【正文】 …………………………………………21 測量實驗…………………………………………………………………………22 誤差分析…………………………………………………………………………24 小結(jié)………………………………………………………………………………24 7 結(jié)論…………………………………………………………………………………24 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………25 致謝……………………………………………………………………………………26附錄……………………………………………………………………………………26農(nóng)藥殘留光電快速檢測電氣系統(tǒng)的設(shè)計摘 要：傳統(tǒng)的農(nóng)藥殘留檢測方法主要有氣相色譜法、高效液相色譜法、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)、液相色譜一質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)等。農(nóng)藥的使用推動了農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，給人類帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)利益。農(nóng)藥在食物中的殘留，嚴(yán)重危害了人類的身體健康和生命安全。本實驗系統(tǒng)研制，將給科研和農(nóng)業(yè)檢測領(lǐng)域帶來一種高效快速的光電檢測方法，并為開發(fā)新的農(nóng)藥殘留檢測儀器提供了一種新思路和有效的手段，具有廣泛的應(yīng)用前景和潛在的經(jīng)濟(jì)效益[2]。將發(fā)光物質(zhì)和被測物質(zhì)混合，注入密封裝置，通過設(shè)計的光探測器檢測發(fā)光強(qiáng)度的變化，對所得信號進(jìn)行放大和濾波，用示波器測量輸出電壓，查看數(shù)據(jù)是否正確，波形是否存在失真，并進(jìn)一步調(diào)整元器件的參數(shù)；(5)根據(jù)測試所得數(shù)據(jù)建立農(nóng)藥濃度與光強(qiáng)(電壓)的數(shù)學(xué)模型；(6)根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，確定檢測驗證系統(tǒng)是否達(dá)到了設(shè)計要求，進(jìn)一步修正元件參數(shù)，直到符合要求。由基本物理觀點(diǎn)可知，I應(yīng)該正比于P，引入比例系數(shù)D，得： (2)式中D又稱為探測器的光電轉(zhuǎn)換因子。光信號的有無是由被測對象造成投射到光探測器上的光信號截斷或通過而產(chǎn)生。例如光電倍增管(PMT)或光電二極管等。例如，在紫外波段，選擇PMT或者專門的紫外光電半導(dǎo)體器件；在可見光波段，可選PMT、光敏電阻與Si的光電器件。這樣可以確保有足夠大的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)、線性范圍、信噪比和快速的動態(tài)響應(yīng)等。因為采用了二次發(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。如此繼續(xù)下去，每個光電子將激發(fā)成倍增加的二次發(fā)射電子，最后被陽極收集。最后,在高電位的陽極收集到放大了的光電流。管子在工作過程中輸出不穩(wěn)定的情況很多，主要有：、結(jié)構(gòu)松動、陰極彈片接觸不良、極間尖端放電、跳火等引起的跳躍性不穩(wěn)現(xiàn)象，信號忽大忽小。系統(tǒng)框圖如下：圖2 系統(tǒng)框圖Fig 2 Block Diagram of System(1)光電密閉容器: 其中放置石英杯(裝載發(fā)光物質(zhì)與農(nóng)藥的混合物)，光電探測器置于密封口出處；(2)光電探測器: 用于檢測光信號，并將之轉(zhuǎn)換為電信號；(3)前置放大電路: 對光電探測器檢測到得信號進(jìn)行放大；(4)濾波電路: 濾除電路中的噪聲；(5)主放大電路: 對信號進(jìn)行再次放大，使信號能夠被A/D轉(zhuǎn)換器接收到；(6)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路: 把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；(7)單片機(jī): 控制系統(tǒng)，使用戶AT89C51；(8)PC:即計算機(jī)。光電二極管將接收的光信號變成與之成比例的微弱電流信號，通過運(yùn)放和反饋電阻組成的放大器變換成電壓信號[7]。 噪聲分析首先，給出光電轉(zhuǎn)換電路的等效電路圖，如圖5所示：其中左端的電路是硅光電二極管的等效電路。第二種是T型電阻網(wǎng)絡(luò)的前置放大電路。這種電路具有降低噪聲帶寬而不影響信號頻帶的特點(diǎn)。而接在反饋電阻兩端的補(bǔ)償電容應(yīng)采用低泄漏的聚丙烯或聚苯乙烯介質(zhì)的電容器。圖9 電源的接地方式Fig 9 Grounding Method of Source 濾波電路為使電路具有良好的信噪比，對于從前置放大器輸出地電壓信號，必須進(jìn)行濾波處理。它包括了A/D轉(zhuǎn)換器，微控制器和計算機(jī)。TLC1549的工作原理是：在芯片選擇CS無效的情況下，I/OCLOCK被禁止且DATA OUT處于高阻狀態(tài)。它的引腳排列與8051相近[12]。該直流電源結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。對光電二極管、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)和電源的選型也都做了詳細(xì)說明。I/OCLOCK從主機(jī)串行接口接收長度在1016之間的輸入序列。 PC機(jī)的通信軟件PC機(jī)的通信軟件包括下列內(nèi)容(1)對1650以(串口芯片)初始化，即設(shè)置波特率(1200b/s)、數(shù)據(jù)位數(shù)(8位)、奇偶類型和停止位位數(shù)(l位)。