光纤荧光传感系统的设计

光纤荧光传感系统的设计王丽君【摘要】将荧光测量法和光纤传感技术相结合，采用弱光信号检测技术，设计有效的电荷耦合元件（以下简称CCD）检测系统,并消除环境背景杂散光及光源不稳定等因素对系统精度的影响.该光纤荧光传感系统根据荧光光谱的强度对水中浮游植物的浓度进行分析处理，并以此判断水质的好坏.【期刊名称】《宁德师范学院学报（自然科学版）》【年（卷），期】2015（027）004【总页数】4页（P436-439）【关键词】荧光检测;CCD;全光纤光路【作者】王丽君【作者单位】闽南理工学院福建石狮362700【正文语种】中文【中图分类】TN2本文的光纤荧光生物传感系统采用双沟道线阵CCD光谱探测器和全光纤光路，具有高灵敏度和多道特性、检测噪音低、信号同步稳定等优点，可以实现海洋条件下快速检测，解决了使用传统显微镜计数法和标准的沉淀计数法监测海洋浮游植物时存在采样随机性大，不适用大批样等局限性.该光纤荧光生物传感系统采用近红外背景光源有效获得背景散射光等信息，采用蓝光波段发光二极管（以下简称LED）作为激发光源具有较大的优势，便于系统集成，且降低了成本，具有较大的实用推广前景.1系统设计原理整个光纤荧光传感系统主要由光源系统、光谱探测系统、光纤传光系统和数据处理系统组成.光源系统包括背景光源系统和激发光源系统，背景光源作为参考光源，激发光源主要用于激发浮游植物产生荧光.光谱探测系统用于荧光光谱的采集，主要包括聚焦透镜、线阵CCD及其驱动电路、光栅分光滤光器等.光纤传光系统包括入射光纤和接收光纤.数据处理系统包括信号滤波、放大和解调等.如图1所示为光纤荧光生物传感系统的原理框图.图1光纤荧光生物传感系统原理框图2光源系统设计2.1背景光源系统作为参考光的背景光源，该光源的选择直接影响到信号质量，而信号质量的好坏对藻类特征光谱提取产生直接的影响.本研究通过对比实验，选择合适的背景光源[1].实验过程中，背景光源通过透镜照射于样品，赤潮藻被显微镜适当的放大后，经CCD进行图像采集，成像结果如图2所示.图2不同背景光源下采集的图像显然图2（d）中藻类的纹理及结构图最清晰，说明相对于其他3种背景光源，近红外光的图像对比度最高.因此，光纤荧光生物传感系统的背景光源最终选用840nm的近红外光.2.2激发光源系统激发光源的选择：由于荧光发射强度正比于光源的强度，因此一般要求荧光光谱光源具有更高的绝对强度.除此之外，光源的强度稳定性要求其荧光强度不随时间而改变，并且光源的光谱在所需的频谱的测量区域内[2，3].LED是单色的，从可见到深紫外光区域都有，其应用波长范围为240~780nm.作为新型激发光源的发光二极管（LED）体积小、功耗小、抗冲击、耐振动、寿命长、容易与集成电路配合使用、便于集成到简单轻便的水下探头中，而且性价比很高，能有效地降低系统成本.因此本设计选择LED作为检测器的光源.且本系统的激发光源采用峰值波长为450nm的蓝色发光LED.3光谱探测系统设计光谱探测模块主要包括聚焦透镜、线阵CCD及其驱动电路、光栅分光滤光器.作为光谱探测系统里重要的元件CCD起着光谱采集和光电转换的作用.3.1CCD的选择一般高于256位的线阵CCD使用双沟道型线阵CCD，这是由于双沟道型线阵CCD和单沟道型线阵CCD的光敏单元数量一样时，双沟道的CCD转移次数只有单沟道的一半，因此其转移效率要高很多.综合考虑各种因素，本系统最终采用双沟道型线阵CCD（TCD1200D），它是具有2236个像元的二相图像传感器，具有较高的动态范围.3.2光栅分光滤光器对发射光波长或波段中的光谱辐射进行测量时，滤光器通常被安装在光检测器的前面.