新型光电比色计的研制及应用

唐卫群

（江苏联合职业技术学院无锡机电分院， 江苏 无锡 214028）

一、引言

光电比色计是一种基于分光光度法建立起来的检测仪器，多用于食品安全检测和医药生化检验等方面，如测定合成色素、农药残留、核酸、蛋白质等溶液中物质的含量，是生化分析仪的核心部件，目前普遍应用于化工、医药、环境科学等研究领域。

传统的光电比色计由于大多采用滤光片分光，无法实现多个波长同时检测，检测效率低。而且，传统光电比色计的自动化程度比较低，样品前处理、进样、采样、比色、清洁和数据处理等操作都需要检测人员的干预，因此检测人员主观因素引起的误差较大，仪器操作也存在一定的局限性。随着社会进步和人们生活水平的提高，传统光电比色计的检测速度、准确性以及灵敏度等主要性能都已经无法满足当前食品安全检测的需求。

近年来，光学技术、现代电子技术迅速发展以及新型半导体器件的广泛应用，带动了光电检测仪器的技术革新和更新换代。本文提出了一种基于线阵CCD和平场全息凹面光栅相结合的设计方案，对传统光电比色计进行了全面改进。

二、新型光电比色计的设计方案

（一）整体设计思路

新型光电比色计由光学模块、CCD检测器件、信号采集模块和控制传输模块等主要部分组成，其结构框图如图1所示。

工作原理：全光谱光源发射的光，经过光纤束传输并照射到盛放待测溶液的比色皿上，透过比色皿的光进入分光系统的狭缝，经分光系统色散后光线成像在CCD平面上；光谱信号通过CCD器件的光电转换成为相应的电信号；CCD器件输出的模拟信号，经A/D转换为数字信号；数字信号存入缓冲寄存器，在指令脉冲的作用下，系统将数据缓冲寄存器中的数据通过USB总线或者网络接口传送到PC机，由PC机作进一步的数据分析、计算，最终绘制出光谱曲线，并显示输出结果。

（二）光学模块

光学模块包括光源和照明系统、光纤接口、分光成像系统三个组成部分。光学模块完成的工作是：采用光纤导光技术，将光源发出的光导入分光系统，通过光栅分光系统得到全光谱的单色光，并在CCD感光面上成像。光学模块的结构示意图如图2所示。

1.光源和照明系统

对于光学模块选用何种光源，主要考虑的方面是光源的波长范围，光源应该有尽可能宽的波长范围，并且在每个波长上都有足够的能量[1]，使整个系统获得较高的信噪比。

系统选用了飞利浦G4型（色温为6500K）卤素灯[2]作为系统光源，它具有色温稳定、无光衰，使用寿命长等优点，其波长范围几乎可以达到整个可见光的波段范围，符合系统整体供电的设计要求。此外，它采用石英泡壳，具有最佳的光束性能和很高的强度，能够输出稳定的高光强的光，而且体积小，符合系统微小型化的设计要求。

2.光纤导光

照明系统的作用是把光源发出的光能量传输到系统后续模块中，为了减小仪器体积、实现系统微型化的要求，我们把照明系统和分光系统分开，使用时通过光纤接口把两者连接起来。

系统使用SMA905光纤接口[3]，它具有耦合性好、通光率高等优点，而且其纤径很细，在利用光纤导光传光时，可以将系统的光源视为点光源。此外，由于目前市场上许多光源系统都采用SMA905光纤接口，因此检测人员可以根据实际的检测要求，任意选择合适的装置，也就是说，一台仪器可以选配多个光源系统。

3.分光成像系统

新型光电比色计采用光栅分光，其优点在于光栅的角色散率是常数，不因波长的改变而改变，在整个光谱范围内能够实现线性的光谱色散。并且，光栅分光不需要机械组件配合，因此不会产生因机械转动带来的检测误差。

系统采用平场全息凹面光栅分光技术，其结构如图3所示。从图中可以看出，入射狭缝射入光路系统的光线只经过一次反射，就到达光电检测器件的感光面，提高了系统的光通量，避免了光线在多次的反射和吸收过程中造成的能量损失，光路结构简单、器件少[4]。此外，当平场全息凹面光栅分光系统与光电检测阵列器件结合使用，将更大地发挥两者的优势，尤其是能够获得更大的波长输出范围，并使得按波长顺序排列的各个单色光波长的光谱成像均在一个平面内。

