痕量銨氮的可見光區(qū)在線熒光檢測器的研制.pdf

1、環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展趨勢是現(xiàn)場、在線獲取數(shù)據(jù)，銨氮是國家標準中規(guī)定的必測水質(zhì)指標之一，研制銨氮的在線熒光檢測器可為水質(zhì)的自動在線監(jiān)測提供技術(shù)支撐。本論文基于銨氮的4,5-二甲氧基鄰苯二甲醛熒光分析法原理，設(shè)計并制作了一臺可與流動注射分析儀聯(lián)用的痕量銨氮的可見光區(qū)在線熒光檢測器。
　　檢測器的硬件部分包括光電傳感器模塊、信號處理模塊、等精度測頻模塊、USB-串口轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊。光電傳感器模塊由嵌在模塊盒中的2個中心波長為390~400

2、 nm的激發(fā)光源、3塊凸透鏡、窄帶濾光片和硅光電二極管等器件組成，其中的模塊盒根據(jù)各器件的布局自行設(shè)計、3D打印加工制作；該模塊的功能是激發(fā)光源激發(fā)流通池中的待測溶液發(fā)出熒光信號，并將熒光信號轉(zhuǎn)換為弱電流信號輸至信號處理模塊。信號處理模塊包括將弱電流信號轉(zhuǎn)換為較大電壓信號的放大電路、濾除干擾信號的濾波電路、將電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率信號的壓頻轉(zhuǎn)換電路、將模擬電路與數(shù)字電路隔開的光耦隔離電路；該模塊將輸入的弱電流信號轉(zhuǎn)換為頻率信號，并輸出至等精

3、度測頻模塊。等精度測頻模塊以 STM32為微控制器，被燒入下位機程序后，可對輸入的頻率信號進行等精度測量。USB-串口轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)上下位機的串口通信。電源模塊為上述各模塊提供電能。以上的信號處理模塊、等精度測頻模塊、USB-串口轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊集成制作于一塊 PCB主板上，主板和光電傳感器模塊置于機箱中組裝成一臺完整的痕量銨氮的可見光區(qū)在線熒光檢測器樣機。
　　檢測器的軟件設(shè)計包括下位機軟件和上位機軟件。下位機軟件程序基于STM

4、icroelectronics公司提供的固件庫編寫，通過USB-串口轉(zhuǎn)換模塊的一鍵下載功能燒入STM32，可實現(xiàn)等精度測頻、數(shù)據(jù)的誤差處理、將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機等功能。上位機軟件程序的開發(fā)環(huán)境為MFC，搭建友好直觀易操作的人機界面，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、調(diào)零、實時顯示和繪圖、計算峰值和儲存等功能。
　　檢測器樣機的基線穩(wěn)定性和對恒定信號響應(yīng)穩(wěn)定性的測試結(jié)果表明，無論是基線還是對恒定信號的測量信號，儀器開機后7分鐘左右信號達到穩(wěn)定，可持續(xù)穩(wěn)

5、定290分鐘，說明檢測器可持續(xù)工作時間長達約5小時，滿足在線檢測要求。為了考察檢測器的測量準確性，分別采用本檢測器與 RF-5301PC型熒光檢測儀對0~12?mol/L范圍內(nèi)8個銨氮標準溶液的熒光反應(yīng)產(chǎn)物進行了離線測量，兩者的測定信號顯著相關(guān)（R2=0.9986，n=8），說明本檢測器用于銨氮樣品溶液的測量是可行的。此外，根據(jù)純水測量值的標準差和檢測器工作曲線的斜率，計算出檢測器的檢測限為0.07?mol/L，檢測限低至痕量級，符合設(shè)

6、計需求。同時，本檢測器與流動注射分析儀聯(lián)用，對0~32?mol/L范圍內(nèi)的5個銨氮溶液進行了在線檢測，上位機軟件實時完整地記錄了檢測器的輸出信號曲線，曲線峰高值與銨氮濃度顯著相關(guān)（R2=0.9985，n=5），說明本檢測器可成功應(yīng)用于銨氮樣品溶液的在線檢測。分別采用本檢測器和RF-5301PC型熒光檢測儀測量了9個花江水樣（采集于2015年4月1日）的銨氮濃度，本檢測器測得水樣的濃度為0.28~1.40?mol/L，RF-5301PC型