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作者：骏龙科技现场应用工程师
pH值、浊度等指标是常见的液体分析需求，传统的光学原理液体分析仪器都是庞大的实验室设备，做一次液体分析常常耗时一天。ADI推出了高集成化的光学传感前端芯片，让此类仪器的体积可以做到手掌大小。本文将为大家具体介绍光学液体分析仪的光路与电路结构原理，并对ADI推出的4通道液体分析仪方案进行深入解析。
1.光路与电路结构
在所有液体分析手段中，光学是最理想的方法之一，它具有高精度、非接触、无损耗的显著优势。受其原理所限，一条完整的检测通道需要复杂精密的光路结构与配套电路，包括特定波长的光源、光路分光器、用于抗干扰的斩光器、样品比色容器、光接收器件与电路、电信号调理和采集分析等，如下图（图1）所示。此外，不同测量指标所需的光波长和光路是有区别的，一台液体分析仪器中需要集成多个通道，因此，传统光学原理的液体分析仪器体积庞大。
对于电路结构，液体分析仪器的发射端需要光源驱动、斩光控制电路等。接收端需要光电二极管接收、信号放大、滤波器、模数转换等模拟电路，以及后端用于控制和运算分析的数字电路。
图1 用于液体分析的光路与电路结构
2.吸光度测量方法
吸光度测量是液体分析中最核心的步骤。这种方法被称为比色法，根据比尔-朗伯定律的原理，液体中特定物质的浓度与吸光度是正相关的。另外一种衍生方法，是在溶液中加入特定显色剂，通过测量溶液颜色变化来分析液体指标，例如pH测量。
下图(图2)为细化的单通道溶液吸光度测量光路示意图。入射光束被分光器分成两路—参考光束与测量光束。参考光束是直接进入接收二极管，而测量光束是经由样品再进入接收二极管。由于两条相同的接收路径同时对测量光束和参考光束进行采样，使用软件将两路结果相减，就可以抑制随时间变化的环境光的影响。此外，通过交替交换接收路径，以及对结果进行平均等手段，还可以减少两个接收路径之间的误差。
图2 吸光度测量光路图
3.浊度和荧光测量方法
用光学方法测量液体的浑浊度，是利用了光散射的原理。光线照在液体中悬浮颗粒的表面时，会向四周发生散射，散射光强度和散射角由入射光波长和悬浮物粒径、浓度决定。下图（图3）所示是一种常用的浊度测量光路结构，示意图为俯视视角，当一侧的光源射入悬浮液样品时，设置对侧和90度侧两处光接收装置，通过对比两处的光强，可以推算浊度指标。
图3 浊度测量光路图
某些特定物质再被紫外光等照射时，会激发出另一种波长的光，称为荧光。通过检测荧光的强度来分析物质含量，相比吸光度检测法的线性度更高。但荧光的强度往往很微弱，需要更灵敏的检测与抗干扰手段。下图（图4）所示为荧光测量光路图，其与浊度测量的光路非常类似，也是在对侧和90侧进行光强采集，不同的是，此时想四周发散的是荧光，需要在90度侧的接收处增加滤光片，只允许荧光波长通过。最后，通过测算对侧与90度侧的光比率，来获得荧光强度。
图4 荧光测量光路图
4.高度集成化的芯片
由以上几种测量手段的原理描述，可以看出要想实现光学方法的液体分析，需要配套多路的光源与接收电路，以及小信号调理采集电路等。ADI最新推出的ADPD4100/1系列产品，充分满足了这类技术需求，其中，ADPD4100与ADPD4101的区别仅在于其对外通信接口，分别为SPI和IIC。芯片具有微体积、低成本的优势，长宽仅为3mm左右。骏龙科技可以为工程师提供此芯片的试验样品和充足技术支持，助力工程师搭建完整的芯片外围电路方案，直至项目批量生产的芯片供应。
下图（图5）所示为芯片的结构原理图，其具备以下几种主要特性：
- 8路LED驱动（可同时4路工作）与8路光接收通道
- 自带基于脉冲光与数字滤波器的环境光抑制功能
- 发射接收信号链具有100dB的超高信噪比
图5 ADPD4100/1产品的结构图
5.多参数液体分析应用
基于ADPD4101的产品平台，ADI打造了同时支持4路通道的光学液体分析方案。如下图（图6）所示，ADPD4101可支持同时带动4路LED工作，总驱动电流达到400mA，8个接收通道可以灵活配置为接收PD的正或负端，然后接入芯片内部的TIA电路。通过设计各种模式的跳针，该方案可以接入多路不同采样位置的接收PD，同时支持4通道不同类型的液体分析，包括了本文上述的吸光度、荧光、浊度等等。
图6 4通道液体分析方案
由于ADI芯片及其外围电路本身占用面积很小，此方案的体积基本都体现在4路的样品池及其光路装置。其实际的面积仅为手掌大小，下图（图7）为该方案的平台实物图。
图7 ADI的4通道液体分析方案
6. 液体分析仪结构介绍
多参数光学液体分析仪的最主要结构是一个3D打印的检测池，配套的电路板设计能够支持其光路发挥功能，如下图（图8）所示。其中，电路板上包含了必备的光发射与接收器件，ADPD4101芯片及其外围电路，预留主控板接口用于连接ADUCM3029处理器的开发板，默认是位于该电路板的下方。在使用时，计算机通过该ADUCM3029开发板上的USB接口实现供电和通讯。该方案平台的ADI官方编号为CN0503，如需要测试评估该方案的实物，可以咨询骏龙科技当地办事处。
图8 光学液体分析仪方案平台
