2.3.2 光电二极管与前置放大电路

本文采用了日本滨松S1336-5BQ型号光电二极管, 如图所示5。

图5 光电二极管

光电二极管的伏安特性表达式为

式中, I_φ光电二极管的总电流, I_P光电二极管产生的光电流, S_d代表了电流灵敏度, P代表了入射光功率。

如图6所示, 根据光电二极管特性设计的前置放大电路。通过一个运算放大器作为电流-电压转换器, 将光电二极管电流转换成可用的电压。因为光电二极管产生的电流大小在pA级, 所以选用OPA129超低偏置电流运放芯片。

在电流-电压转换电路中, 由于引入反馈电阻, 造成转换电路存在潜在的振荡的可能, 因此必须引入相位补偿。

图6 光电二极管前置放大电路

对于补偿电容C_f计算公式如下:

式中R_f是反馈电阻阻值为10M, C_S是信号源总电容 (包括运算放大器的输入电容与反向输入端的寄生电容) , GBP是运算放大器的增益带宽积 (带宽的单位是Hz) 。经计算C_f的值为1pF即可。

3.系统软件设计

系统软件设计包括SIM900A模块短信收发驱动程序、串口通信程序、定时器程序、A/D采集程序、流程控制程序等。其整体程序流程如图7所示。图中系统初始化初主要包括STM32中I/O端口、系统时钟复位、继电器与氘灯控制引脚定义、定时器、AD采集、串口通信等的初始化。其中氘灯预热时间通过定时器来规定。

4.COD检测基本理论

本文利用紫外-可见分光光度法间接测定水中COD, 通过朗伯比尔定律定量分析不同浓度COD水样在254nm处的吸光度, 通过吸光度与COD浓度之间建立相应关系式, 来求得COD水样浓度。

朗伯比尔定律是几乎所有光学分析仪器所采用的基本原理。朗伯比尔定律是指一束单色平行光垂直入射通过吸光物质时, 物质对光的吸收与物质的浓度及光通过的路程成正比。物质对光的吸收比例与入射光的强度无关, 在光程上, 每相等厚度物质吸收相同比例值的光。朗伯比尔定律是有一定条件的。首先照射与吸光物质上的光是一严格的平行单色光, 而且物质与光波之间的关系仅为光吸收, 并不存在光化学现象及荧光现象的发生。朗伯比尔定律公式如下:

式中, A为吸光度;I₀为入射光强度;I_t为透射光强度;K吸光系数;c溶液浓度;l溶液厚度。

由朗伯比尔定律可知, 吸光系数K只与入射光波长有关, 而溶液厚度l则为石英比色皿的宽度。故依据朗伯比尔公式, 溶液浓度c与吸光度A呈正比关系。通过测定已知c的溶液A, 就可以得到对应的吸光系数K, 这样A与c之间的线性直线可以确定。因此只要知道不同浓度溶液吸光度A就可以知道该溶液的浓度。而吸光度A的值可以通过入射光强度I₀与透射光强度I_t计算得到。

5.实验与分析

本文首先对氘灯光强稳定性做了实验分析, 因为氘灯光强稳定需要一定的时间预热, 稳定的光强照射对本仪器测量COD的精确性具有重要作用, 故通过每隔一分钟记录氘灯全波长照射到光电二极管上所产生的电压, 确定本仪器氘灯需要的预热时间。

图7 软件系统框图

如图8所示, 多次实验中氘灯光强随时间变化的趋势图。从图中可以看出, 在三次试验中, 氘灯均在开启后的前10min内光强快速的下降, 而在之后的20 min内氘灯光强下降趋于平缓, 无显著变化, 慢慢的趋向于一个稳定值。这说明氘灯在预热10min后, 氘灯光强趋于稳定, 可以开始检测水质COD工作。

图8 氘灯光强随时间变化的趋势

本文以邻苯二甲酸氢钾标准溶液为水样, 以蒸馏水参比液, 将水样稀释多份分别测定其在254nm处的吸光度, 绘制COD与吸光度的关系曲线, 计算相关系数。

首先进行邻苯二甲酸氢钾标准溶液的配置, 选用优级纯邻苯二甲酸氢钾, 在120度的温度下干燥1h放置在干燥器中冷却后, 用精密天平称取0.4251g于二次蒸馏水中, 定容至1000mL, 此时此标准溶液的COD为500mg/L。吸取0.5、1、1.50、2.25、2.50、3.00、3.75、4.50、5.00mL邻苯二甲酸氢钾标准储备液50mL容量瓶中, 加二次蒸馏水定容到25mL, 则得到的COD分别为10、20、30、45、50、60、75、90、100、mg/L。配置完成后便可开始进行实验, 并记录不同浓度COD在254nm处的吸光度值, 如表3所示。

表3 水样COD与其对UV254nm的吸光度

图9 不同浓度COD吸光度

如图9所示, 横轴为配置的COD浓度, 纵轴为不同浓度COD在254nm处的吸光度值。根据所测的实验数据, 拟合了一条二元一次方程。从图中可以看出, COD浓度越高, 吸光度值越大, 两者之间具有良好的线性关系。通过计算可得到COD浓度与吸光度值线性方程为:

如表4所示, 为线性方程 (5) 通过吸光度直接计算求得的COD浓度值与被测标准液COD浓度的比较。从表中可以看到, 吸光度计算得到的COD浓度值与标准COD浓度值之间的误差小于1mg·L, 满足地下水水质测量精度要求。说明该仪器适用于地下水水质测量。

表4 实验数据与标准数据比较

6.结束语

本文设计的远程地下水质COD在线检测仪, 实现了远程控制自动检测地下水COD含量, 可实时的监测地下水水质状况, 有助于相关部门及时获取地下水水质信息, 预防地下水质污染事故发生。本文已搭建实验平台, 并进行了相关实验测试, 其中对仪器的稳定性及精确性都做了系统的验证, 适用于大多数地下水体COD的检测。不过由于紫外-可见分光光度法应用的局限性, 该仪器目前适用于地下水浊度较低的水体, 对于浊度较高的水体还需考虑增加过滤功能, 而且在清洗模式下, 干净的水还需人工定期添加, 还是存在操作不便。