除以上优势外，平场凹面光栅分光系统还兼有准直、聚焦、衍射的作用，具有低杂散光、高信噪比、高分辨率、像差小等优点，能够显著改善系统的信噪比。

（三）光电检测器件

光电检测器件及其信号采集电路是光电比色计的核心部分。系统采用电荷耦合器件CCD作为光电检测器件。CCD属固体图像传感器，是一种新型的半导体阵列器件，具有光谱响应范围宽、灵敏度高、噪声低等显著优点，并且线阵CCD器件具有光积分可调功能，在对弱光谱信号采集时具有突出的表现。基于整体设计要求，系统选用了SONY公司的ILX554B线阵CCD。

SONY—ILX554B线阵CCD的特点：①具有2087个光敏单元，其中2048个有效单元；每个光敏单元的尺寸为14μm×56μm，相邻两个单元之间的中心距为14μm，光敏单元的总长为28.7μm。②ILX554B是一种单沟道型线阵CCD[5]，即只有一个转移栅和一个模拟移动寄存器，可以有效降低光敏单元的不均匀性和扩大动态响应范围，且像素质量高，有较高的分辨率，其光学分辨率为5.5～10nm（FWHM），响应范围在400nm～1000nm。③内置集成有定时脉冲发生器和时钟驱动器，内置采样保持电路，驱动简单，使用方便。

（四）信号采集电路

系统的信号采集电路采用分离模块搭建的，包括CCD器件驱动电路、调理电路和A/D转换电路等主要部分，其结构示意图如图4所示。

其工作流程是：在驱动脉冲的控制下，CCD器件接收来自分光成像系统的光信号，并将之转换为便于处理和显示的电信号；CCD输出的模拟电信号经过调理电路进行抑制噪声、滤波放大等处理后送入A/D转换电路，由A/D转换电路进行采样量化处理，最后，通过LCD液晶屏显示，并通过USB接口或者网络总线传送给上位机，对信号进行综合分析、计算、控制和输出等处理。

系统对检测结果显示的要求是，在人机界面上，把与被研究对象相关参数的数值或图形直观显示出来。因此，当检测项目为某溶液浓度时，系统将显示该被测溶液在整个波段范围的吸收光谱，检测人员可以清楚地读取其溶液的最大吸收峰波长及其波长下的吸光度值，也可以直接读取任一单色光波长的吸光度值，其检测的优越性大大超越了传统仪器的表现。

1.驱动电路

驱动电路的作用是产生符合CCD工作时序要求的驱动脉冲信号和时钟控制信号，使CCD能够在设定的程序下完成信号电荷的产生、存储，并输出信号电压。CCD的驱动脉冲[6]通常有两种实现方式，其一是利用微处理的定时器或者指令来产生所需的驱动脉冲，其二是通过逻辑可编程器件来实现。本系统采用可编程逻辑器FPGA（Field Programmable Gate Array）来实现驱动，利用FPGA芯片除了产生CCD驱动时序脉冲外，还同时承担了A/D控制时钟、缓存读取控制信号等。此外，采用FPGA的优点还在于，驱动频率及积分时间用户可以手动设置。

2.调理电路

CCD是一种功耗较低的器件，输出信号电压较低，不能直接作为后续处理电路的驱动信号，因此CCD器件的输出端与A/D转换器的输入端之间的连接，还要考虑两者之间电压的匹配问题，而且，在实际电路中，CCD的负载还会随A/D电路输入端的等效阻抗的变化而产生变化[7]。此外，系统信号调理电路，还要实现输出电压滤波放大、各电路之间的阻抗匹配，以及噪声抑制等功能。

3.A/D转换电路

A/D转换电路是信号采集模块的一信重要组成部分，其功能是完成CCD输出信号的从模拟量到数字量的转换。对于A/D芯片的选择，除了要考虑其采样频率、分辨率及电压范围等主要参数外，还要考虑其电压调节范围、线性度等性能。

系统选用了AD公司的AD9243芯片，它是一款14bit、3MHz、单劲电源供电的完整的单片模数转换器（ADC），具有高速度、低成本、高分辨率等特点，片内有采样保持放大电路和可编程基准电压源。

AD9243在信号采集电路中负责完成将CCD器件输出的模拟信号转换为数字信号。AD转换的时钟和CCD的驱动脉冲，都由FPGA通过对CCD主时钟脉冲信号进行分频处理来实现，因此可确保AD芯片与CCD输出信号的精确采集。经A/D转换后的14位数字信号，以单帧格式送入FIFO缓存，并通过USB接口向上位机进行传送，由FPGA芯片生成的逻辑电路可以精确地实现A/D向FIFO传输数据的对应时序关系。