滤光器的类型包括棱镜、滤光片和光栅.滤光器的作用是从连续的光谱中滤出所期望的波长.根据不同的光学现象（选择性反射、偏振、吸收、干扰，散射），光学滤光器可分为两类：彩色滤光片和薄膜过滤器.在本系统中，光栅分光滤光器需要高分辨率和好的连续性.因此，系统选用高密度光栅，以使光栅只有±1级衍射光，衍射波长范围为550~850nm.4光纤传光系统设计4.1光路结构分析光纤荧光生物传感系统中常见的结构包括分立结构型以及全光纤结构型[4].综合考虑海洋检测环境，系统最终选择全光纤型结构.4.2光纤光路设计光纤束荧光传感器的基本工作原理如图3所示.光纤束由入射光纤和接收光纤束组成，其作用是收集光强随外界荧光体的扰动而产生的变化[5，6].图3光纤荧光传感器原理图由于入射光纤的出射光斑是圆对称的，得到的荧光光斑也是圆对称，因此，本文采用对称分布式的光纤束接收反射光强以提高接收光的效率和灵敏度.为了减少传输过程中的损耗，使用的光纤较短，约为1m.5数据处理系统设计5.1滤波电路电压控制电压源电路存在高输入阻抗、低输出阻抗、性能稳定和增益调整容易等特点.因此系统需要该电路进行滤波，图4为其滤波原理图.图4带通型电压控制电压源电路原理图其中通过调整R0/R可调节带宽B，W0可通过调节R3获得.为达到最佳的使用效果，Rl及R3选用滑动变阻器，电容选用的容差为5%.本文利用巴特沃斯最大平坦响应进行设计，从而保证通频带内的信号稳定性.设计步骤具体如下：(1)滤波器的设计要求：Q=10，fc=1024Hz，G=10.(2)电容的选择：f=l~10kHz时，C=0.01~0.001|jF.电容选择0.001pF.(3)计算电阻的换标系数，公式.(4)由Q及G的值查表得到电阻的阻值.(5)根据查得的值反过来推算中心频率、通频带和增益.根据增益的计算公式计算得到G=10.7,与设计值相比符合要求.5.2程控放大电路为了使电路的灵敏度可变从而适应不同的工作条件，进而提高系统的动态范围，扩大仪器的使用范围，系统还需要对放大器增益的大小进行改变.本文选择增益步进变化的可编程增益放大器（PGA），利用反相器74F04来调节PGA103增益大小.5.3解调电路和检波输出激发光源LED用单片机自带的1024Hz的PWM信号来调制，从而输出携带有微弱荧光信息的信号.正弦波信号经放大器得到放大后，并没有采用一般的方法解调，而是分离出来类似半波整流信号的两路信号.利用傅里叶级数知识，信号经过一级低通滤波器直接滤除直流成分，最后在AD620内差动放大.这样就可以获得和溶液的浓度相关的电压信号.该设计既完成了解调工作，又降低了硬件元器件的使用，为仪器小型化提供了支持[6，7].6结束语本文的光纤生物荧光传感器采用双沟道线阵CCD作为光谱探测器，其灵敏度高，检测噪音低，信号同步测定，可实现〃全谱”测定，且低照度线性好，提高了光纤传光系统的频谱利用率及抗干扰能力；采用全光纤的光路结构，便于在海洋条件下的快速检测.该荧光法监测海藻状态主要是通过测定在激发光照射下海藻的荧光激发光谱和荧光光谱，根据其强度和形状的不同，对海洋中的藻类进行定性和定量分析，为了解海洋的生态结构提供依据，并以此判断水质的好坏.参考文献：王敏.赤潮生物监测荧光成像系统背景光源改进[J].光谱学与光谱分析，2008，28（3）：621-623.KeiserG.Opticalfibercommunication[M].Boston:McGrawHill,2000:125-140.王庆有.CCD应用