农药残留光电快速检测电气系统的设计

1农药残留光电快速检测电气系统的设计学生：曾强指导老师：刘旭红（湖南农业大学工学院，长沙410128）摘要：传统的农药残留检测方法主要有气相色谱法、高效液相色谱法、气相色谱质谱联用技术、液相色谱一质谱联用技术等。这些方法虽然测量准确但存在样品前处理过程繁琐、消耗试剂、耗时长等缺点，不能满足快速、绿色检测的需要。光电检测技术具有检测灵敏度高、取样量少、快速、简便，可在恶劣环境下进行在线、连续监测等优点，它在农药残留检测中的应用成为当今热点之一。本文结合化学发光法和光电检测技术原理，设计一个光电检测系统对农药残留物进行检测，并进行了理论与实验研究。关键词:农药残留；光电检测；信号处理DesignofPhotoelectricRapiddetectionSystemofPesticideResiduesStudent:ZengQiangTutor:LiuXuhong(CollegeofEngineering，HunanAgriculturalUniversity，Changsha410128，China)Abstract:Thetraditionalpesticideresiduesdetectionmethodcontainsgaschromatography,highperformanceliquidchromatography,combinedgaschromatographymassspectrometry,highperformanceliquidchromatographymassspectrometry,andsoon.Thoughthesemethodsareprecise,thereisalotofdisadvantageinthesemethodssuchasfussysamplepreparation,largeconsumptionofresgentandlongelapsedtime.Anditcannotsatisfytherequirementofrapidandgreendetection.Photoelectricdetectiontechnologyhasadvantageofhighsensitivity,littlesample,rapidandsimple,andabletorunonlineandcontinuouslyinthesevereenvironment.Itsapplicationinpesticideresiduesdetectionhasattractedconsiderableinterest.Combiningchemiluminescencemethodwithphotoelectricdetectionprinciple,thispaperdesignedaphotoelectricdetectionsystemtodetectthepesticideresidues,andconductastudyoftheoryandexperiment.Keywords:Pesticideresidues;Photoelectricdetection;Signalprocessing21前言农药是指用于预防、消灭或者控制危害农业、林业的病、虫、草和其它有害生物以及有目的地调节植物、昆虫生长的化学合成或者来源于生物、其它天然物质的一种物质或者几种物质的混合物及其制剂。农业的首次使用可以追溯到公元前，农药生产进入商业化阶段是从20世纪40年代一大批有机合成农药的使用开始，其主要代表农药是具有选择性的苯氧乙酸除草剂、有机氯和有机磷杀虫剂[1]。农药的使用推动了农业的快速发展，给人类带来了巨大的经济利益。但是，随着农药使用量的越来越大，它的缺点也暴露出来，最主要的就是农药残留问题。农药残留指的是农药使用后残存在生物、农产品以及生态环境中的农药原体、代谢物、降解物和杂质的总称，通常把残存的数量称为残留量。在通常情况下主要是指农药原体的残留量和其代谢物、降解物的残留量，具体大小与多种因素有关。农药残留带来了水、食物以及生态环境各方面的污染，时刻危害着人们的身体健康与生命安全。进入21世纪以来，随着人们生活水平和环保意识的提高，以及进入WTO以后农产品农药含量超标引起的贸易壁垒问题，如何切实有效地控制、监测农药残留己成为人们非常关心的问题，也引起了政府的高度重视。2绪论2.1研究目的及意义农药的发明带来了农业科技的进步，但随着农药的大量使用，它所造成的危害也愈加明显。农药在环境中的残留，时刻破坏着地球的生态系统;农药在食物中的残留，严重危害了人类的身体健康和生命安全;农药残留问题影响了我国的农产品出口，造成了重大的经济损失。因此，对农药残留的高灵敏度检测就变得异常重要。目前，我国对农药残留的检测方法还主要限于气相色谱法、液相色谱法等传统农药残留检测方法，这些方法虽然具有分析精度高、定量准确等优点，但是这些方法样品前处理复杂检测时间一长，成本过高，需要在实验室由专业人员来进行检测，不能满足现场检测的需求。因此必须研究出新的农药残留检测方法，能够满足现场检测、快速、成本低、显示直观、定性和半定量及判断其产品是否使用安全的要求。光电检测技术作为一种应用范围性较广且快速可靠的技术，它在农药残留检测中有着很大的研究价值。基于此考虑，本文提出了一种化学发光法和光电检测技术相结合的农药残留检测方法。研究的意义在于:(1)对完善光电检测技术在农药残留检测领域应用中的理论探索具有重要的参考价值；3(2)将化学发光法和光电检测技术相结合，省去了光电检测系统中光源的设计，从而使得检测设备更加轻便，更易于现场检测的实现；(3)为农药残留检测提供了一种新的快速检测的手段，具有应用前景。本实验系统研制，将给科研和农业检测领域带来一种高效快速的光电检测方法，并为开发新的农药残留检测仪器提供了一种新思路和有效的手段，具有广泛的应用前景和潜在的经济效益[2]。2.2研究内容2.2.1从系统的整体出发，进行理论研究主要包括光电检测系统的构成，光探测器原理、分类、性能参数及选取原则等的理论论述。