通过激光散透比的牛奶成份检测仪的方案设计

一、引言

牛奶，是最古老的天然饮料之一。牛奶顾名思义是从雌性奶牛身上所挤出来的。在不同国家，牛奶也分有不同的等级，目前最普遍的是全脂、低脂及脱脂牛奶。目前市面上牛奶的添加物也相当多，如高钙低脂牛奶，就强调其中增添了钙质。

牛奶在人们的生活饮食中越来越普遍，实时快速准确的检测牛奶成份对提高牛奶质量和对实现乳业生产过程的自动化管理有重要意义。检测牛奶成份的方法有多种，化学分析方法仍然是准确度最高的检验方法，但是他很难适应短时间测试的需要，物理仪器测试法主要有利用超声波原理和光谱分析检测，目前国外的技术相对比较成熟，但仪器昂贵，不可能在中国普及，特别不可能在中小企业和乳牛场使用。本文介绍的牛奶成份测仪采用激光散透比来检测，精度比较准确、成本较低。

二、检测原理

激光散透比检测即用激光的入射平内同时90°处的散射光光强Is和检测0°处的透射光光强It的比值来表征测试牛乳蛋白质含量的光学参量。但是由于牛乳中存在两种散射大分子，所以很难准确地单独测出蛋白质和脂肪含量。通过化学研究，找出一种快速蛋白质熔解液（乙二氨四乙酸稀溶液）能够把蛋白质溶解为小分子，使牛乳稀溶液中只有脂肪是牛乳中的不溶的大分子测出脂肪，再测脂肪和蛋白质两相共存的牛乳稀溶液，通过建立理论关联模型便可求出蛋白质含量。在测量过程中光电流信号比较微弱，所以设计性能好的光强检测电路是很重要的。此仪器电路设计最关键的部分就是光强采样电路的设计，光强采样电路的设计合理与否直接影响到牛奶成份检测的准确度和精度。牛奶成份检测仪的结构框图如图1所示。

从半导体激光器发出波长为635 nm的非偏振光，平行准直入射试样盒，在透射光和散射光方向用光电二极管将光信号转化为电信号。光强检测电路由放大电路和A／D转化电路组成，放大电路将由光电二极管转化的微弱电信号放大为适合A／D转化的模拟电压。A／D转化电路将模拟电压转化为数字量。单片机是仪器的控制器，用于处理按键，读取采样值、计算并显示测量结果。

三、影响光电转化输出信号精度的原因

在此仪器的结构图可以看出，影响光电转化输出信号精度的因素有以下几个方面：

（1）半导体激光器发出的光具有不一致性，在一定的波长范围分布；半导体激光器对温度敏感，环境温度的变化和注入电流的热效应都会使激光器的阈值电流以及输出光功率发生变化。本仪器设计中采用分布反馈（Distributed Feed Back，DFB）半导体激光器，波长稳定性好，温度漂移约为0.08 nm／℃，频率和强度噪声低。

（2）光电二极管的性能参数直接影响输出信号的稳定性和精度。本仪器设计中采用日本滨松光子株式会社的S5226硅光二极管，该器件的性能参数如下：有效接收面积5.8×5.8 mm2；终端电容430 pF；分流电阻1 GΩ；暗电流100 pA；光谱响应范围190～1 000 nm；峰值灵敏度波长740 nm；峰值灵敏度约0.36 A／W；在635 nm处灵敏度约0.32 A／W；从以上参数可以看出，在激光发出的光的一致好的情况下，误差是非常小的。

四、光电转化电路的设计

光电技术是将传统的光学技术与现代电子技术与计算机技术相结合的一种高新技术。 以光电转换电路为核心的光电检测技术已经被广泛地应用到军事、工业、农业、环境科学、医疗和航天等诸多领域。 所谓的光电转换是以光电二极管为基础器件， 通过将照射于二极管上光通量的改变量转化为相应的光电流，再经过前置放大、主放大等后续电路进一步优化有用信号， 最后实现与上位机与相应算法的连接。 由此可见， 任何光电检测系统中， 光电转换电路的设计与优化都是重中之重， 它性能的稳定以及相关参数的合理性将决定着整个检测系统的设计成败。