具体分析其结构，可以看到不同位置的发射与接收光器件。如下图（图9）所示，首先是在检测池结构的对向、侧边、底部分别都设置有部件安装位置，接口为4pin排针。除了底部的4个光接收二极管是焊接在电路板上，其他位置的部件均采用可插拔式。下图（图10）为插拔部件实物图，为采用4pin排座接口的小型电路板，其上焊接了LED或光接收PD。CN0503方案演示了多种测量参数，其配套了多种波长型号的LED发光板，在后文中会有体现，根据不同的测量指标需求，需要更换不同波长型号的LED板。
图9 检测池光配件的安装位置
图10 LED光源板和光接收PD板
7.测量光路原理
通过检测池的俯视解析图，可以直观看到该方案的平台光路原理。如下图（图11）所示，检测池分为4个独立的光路通道，每个通道都需要配备比色皿支架，支架结构中包含了聚光镜、平板分光器、窄带滤光器等等。检测池底部的4个接收PD是用于吸光度检测时的背景光参考，光源是自平板分光器分出的垂直90度光，这在前文的吸光度测量原理中进行了介绍。在侧边位置的接收PD用于接收水平90度散射光，具体用于浊度和荧光测量。
图11 检测池结构原理示意图
下图（图12）为比色皿支架的结构，其主要是将1mm长宽的透明比色皿固定于特定位置，而后引导光路进行反射散射等。在正向光路路径上，比色皿支架包含一个黑色圆柱体形状的窄带光滤波器，用于使光路更为洁净，检测结果更准确，客户在实际设计自己的方案时，也可以通过其他方法达到这一目的。在光路径后段，可见一个平板分光器，它可以将射入的LED光分出一路垂直90度向下的光束，用于作为吸光度测量中的参考光，起到抗干扰作用。实际上，该方案实现环境光抑制的最重要原理是通过ADPD1401的脉冲式光源方案，其在无光源瞬间会采集PD信号，而后自动与有光信号进行相减补偿。
图12 比色皿支架结构
在荧光测量时，水平90度侧的接收PD前需要增加滤光片，如下图（图13）所示。这是由于被测物质激发出的荧光往往非常微弱，此处PD接收的信号很有可能被散射光和环境光所淹没。通过增加滤光片，可以让荧光波长为主的光强进入接收PD。
图13 荧光测量光路原理
8.pH值测量试验
在pH值测量试验中，将颜色指示剂（溴麝香草酚蓝）添加到不同 pH 值的溶液中，此时溶液的颜色将会因pH值的不同而显示不同颜色，如下图（图14）所示。将溶液转移到比色皿中，并在两种不同的波长（430 nm 和 615 nm）下进行测试。溶液中指示剂的吸光度会随 pH 值不同而变化。使用CN0503方案平台实现pH测量时，两个不同波长的 LED 小板可以插入光路 2 和光路 3。然后将比色皿支架简单地移动到这两个光路中进行测量。
图14 不同pH值溶液的显色效果
通过上位机软件读取数据，然后绘制成表格。下图（图15）绘制了分别使用两种波长LED测量的 p值与吸光度的关系图，这些曲线可以用于作为校准数据的曲线。通过图上的标准pH数据点，添加趋势线可以获得校准曲线方程。通过使用这些方程，就可以确定其他被测样品的浓度。
图15两种光波长的pH与吸光度关系图
9.浊度测量试验
下图（图16）所示为浊度测量的样品图，试验中是用530nm的光源在光路4通道中进行的测量。在做标定时，整体曲线按照低浑浊度、高浑浊度两个区段考察，这是因为 90度的散射测量结果对高浊度的响应较差。如下图（图17）所示，横轴表示的是对射与散射的强度比率，较低的浊度范围定义为0 NTU 到 100 NTU，较高的浊度范围定义为100 NTU 到 750 NTU，然后分别对两个区段进行线性拟合。需要注意的是，两段曲线数据之间是相互依赖的。第一段方程的结果是第二段方程 的输入变量。存储方程值后，第一段可作为校准曲线测量低浊度样品，第二段可作为校准曲线测量高浊度样品。
图16 浊度测量试验样品
图17 浊度测量结果曲线图
10.荧光测量实验
荧光是一种化学特异性，可用于识别溶液中特定分子的存在和浓度。在此试验中，使用菠菜汁代替荧光叶绿素，通过稀释不同的浓度，制作成样品进行测量，如下图（图18）所示。荧光测量有许多应用场景，例如生物测定、溶解氧、化学需氧量、牛奶巴氏杀菌有效率等。
图18 不同浓度的菠菜液汁样品
在本实验中，菠菜汁溶液是通过由打碎的菠菜叶与水混合制成的，然后将其固体过滤。使用本方案进行荧光测量室，是使用光路1通道，LED波长选用了365 nm，并在光路上加入了窄带滤光器。下图（图19）是菠菜汁浓度与荧光强度比率的图线，通过曲线拟合，可以作为标准曲线，用于未知浓度样品的测量。
图19 菠菜汁浓度与荧光比率曲线图
11.总结
使用光学手段进行液体分析需要复杂的光路与电路结构，ADI推出的光学模拟前端芯片，具备通道数多、自带抗干扰的特点。其小巧的体积与业内领先的性能，为光学液体分析仪的小型化提供了可能性。ADI推出了具有实用意义的实验室级多通道液体分析仪方案，本文介绍了光学液体分析的基础知识，并对该液体分析仪方案的结构与工作原理进行了详细技术拆解与分析。欲了解更多技术细节方案和进行评估测试，请联系骏龙科技公司为您提供更详细的技术解答。
参考文献
[1] ADPD4100/1产品页面：https://www.analog.com/cn/products/adpd4101.html
[2] CN0503应用方案页面：https://www.analog.com/cn/design-center/reference-designs/circuits-from-the-lab/cn0503.html
作者：王斌
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