2.2.2光电检测系统的硬件电路的设计包括前置放大电路的设计，滤波电路的设计，放大电路的设计，A/D转换电路与单片机电路等。同时对各种器件的选型也做了详细论述。2.2.3光电检测系统的软件设计主要是A/D转换器的程序设计以及单片机主程序设计。2.2.4对系统进行检测和校正将设计好的光电检测系统应用于农药浓度的检测，对实验数据进行分析处理，建立数学模型，完成系统的进一步校正，并对本文工作进行总结。2.3技术路线论文基于化学发光法和光电检测技术相结合的原理，设计完成农药残留检测的光电检测系统，对给定农药进行实验测定，建立起农药浓度与发光强度(电压)的数学模型。技术路线如下：(l)查找学习关于光电检测的相关文献资料，为系统设计铺垫好理论基础；(2)设计电路图，确定元器件的参数，选择元器件；(3)根据电路图进行检测仪器的制作；(4)进行测量实验。将发光物质和被测物质混合，注入密封装置，通过设计的光探测器检测发光强度的变化，对所得信号进行放大和滤波，用示波器测量输出电压，查看数据是否正确，波形是否存在失真，并进一步调整元器件的参数；(5)根据测试所得数据建立农药浓度与光强(电压)的数学模型；(6)根据国家有关规定，确定检测验证系统是否达到了设计要求，进一步修正元件参数，直到符合要求。42.4技术指标系统设计及实验过程中，需要满足以下指标：(l)光电二极管:能够检测波长在425nm左右的光信号，灵敏度要好；(2)运算放大器:适用于检测微弱信号的低噪声、高精度运放；(3)电源:能够提供输出为正负15V的直流电源；(4)灵敏度:农药残留检测系统的最低检出限度应该满足小于0.lmg/L。3光电检测电路基础理论分析3.1光电检测系统的基本构成光电检测系统由光电传感器、处理电路和显示控制三个基本部分组成。如图1示：图1光电检测系统的基本组成Fig1BasicCompositionofPhotoelectricDetectionSystem显然，框图中的光电传感器是检测系统的核心部分。它通常由光源、光学系统和光电探测器组成。光源是光电检测系统中必不可少的部分，光源可以是人工光源，也可以是自然光源，有时待测对象就是光源。处理电路的作用是将光电传感器输出地微弱电信号进行放大、处理(解调、数/模或模/数转换)、运算等，以适应后续显示、控制或执行机构的要求[3]。3.2光电探测器件的基本原理在光电子学技术领域，光电探测器有它特有的含义。凡是可以把光辐射量转换为另外一种便于测量的物理量的器件，我们都把它叫做光电探测器。从近代测量技术来说，电量是最方便最精确地，所以通常凡是把光辐射量转换为电量(电流或电压)的光探测器，都称为光电探测器。3.2.1光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应通常分为两大类：光子效应和光热效应。(1)光子效应：入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子相互作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象，统称为光子效应。光子效应又分为内光子效应和外光子效应。内光子效应:受到光照射的物质内部电子能量状态发生改变，但不存在表面发射电子的现象称为内光电效应。内光子效应包括光电导(本征和非本征)效应、光伏效应。半导体材料吸收能量足够大的光子后，会使原来处于束缚状态的电子或空穴5转变为自由状态，从而使半导体的电导率增加，这种现象称为光电导效应。光电导探测器即利用此效应制作而成。光伏效应是指在半导体材料内部PN结零偏的条件下，如用光照射P区或N区，只要照射光的频率满足一定条件，就会激发出电子一空穴对，在结区会产生开路电压的效应。外光子效应：当光辐射照射在某些金属、半导体材料表面时，假若光子的能量足够大，使材料内部的一些电子接受光子能量后脱离材料从表面逸出，这种现象称为光电子发射，也称外光电效应。利用这种效应制成的探测器件有真空光电二极管、充气光电二极管和光电倍增管。(2)光热效应：光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测器件材料某些物理性质的变化。探测器件的材料因吸收辐射而温度升高，可以产生温差电动势、电阻率发生变化、自发极化强度变化或使气体体积与压强变化等物理现象。测量这些物理性质的变化，就能测量出被吸收的光辐射的功率。常见的热探测器有温差热电偶和热电堆、金属和半导体热敏电阻测辐射热器以及热释电探测器。3.2.2光电转换定律对于光电探测器而言，入射光辐射时，输出光电流。把光辐射量转换为光电流的过程，称为光电转换。单色光功率P(t)可以理解为能量hv光子流，光电流是光生电荷Q的时变量，e是电子电荷，所以有：(1)式中所有变量都应理解为统计平均量。由基本物理观点可知，I应该正比于P，引入比例系数D，得：(2)式中D又称为探测器的光电转换因子。把式(l)代入上式，有：(3)称为探测器的量子效率，它由探测器的物理性质所决定。再把式(3)代入式(2)后，有：(4)6这就是基本的光电转换定律。它表明：(1)光电探测器对入射光功率的响应是光电流，因此，一个光探测器考视为一个电流源；(2)因为光功率P正比于光电场的平方，故常常把光电探测器称为平方律探测器，可见光电探测器本质上是一个非线性器件。3.2.3光电探测器的分类常用的光电探测器分类。光电探测器分为外光电效应和内光电效应，其中外光电效应分有放大作用（光电倍增管）和无放大作用（真空光电管和充气光电管），内光电效应分光导型和光伏型，光导型分杂质型（P/N型光导探测器）和本征型（光敏电阻和光导探测器），光伏型分有放大作用（光电三极管、光电场效应管、光电开关管）和无放大作用(光电池、光电二极管、双光电二极管)。3.3光电探测器件的选择选择光电探测器件，主要可以从其接收光信号的方式、性能参数以及应用匹配等方面来考虑。3.3.1接收光信号的方式接收光信号的方式有以下几种：(1)光信号的有无。光信号的有无是由被测对象造成投射到光探测器上的光信号截断或通过而产生。例