（五）控制传输模块

FPGA（Field Programmable Gate Array），称为现场可编程逻辑器件，是目前流行的大型逻辑可编程阵列器件的一种。新型光电比色计采用FPGA作为控制电路的核心器件，负责系统总体控制和数据传输，以及系统所有驱动和时序信号的产生控制。控制电路设计简单、灵活、容易调试，并且可靠性和稳定性都高，能够实现快速传输和在线实时调整。

基于FPGA的控制系统的结构如图5所示。

FPGA在系统控制中的主要功能是：

——产生CCD器件的驱动时序和时钟脉冲；

——实现A/D转换器的驱动时序；

——实现与USB传输端口连接的时序；

——提供内部FIFO存储器，供光学系统采集到的数字信号暂存，并完成FIFO缓存器数据读取地址的编码。

三、应用与分析

（一）溶液浓度检测

使用新型光电比色计，准确实现了对柠檬黄、胭脂红和亮蓝等几种常用人工合成色素溶液浓度的检测。

以柠檬黄色素溶液浓度检测为例。首先，配制柠檬黄系列标准溶液，通过光电比色计得到其吸收光谱，如图6所示。然后，观察柠檬黄溶液对整个可见光波长范围内的吸收情况，在其最大吸收波长426nm下读取吸光度，并在表1中记录数据。同样的方法，逐个测出配制的系列标准溶液在426nm处的吸光度，同样在表1中记录数据。最后，对数据进行线性回归，绘制柠檬黄溶液的溶液（c）——吸光度（A）线性回归曲线，如图7，并得到线性回归方程。

表1 检测不同浓度的柠檬黄溶液的吸光度

结果表明，柠檬黄的线性回归方程为y=32.09x-0.0061，R2=0.9983。标准工作曲线的斜率就是它在最大吸收波长下的吸收系数，即k=32.09（l·g-1.cm-1），实验值与文献所述值基本相符。

按照同样的方法，对胭脂红和亮蓝等几种色素溶液进行检测，检测结果表明，几种色素溶液的浓度与其吸光度呈良好的线性关系，如表2所示。

表2 三种色素溶液的线性相关度比较

胭脂红亮蓝y＝29.52x＋0.0149 0.9984 y＝121.51x－0.0089 0.9982

（二）性能检测

质量是检测仪器的生命线，仪器的研制不仅要求仪器性能的先进性，更看重仪器的可靠性和稳定性。

通过对仪器精密度、稳定性、示值误差、重复性和灵敏度等几种主项性能指标进行检测，发现均达到设计要求，且符合行业标准。

四、结论

本文采用新型半导体阵列器件与当前先进的微型光谱仪模块相结合，实现了对传统光电比色计的全面改进。①分辨率高。光学系统中无机械运动部件，简化了光路，提高了系统的分辨率和稳定性。同时，大大缩小了仪器体积，便于实现微型化、便携式。②检测速度快。系统除了采用FPGA技术有效地对光谱信号进行高速采集外，还运用了USB2.0总线技术，提高了采集模块与上位机的通讯时间，具有较高的处理速度。③动态范围大。采用CCD阵列器件作为检测器件，能获取全波段光谱信号，实现实时在线检测，动态范围大。④可扩展性。采用模块化设计，各模块尽量选择有代表性的电路，具有良好的可扩展性强，并且系统扩展与I/O的配置充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，方便日后的优化和升级。

此外，新型光电比色计还具有较高的精确度，更广的测量范围，且性能稳定可靠。

[1]万 峰，范世福.Hamamatsu图像传感器及其在紫外可见光谱测量中的应用[J].分析仪器,2006，（1）.

[2]鞠 挥.用于生化分析的光谱仪微小型化的研究[D].中国科学院研究生院，2002.

[3]Li Wen hao,Bayanheshig,Yu Hong zhu et al.Application of photoresist melting method to the fabrication of holographic grating[C].Proc SPIE,2005:6024-6042.

[4]Cheng Liang,Chen Yan-Ping,Zhu Ruo-bo,et al.Design and Realization of Micro Fiber Spectrometers for Bioluminescence Detecting Systems'Stray Light Detection[C].IEEE Proceedings of the International Symposium on Bio photonics,Nano photonics and Met materia1s,2006,34（28）:122-125.

[5]王海涌,申功勋,张秀杰.基于线阵CCD的长距离传输外总线的设计[J].电子技术与应用,2004,（4）.

[6]JEON J W,KIM Y K.FPGA based acceleration and deceleration circuit for industrial robots and CNC machine tools.Mechatrionics,2002,12,（4）.

[7]石 振.多线阵CCD姿态测量系统的数据采集与处理[D].哈尔滨工业大学,2010.