超級隔離電源的研究[J].工業計量，2014，24(1):68-69.

[4] 劉煜原,羅毅,韓彥軍,等.LED波長一致性和溫度均勻性對背光源色差的影響[J].半導體光電，2010，31(1):104-107.

[5] 劉艷,汪毅,賈雯杰,等.一種常見精密恒流源的改進與應用[J].電測與儀表,2011(4):93-96.

[6] 姜連祥,汪小燕.基于光強傳感器TSL256x的感測系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2006(12):43-45.

[7] 李英,徐釗.采用ADuM1201的CAN總線隔離方法[J].單片機與嵌入式系統應用,2006(4):45-47.

Research and Development of the High Precision Photometer

In order to greatly reduce the volume of instrument and simplify the complexity of instrument, to make the instrument more lightweight and easier to carry, the portable dedicated high precision photometer with 520 nm of wavelength has been designed. In this instrument, by using high common mode reject ratio differential amplifier AD8276, the highly stable constant current source is built, and the digital optical sensor TSL2561 is used as the light intensity detection element; the isolator ADuM1201 is selected to implement isolated interactive communication between instrument and host computer, to send the measured data to host computer via serial port for user to process. The 48-hour test shows that the degree of fluctuation of data is less than 0.1%, this meets the requirement of dedicated photometer.

Photometer Light illuminance sensor Isolated power supply Constant current source Isolated communication

魏世龍(1992-)，男，現為成都理工大學測試計量技術與儀器專業在讀碩士研究生；主要從事核儀器開發方面的研究。

TH833

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509025

修改稿收到日期：2014-08-27。