藻類(lèi)含量測量?jì)x的設計與實(shí)現

　　摘要：水華是嚴重的水體災害?，F階段，對于水華，人類(lèi)缺少有效的治理手段。實(shí)時(shí)地監測水體中各種藻類(lèi)的密度，意義重大。本文采用正弦調制、高速USB數據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，完成了藻類(lèi)含量測量儀的設計與實(shí)現。儀器通過(guò)數字正弦信號發(fā)生器和LED電流驅動(dòng)器，產(chǎn)生正弦變化的電流驅動(dòng)超高亮LED，從而實(shí)現了對熒光激發(fā)光的正弦調制;通過(guò)高速USB數據采集卡進(jìn)行信號采集，然后通過(guò)離散互相關(guān)運算實(shí)現了軟件對信號的處理。

　　引言

　　隨著(zhù)人口增長(cháng)和經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展，水污染問(wèn)題日益嚴重，水環(huán)境問(wèn)題成為非常重要的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，并影響到全球國家的經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展。目前，我國湖泊、水庫富營(yíng)養化嚴重。隨著(zhù)水質(zhì)富營(yíng)養化程度加重，當淡水水體中浮游植物爆發(fā)性繁殖并聚集時(shí)，會(huì )產(chǎn)生水體變色的現象，這種現象叫“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(lèi)的爆發(fā)性增殖，因此，只要使用藻類(lèi)含量測量儀實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測重點(diǎn)湖泊和水庫的各種藻類(lèi)含量動(dòng)態(tài)，在水體中藻類(lèi)有爆發(fā)性增殖的趨勢之前，采取對策，就能有效預防水華的發(fā)生。

　　進(jìn)入21世紀以來(lái)，我國很多高校及科研院所進(jìn)行了藻類(lèi)含量測量儀的研制。但是，目前我國還沒(méi)有可以應用在水體藻類(lèi)實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測的產(chǎn)品。

　　現有的藻類(lèi)含量測量產(chǎn)品在水樣中葉綠素濃度低于1μg/L時(shí)測量精度很低。本文基于葉綠素熒光效應，采用正弦調制、高速USB數據采集卡和離散信號軟件處理的儀器方案，完成了藻類(lèi)含量測量?jì)x的設計與實(shí)現。

　　系統結構

　　藻類(lèi)含量測量?jì)x的系統框圖如圖1所示。

　　磁力攪拌器的作用是，保證藻類(lèi)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(lèi)的水體樣品產(chǎn)生熒光效應的激發(fā)光，共有3個(gè)發(fā)出不同波長(cháng)光的LED，分別為藍色(中心波長(cháng)460nm左右)、綠色(中心波長(cháng)530nm左右)和黃色(中心波長(cháng)595nm左右)。

　　THORLABS公司的LD3000電流驅動(dòng)器是用來(lái)驅動(dòng)LED的，電流最大可達到2.5安培。它相當于一個(gè)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電流驅動(dòng)器。

　　藻類(lèi)含量測量?jì)x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(kāi)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(lèi)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(shí)為光電倍增管提供增益調節。

　　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變?yōu)殡妷盒盘?，然后進(jìn)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(jìn)行AD轉換，并對信號AD轉換得到的數據進(jìn)行保存，并在對信號進(jìn)行了一定時(shí)間的采集后，通過(guò)USB接口將采集到的數據傳送給便攜式電腦，以供后續計算使用。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(lèi)含量測量?jì)x配套軟件，通過(guò)USB接口與信號采集卡和藻類(lèi)含量測量?jì)x控制卡進(jìn)行通信。藻類(lèi)含量測量?jì)x配套軟件的作用包括，測量中與藻類(lèi)含量測量?jì)x互相發(fā)送和接收“握手信號”，控制信號采集卡采集數據，并讀取信號采集卡采集到的數據，存入相應的文件中，對存儲到文件中的信號數據與參考正弦信號數據進(jìn)行處理，得到熒光信號幅值，然后求得水體中3種藻類(lèi)分別的含量，并進(jìn)行顯示。