通過激光散透比的牛奶成份檢測(cè)儀的方案設(shè)計(jì)

一、引言

牛奶，是最古老的天然飲料之一。牛奶顧名思義是從雌性奶牛身上所擠出來的。在不同國(guó)家，牛奶也分有不同的等級(jí)，目前最普遍的是全脂、低脂及脫脂牛奶。目前市面上牛奶的添加物也相當(dāng)多，如高鈣低脂牛奶，就強(qiáng)調(diào)其中增添了鈣質(zhì)。

牛奶在人們的生活飲食中越來越普遍，實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確的檢測(cè)牛奶成份對(duì)提高牛奶質(zhì)量和對(duì)實(shí)現(xiàn)乳業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化管理有重要意義。檢測(cè)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(yàn)方法，但是他很難適應(yīng)短時(shí)間測(cè)試的需要，物理儀器測(cè)試法主要有利用超聲波原理和光譜分析檢測(cè)，目前國(guó)外的技術(shù)相對(duì)比較成熟，但儀器昂貴，不可能在中國(guó)普及，特別不可能在中小企業(yè)和乳牛場(chǎng)使用。本文介紹的牛奶成份測(cè)儀采用激光散透比來檢測(cè)，精度比較準(zhǔn)確、成本較低。

二、檢測(cè)原理

激光散透比檢測(cè)即用激光的入射平內(nèi)同時(shí)90°處的散射光光強(qiáng)Is和檢測(cè)0°處的透射光光強(qiáng)It的比值來表征測(cè)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(cè)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(cè)出脂肪，再測(cè)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(cè)量過程中光電流信號(hào)比較微弱，所以設(shè)計(jì)性能好的光強(qiáng)檢測(cè)電路是很重要的。此儀器電路設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的部分就是光強(qiáng)采樣電路的設(shè)計(jì)，光強(qiáng)采樣電路的設(shè)計(jì)合理與否直接影響到牛奶成份檢測(cè)的準(zhǔn)確度和精度。牛奶成份檢測(cè)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(zhǎng)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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。光強(qiáng)檢測(cè)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(hào)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(jì)算并顯示測(cè)量結(jié)果。

三、影響光電轉(zhuǎn)化輸出信號(hào)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(hào)精度的因素有以下幾個(gè)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(zhǎng)范圍分布；半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度敏感，環(huán)境溫度的變化和注入電流的熱效應(yīng)都會(huì)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(jì)中采用分布反饋（Distributed Feed Back，DFB）半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)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(hào)的穩(wěn)定性和精度。本儀器設(shè)計(jì)中采用日本濱松光子株式會(huì)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(zhǎng)740 nm；峰值靈敏度約0.36 A／W；在635 nm處?kù)`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。

四、光電轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計(jì)

光電技術(shù)是將傳統(tǒng)的光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的一種高新技術(shù)。 以光電轉(zhuǎn)換電路為核心的光電檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療和航天等諸多領(lǐng)域。 所謂的光電轉(zhuǎn)換是以光電二極管為基礎(chǔ)器件， 通過將照射于二極管上光通量的改變量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的光電流，再經(jīng)過前置放大、主放大等后續(xù)電路進(jìn)一步優(yōu)化有用信號(hào)， 最后實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)與相應(yīng)算法的連接。 由此可見， 任何光電檢測(cè)系統(tǒng)中， 光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化都是重中之重， 它性能的穩(wěn)定以及相關(guān)參數(shù)的合理性將決定著整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成敗。

光電轉(zhuǎn)化電路將傳感器光電二極管輸出的微電信號(hào)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(duì)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(duì)測(cè)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(dòng)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(shí)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(shí)需接2個(gè)0.1 μF的調(diào)零電容，為了穩(wěn)定運(yùn)算放大器輸出信號(hào)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(huì)在輸出達(dá)到飽和之前，在鉗位端和輸出端之間建立一個(gè)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(shí)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(hào)的噪聲，輸出端可接1個(gè)0.1μF的電容C4去除高頻信號(hào)。為防止產(chǎn)生自激振蕩在輸入與輸出之間接1個(gè)0.1 μF的補(bǔ)償電容C1，對(duì)于增益電阻可采用高精度的可調(diào)電阻，輸出信號(hào)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。

五、A／D轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)化電路。 亦稱“模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器”，簡(jiǎn)稱“模數(shù)轉(zhuǎn)換器”。將模擬量或連續(xù)變化的量進(jìn)行量化（離散化），轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量的電路。 A/D變換包含三個(gè)部分：抽樣、量化和編碼。一般情況下，量化和編碼是同時(shí)完成的。 抽樣是將模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化的過程； 量化是將模擬信號(hào)在幅度上離散化的過程； 編碼是指將每個(gè)量化后的樣值用一定的二進(jìn)制代碼來表示。

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(shí)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(chǎng)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(duì)更小的信號(hào)進(jìn)行測(cè)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(dòng)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(jì)將模擬與數(shù)字電路分開，盡量減小外界干擾帶來測(cè)量的誤差，提高測(cè)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(duì)ADS1100采取PCB布線技術(shù)相對(duì)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(shí)際上只相當(dāng)于其基準(zhǔn)，對(duì)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(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并可提高電路的可靠性。

a/d轉(zhuǎn)換器的功能是把模擬量變換成數(shù)字量。由于實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的工作原理和采用工藝技術(shù)不同，因此生產(chǎn)出種類繁多的a/d轉(zhuǎn)換芯片。a/d轉(zhuǎn)換器按分辨率分為4位。6位。8位。10位。14位。16位和bcd碼的31/2位。51/2位等。按照轉(zhuǎn)換速度可分為超高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間≤330ns），次超高速（330~3.3μs），高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間3.3~333μs），低速（轉(zhuǎn)換時(shí)間＞330μs）等。a/d轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換原理可分為直接a/d轉(zhuǎn)換器和間接a/d轉(zhuǎn)換器。所謂直接a/d轉(zhuǎn)換器，是把模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，如逐次逼近型，并聯(lián)比較型等。其中逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器，易于用集成工藝實(shí)現(xiàn)，且能達(dá)到較高的分辨率和速度，故目前集成化a/d芯片采用逐次逼近型者多；間接a/d轉(zhuǎn)換器是先把模擬量轉(zhuǎn)換成中間量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如電壓/時(shí)間轉(zhuǎn)換型（積分型），電壓/頻率轉(zhuǎn)換型，電壓/脈寬轉(zhuǎn)換型等。其中積分型a/d轉(zhuǎn)換器電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，切能作到高分辨率，但轉(zhuǎn)換速度較慢。有些轉(zhuǎn)換器還將多路開關(guān)?；鶞?zhǔn)電壓源。時(shí)鐘電路。譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)芯片內(nèi)，已超出了單純a/d轉(zhuǎn)換功能，使用十分方便。

六、結(jié)語

通過對(duì)激光散透比法檢測(cè)牛奶成份方法的分析，對(duì)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(jì)方案可以滿足模擬信號(hào)精度的要求。此外，本測(cè)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(cè)的精度；使用高精度∑型A／D轉(zhuǎn)換器ADS1100，簡(jiǎn)化了電路，提高了可靠性。