采用激光散透技術(shù)實現(xiàn)設(shè)計牛奶成份檢測儀

1 、引言

牛奶在人們的生活飲食中越來越普遍，實時快速準(zhǔn)確的檢測牛奶成份對提高牛奶質(zhì)量和對實現(xiàn)乳業(yè)生產(chǎn)過程的自動化管理有重要意義。檢測牛奶成份的方法有多種，化學(xué)分析方法仍然是準(zhǔn)確度最高的檢驗方法，但是他很難適應(yīng)短時間測試的需要，物理儀器測試法主要有利用超聲波原理和光譜分析檢測，目前國外的技術(shù)相對比較成熟，但儀器昂貴，不可能在中國普及，特別不可能在中小企業(yè)和乳牛場使用。本文介紹的牛奶成份測儀采用激光散透比來檢測，精度比較準(zhǔn)確、成本較低。

2、 檢測原理

激光散透比檢測即用激光的入射平內(nèi)同時90°處的散射光光強(qiáng)Is和檢測0°處的透射光光強(qiáng)It的比值來表征測試牛乳蛋白質(zhì)含量的光學(xué)參量。但是由于牛乳中存在兩種散射大分子，所以很難準(zhǔn)確地單獨(dú)測出蛋白質(zhì)和脂肪含量。通過化學(xué)研究，找出一種快速蛋白質(zhì)熔解液(乙二氨四乙酸稀溶液)能夠把蛋白質(zhì)溶解為小分子，使牛乳稀溶液中只有脂肪是牛乳中的不溶的大分子測出脂肪，再測脂肪和蛋白質(zhì)兩相共存的牛乳稀溶液，通過建立理論關(guān)聯(lián)模型便可求出蛋白質(zhì)含量。在測量過程中光電流信號比較微弱，所以設(shè)計性能好的光強(qiáng)檢測電路是很重要的。此儀器電路設(shè)計最關(guān)鍵的部分就是光強(qiáng)采樣電路的設(shè)計，光強(qiáng)采樣電路的設(shè)計合理與否直接影響到牛奶成份檢測的準(zhǔn)確度和精度。牛奶成份檢測儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

從半導(dǎo)體激光器發(fā)出波長為635 nm的非偏振光，平行準(zhǔn)直入射試樣盒，在透射光和散射光方向用光電二極管將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。光強(qiáng)檢測電路由放大電路和A/D轉(zhuǎn)化電路組成，放大電路將由光電二極管轉(zhuǎn)化的微弱電信號放大為適合A/D轉(zhuǎn)化的模擬電壓。A/D轉(zhuǎn)化電路將模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。單片機(jī)是儀器的控制器，用于處理按鍵，讀取采樣值、計算并顯示測量結(jié)果。

3 、影響光電轉(zhuǎn)化輸出信號精度的原因

在此儀器的結(jié)構(gòu)圖可以看出，影響光電轉(zhuǎn)化輸出信號精度的因素有以下幾個方面：

(1)半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光具有不一致性，在一定的波長范圍分布;半導(dǎo)體激光器對溫度敏感，環(huán)境溫度的變化和注入電流的熱效應(yīng)都會使激光器的閾值電流以及輸出光功率發(fā)生變化。本儀器設(shè)計中采用分布反饋(Distributed Feed Back，DFB)半導(dǎo)體激光器，波長穩(wěn)定性好，溫度漂移約為0.08 nm/℃，頻率和強(qiáng)度噪聲低。

(2)光電二極管的性能參數(shù)直接影響輸出信號的穩(wěn)定性和精度。本儀器設(shè)計中采用日本濱松光子株式會社的S5226硅光二極管，該器件的性能參數(shù)如下：有效接收面積5.8×5.8 mm2;終端電容430 pF;分流電阻1 GΩ;暗電流100 pA;光譜響應(yīng)范圍190～1 000 nm;峰值靈敏度波長740 nm;峰值靈敏度約0.36 A/W;在635 nm處靈敏度約0.32 A/W;從以上參數(shù)可以看出，在激光發(fā)出的光的一致好的情況下，誤差是非常小的。

4 光電轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計

光電轉(zhuǎn)化電路將傳感器光電二極管輸出的微電信號放大，光電轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