繼而可以設(shè)置為數(shù)據(jù)傳送方式，開始與從機(jī)交換數(shù)據(jù)直到數(shù)據(jù)結(jié)束為止[15]。校驗回送碼為00H時表示發(fā)送正確，OFFH為錯誤，需要重發(fā)。魯米諾工作液:吸取50mL儲備液于500mL的容量瓶中，加入200mL的水，定容到500mL，搖勻，避光兩天后使用。根據(jù)已測數(shù)據(jù)，用最小二乘法進(jìn)行處理，其關(guān)系趨勢圖如下圖19所示。如選擇光敏性更好的光敏器件，并利用光纖進(jìn)行傳導(dǎo)，檢測精度將得到數(shù)量級的提高，而在數(shù)據(jù)采集上可以考慮使用數(shù)據(jù)采集卡，這是本系統(tǒng)以后的研究方向。：(1)系統(tǒng)測出的最低檢出限基本達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)，但在低濃度范圍內(nèi)靈敏度和線性度都較差；這表明系統(tǒng)中還存在噪聲信號的影響，電路在低噪聲設(shè)計上還應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)。其次，感謝領(lǐng)導(dǎo)們辛勤教導(dǎo)，他們四年來給予我們很多關(guān)心和支持。不管是論文的選題，還是論文的寫作，劉老師都給予了我辛勤的指導(dǎo)。同時電路設(shè)計也主要考慮了噪聲因素，進(jìn)行了濾除噪聲信號方面的處理。 小結(jié)，基本上能夠達(dá)到食品衛(wèi)生農(nóng)藥含量國家標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)零完成后，將魯米諾過氧化氫體系3mL加入石英杯中，將配置好的不同劑量的敵百蟲溶液2mL注入到裝有魯米諾過氧化氫體系的石英杯中，測出光強(qiáng)(電壓)變化。然后設(shè)置為產(chǎn)生數(shù)據(jù)方式，以便開始傳送數(shù)據(jù)。PC機(jī)開始設(shè)置為地址傳送方式。其軟件流程圖如16所示。在串行接口把CS拉至有效時，轉(zhuǎn)換時序開始，允許I/OCLOCK并使DAT AOUT脫離高阻狀態(tài)。 小結(jié)本章對光電檢測系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計。穩(wěn)壓與穩(wěn)流自動轉(zhuǎn)換的高精度直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，在穩(wěn)流狀態(tài)時，可設(shè)定穩(wěn)流工作點(diǎn)，穩(wěn)流時輸出的電流能在額定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。10位數(shù)據(jù)通過DATA OUT被發(fā)送到主機(jī)串行接口[11]。TLC1549的性能參數(shù)：，推薦值為5V；模擬輸入電壓范圍是0VCC；正基準(zhǔn)電壓，通常取VCC。圖11 主放大電路Fig 11 Main Amplification Circuit該放大電路的放大倍數(shù)為A=1+R12/R11其中R12為反饋電阻，R10=R11R12/(R11+R12)。如圖9所示。圖8 復(fù)合前置放大電路Fig 8 Compound Preamplification Circuit 防泄漏措施和接地從光電二極管出來的光電流是十分微弱的，如果電路板上再存在泄漏出去的路徑，就會使得流過反饋電阻的有效電流減小，這就大大降低了整個檢測電路的增益。本系統(tǒng)的前置放大電路選擇的是一種復(fù)合放大電路，如圖8所示。 前置放大電路的設(shè)計第一種前置放大電路是在光電轉(zhuǎn)換電路上的初步改進(jìn)，如圖6所示。由此式中可以看出，當(dāng)運(yùn)放的失調(diào)電壓與偏置電流都較小時，輸出電壓誤差才會減小。前置放大器品質(zhì)的優(yōu)劣勢整個信號處理系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。4 光電檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計本光電檢測系統(tǒng)采用的是光強(qiáng)型直接測量法，即將攜帶被檢測物理信息的光強(qiáng)，投射到光電探測器上轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大后直接采集數(shù)據(jù)。光電倍增管有兩個缺點(diǎn)：①靈敏度因強(qiáng)光照射或因照射時間過長而降低，停止照射后又部分地恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱為“疲乏”；②光陰極表面各點(diǎn)靈敏度不均勻。這些沖擊次極的電子能使次極釋放更多的電子，它們再被聚焦在第二次極。在各打拿極 DDD3…和陽極A上依次加有逐漸增高的正電壓,而且相鄰兩極之間的電壓差應(yīng)使二次發(fā)射系數(shù)大于1。這些光電子按聚焦極電場進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。這種情況應(yīng)考慮響應(yīng)時間段、上限頻率高的器件。CdSe光敏電阻成本低，廣泛用于光亮度控制(如照相自動曝光或路燈日光控制等)；光電池光敏面積最大，除了可作檢測器件，還能作太陽能變換器；硅光電二極管體積小、響應(yīng)快、可靠性高，而且在可見光與近紅外波段內(nèi)有較高的量子效率，在各種工業(yè)控制中廣泛使用；硅雪崩管增益高、響應(yīng)快、噪聲小，在激光測距和光纖通信中普遍采用。當(dāng)被測對象因?qū)獾姆瓷渎省⑼高^率變化或者是被測對象本身光輻射強(qiáng)度改變時，光信號的幅度亦會隨之改變。 光電探測器件的選擇選擇光電探測器件，主要可以從其接收光信號的方式、性能參數(shù)以及應(yīng)用匹配等方面來考慮。把光輻射