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水体藻类浓度在线检测系统的设计
科技创新与应用 2013 年第31 期 科 技 创 新
水体藻类浓度在线检测系统的设计
黄建美 1 张 戈2
(1、江西省环境科学研究 院,江西 南昌 330039 2、江西省邮电规划设计 院有限公司,江西 南昌 330002)
摘 要:藻类大量繁殖导致水生物缺氧死亡是造成水华现 象的直接原 因。根据藻类叶绿素 a 荧光发射原理 ,分析其光谱特性 ,设
计藻类浓度在线检测 系统。系统由荧光检测装置、采样控制电路 、无线发射模块和计算机监控 系统组成。
关键词:水华;藻类浓度;叶绿素 a ;荧光检测
引言 2.2 在线检测系统结构设计
近年随着经济高速发展,人们生活水平日益改善,环境破坏也日益 为实现在线检测目的,装置安装在遥控小船上,船上安有自动升降
严重。工业和生活用水的任意排放造成湖泊水体中藻类大量繁殖,水体 杆,装置固定在升降杆上,C8051F020 单片机控制连接升降杆的步进电
生物因藻类过度繁殖而缺氧死亡,引起水体富营养化,称为“水华”。加强 机,使装置水中自由升降。光电二级管1 和2 测量电压值分别经过DSP
[1-3]
对水体藻类的繁殖检测尤为重要 。 放大电压后,送入单片机两路12 位A/D 转换端口进行同步采样。对参
水体藻类色素作为鉴定不同藻类和浮游植物群落组成的特征标示 考和可用光作除法剔除整个系统因各种原因造成光源不稳定性带来的
物。通常以叶绿素浓度来反应藻类浮游植物繁殖程度。其中叶绿素a 是 荧光值的浮动现象,减小外界光源对检测系统影响。通过控制电路对激
水体生态系统的重要参数,通过有效方法来检测a 浓度达到检测水体 光头的电流调解实现光强可调。
4]
[ 。对
藻类繁殖程度的目的 选取规范方法、超声波法、反复冻融法、延时提
取法、热丙酮法、丙酮加热法、热乙醇法、混合溶剂法是常见的8 种检测
方法。但这8 种方法都需要提取样本,并在实验室内完成叶绿素a 的测
5]
[ 。其
定 操作复杂,不能达到在线检测的效果,效率低下。
作者结合自动化控制、传感器、荧光检测、和通信技术,并通过相关
实验数据,设计出一套能够实时检测叶绿素a 浓度的在线检测系统。该
系统具有操作方便、灵活性强、测量数据准确等优点。 图2 系统结构框图
1 检测方法及原理 数据通过无线传输方式传送。选择nRF2401 无线收发模块,其传
藻类叶绿素a 的检测采用荧光发射原理。紫外光照射物质分子时, 输数据速度快,外接天线能达几百米距离。模块的工作电压和单片机的
受激发分子以辐射形式将其吸收的能量释放返回基态时会发射出波长 工作电压一致,简化了电路设计。岸边检测人员通过计算机的操作实现
大于激光。对于不同荧光物质其分子结构和能量分布不同,显示出的吸 远距离在线检测。数据传输方式为半双通方式,如图2 所示。
6]
收光谱和荧光光谱特性也不同 [ 。叶绿素a 在受光435nm 波长光激励 2.3 信号处理电路设计
时,a 分子发出荧光峰值波长为685nm,其中发光过程在激光停止后约 藻类繁殖情况不同,其叶绿素a 浓度也不同。当紫色激光头对其进
10-8s 内停止。只要激光的光强一定,荧光强度随着a 浓度的变化而变 行照射时,发出的光强也有较大差距。当叶绿素a 浓度比较低时,二级管
化。 2 采集的光电信号将非常微弱,故必须用特殊放大器对其进行信号放
经过在紫外光的激发下,a 分子所
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