硅光二極管處于反相偏置，使硅光二極管工作在其伏安特性的第三相限，光強(qiáng)與光電流呈線性關(guān)系，相對于零偏置這種形式的電路具有更低的噪聲和更好的線性度。由于硅光二極管輸出電流較小，因此為了減小運(yùn)放的偏置電流對測量的影響，必須選取低偏置電流的運(yùn)放;此外，溫漂、失調(diào)電流、失調(diào)電壓等參數(shù)也得考慮。綜合考慮，選用Maxim公司的ICL7650運(yùn)放，該芯片是利用動態(tài)校零技術(shù)和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放，輸入偏置電流在25℃時為1.5 pA、輸入失調(diào)電壓為1μV、失調(diào)電壓溫度系數(shù)為0.01μV/℃，輸入電阻可以達(dá)到10×12 Ω，此外其共模抑制比達(dá)到130 dB。ICL7650應(yīng)用時需接2個0.1 μF的調(diào)零電容，為了穩(wěn)定運(yùn)算放大器輸出信號的直流分量，需將鉗位端(CLAMP)連接運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端，這樣芯片會在輸出達(dá)到飽和之前，在鉗位端和輸出端之間建立一個電流通道，從而防止電荷在校零和寄存電容上繼續(xù)積累，減少電容的充放電恢復(fù)時間，使輸出電壓得到穩(wěn)定。由于是斬波穩(wěn)零器件該芯片內(nèi)部晶振產(chǎn)生200 Hz內(nèi)部節(jié)拍頻率，為減小輸出信號的噪聲，輸出端可接1個0.1μF的電容C4去除高頻信號。為防止產(chǎn)生自激振蕩在輸入與輸出之間接1個0.1 μF的補(bǔ)償電容C1，對于增益電阻可采用高精度的可調(diào)電阻，輸出信號幅度與R1成正比。R1取值大一些可以增加信噪比。但R1取值要受輸出電壓幅度的限制，通常的高分辨力的A/D轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓為3.3 V，其模擬量輸入范圍為0～3.3 V，為了與A/D轉(zhuǎn)換電路相切配，光電轉(zhuǎn)換電路的Uo輸出最好不應(yīng)超過3.3 V。

5、 A/D轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)化電路采用高精度的∑型A/D轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器件采樣頻率高。其芯片內(nèi)部主要由數(shù)字電路組成，模擬部分的電路較少，易于實現(xiàn)高精度，并且成本較低，廣泛應(yīng)用于儀器儀表，工業(yè)數(shù)據(jù)采集等場合。在本系統(tǒng)中，采用TI公司的ADS1100，ADS1100是精密的連續(xù)自校準(zhǔn)模/數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達(dá)16位的分辨率，封裝為小型SOT23-6。轉(zhuǎn)換按比例進(jìn)行以電源作為基準(zhǔn)電壓。ADS1100使用可兼容的I2C串行接口，在2.7～5.5 V的單電源下工作。ADS1100可每秒采ADS1100可每秒采樣8，16，32或128次以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。片內(nèi)可編程的增益放大器PGA提供高達(dá)8倍的增益，允許對更小的信號進(jìn)行測量，并且具有高分辨率。在單周期轉(zhuǎn)換方式中ADS1100在一次轉(zhuǎn)換之后自動掉電，在空閑期間極大地減少電流消耗。此外，可以將光強(qiáng)采樣電路裝入金屬屏蔽盒中，并就近安置在光電傳感器的輸出位置，通過兩線串行輸出接口與單片機(jī)電路相連接，這樣的設(shè)計將模擬與數(shù)字電路分開，盡量減小外界干擾帶來測量的誤差，提高測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。A/D轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)接口如圖3所示。

對ADS1100采取PCB布線技術(shù)相對容易一些，而且16位性能也不難達(dá)到。任何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器實際上只相當(dāng)于其基準(zhǔn)，對于ADS1100其基準(zhǔn)就是電源，因而電源必須足夠干凈，以達(dá)到期望的性能如果采用電源濾波電容器，則應(yīng)將該電容器置于靠近VDD引腳處，在電容器和VDD引腳之間沒有通路，引至該引腳的路徑盡可能寬。輸出數(shù)字量可以直接與MSP430系列單片機(jī)接口聯(lián)接，ADS1100外接元件很少，這樣簡化了系統(tǒng)設(shè)計，并可提高電路的可靠性。

6 、結(jié)語

通過對激光散透比法檢測牛奶成份方法的分析，對影響光強(qiáng)采樣電路的精度和準(zhǔn)確性的各種因素的分析，本采樣電路的設(shè)計方案可以滿足模擬信號精度的要求。此外，本測量方案使用斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放轉(zhuǎn)換器件ICL7650，提高了檢測的精度;使用高精度∑型A/D轉(zhuǎn)換器ADS1100，簡化了電路，提高了可靠性。

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