光电转化电路将传感器光电二极管输出的微电信号放大，光电转换电路如图2所示。

硅光二极管处于反相偏置，使硅光二极管工作在其伏安特性的第三相限，光强与光电流呈线性关系，相对于零偏置这种形式的电路具有更低的噪声和更好的线性度。由于硅光二极管输出电流较小，因此为了减小运放的偏置电流对测量的影响，必须选取低偏置电流的运放；此外，温漂、失调电流、失调电压等参数也得考虑。综合考虑，选用Maxim公司的ICL7650运放，该芯片是利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放，输入偏置电流在25℃时为1.5 pA、输入失调电压为1μV、失调电压温度系数为0.01μV／℃，输入电阻可以达到10×12 Ω，此外其共模抑制比达到130 dB。ICL7650应用时需接2个0.1 μF的调零电容，为了稳定运算放大器输出信号的直流分量，需将钳位端（CLAMP）连接运算放大器的输入端和输出端，这样芯片会在输出达到饱和之前，在钳位端和输出端之间建立一个电流通道，从而防止电荷在校零和寄存电容上继续积累，减少电容的充放电恢复时间，使输出电压得到稳定。由于是斩波稳零器件该芯片内部晶振产生200 Hz内部节拍频率，为减小输出信号的噪声，输出端可接1个0.1μF的电容C4去除高频信号。为防止产生自激振荡在输入与输出之间接1个0.1 μF的补偿电容C1，对于增益电阻可采用高精度的可调电阻，输出信号幅度与R1成正比。R1取值大一些可以增加信噪比。但R1取值要受输出电压幅度的限制，通常的高分辨力的A／D转换器基准电压为3.3 V，其模拟量输入范围为0～3.3 V，为了与A／D转换电路相切配，光电转换电路的Uo输出最好不应超过3.3 V。

五、A／D转化电路的设计

A/D转化电路。 亦称“模拟数字转换器”，简称“模数转换器”。将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。 A/D变换包含三个部分：抽样、量化和编码。一般情况下，量化和编码是同时完成的。 抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程； 量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程； 编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。

A／D转化电路采用高精度的∑型A／D转换器，这种转换器件采样频率高。其芯片内部主要由数字电路组成，模拟部分的电路较少，易于实现高精度，并且成本较低，广泛应用于仪器仪表，工业数据采集等场合。在本系统中，采用TI公司的ADS1100，ADS1100是精密的连续自校准模／数A／D转换器，带有差分输入和高达16位的分辨率，封装为小型SOT23-6。转换按比例进行以电源作为基准电压。ADS1100使用可兼容的I2C串行接口，在2.7～5.5 V的单电源下工作。ADS1100可每秒采ADS1100可每秒采样8，16，32或128次以进行转换。片内可编程的增益放大器PGA提供高达8倍的增益，允许对更小的信号进行测量，并且具有高分辨率。在单周期转换方式中ADS1100在一次转换之后自动掉电，在空闲期间极大地减少电流消耗。此外，可以将光强采样电路装入金属屏蔽盒中，并就近安置在光电传感器的输出位置，通过两线串行输出接口与单片机电路相连接，这样的设计将模拟与数字电路分开，尽量减小外界干扰带来测量的误差，提高测量系统的稳定性和精度。A／D转换电路与单片机接口如图3所示。

对ADS1100采取PCB布线技术相对容易一些，而且16位性能也不难达到。任何数据转换器实际上只相当于其基准，对于ADS1100其基准就是电源，因而电源必须足够干净，以达到期望的性能如果采用电源滤波电容器，则应将该电容器置于靠近VDD引脚处，在电容器和VDD引脚之间没有通路，引至该引脚的路径尽可能宽。输出数字量可以直接与MSP430系列单片机接口联接，ADS1100外接元件很少，这样简化了系统设计，并可提高电路的可靠性。

a/d转换器的功能是把模拟量变换成数字量。由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此生产出种类繁多的a/d转换芯片。a/d转换器按分辨率分为4位。6位。8位。10位。14位。16位和bcd码的31/2位。51/2位等。按照转换速度可分为超高速（转换时间≤330ns），次超高速（330~3.3μs），高速（转换时间3.3~333μs），低速（转换时间＞330μs）等。a/d转换器按照转换原理可分为直接a/d转换器和间接a/d转换器。所谓直接a/d转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。其中逐次逼近型a/d转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化a/d芯片采用逐次逼近型者多；间接a/d转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型（积分型），电压/频率转换型，电压/脉宽转换型等。其中积分型a/d转换器电路简单，抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转换速度较慢。有些转换器还将多路开关。基准电压源。时钟电路。译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯a/d转换功能，使用十分方便。

六、结语

通过对激光散透比法检测牛奶成份方法的分析，对影响光强采样电路的精度和准确性的各种因素的分析，本采样电路的设计方案可以满足模拟信号精度的要求。此外，本测量方案使用斩波稳零式高精度运放转换器件ICL7650，提高了检测的精度；使用高精度∑型A／D转换器ADS1100，简化了电路，提高了可靠性。