摘要：水華是嚴重的水體災害。現階段，對于水華，人類缺少有效的治理手段。實時地監測水體中各種藻類的密度，意義重大。本文采用正弦調制、高速USB數據采集卡和離散信號軟件處理的儀器方案，基于葉綠素熒光效應，完成了藻類含量測量儀的設計與實現。儀器通過數字正弦信號發生器和LED電流驅動器，產生正弦變化的電流驅動超高亮LED，從而實現了對熒光激發光的正弦調制;通過高速USB數據采集卡進行信號采集，然后通過離散互相關運算實現了軟件對信號的處理。

　　引言

　　隨著人口增長和經濟社會發展，水污染問題日益嚴重，水環境問題成為非常重要的生態環境問題，并影響到全球國家的經濟和社會發展。目前，我國湖泊、水庫富營養化嚴重。隨著水質富營養化程度加重，當淡水水體中浮游植物爆發性繁殖并聚集時，會產生水體變色的現象，這種現象叫“水華”。我國水華事件發生范圍較廣，發生頻率較高，并造成嚴重損失。

　　水華發生的首要條件是藻類的爆發性增殖，因此，只要使用藻類含量測量儀實時在線監測重點湖泊和水庫的各種藻類含量動態，在水體中藻類有爆發性增殖的趨勢之前，采取對策，就能有效預防水華的發生。

　　進入21世紀以來，我國很多高校及科研院所進行了藻類含量測量儀的研制。但是，目前我國還沒有可以應用在水體藻類實時在線監測的產品。

　　現有的藻類含量測量產品在水樣中葉綠素濃度低于1μg/L時測量精度很低。本文基于葉綠素熒光效應，采用正弦調制、高速USB數據采集卡和離散信號軟件處理的儀器方案，完成了藻類含量測量儀的設計與實現。

　　系統結構

　　藻類含量測量儀的系統框圖如圖1所示。

　　磁力攪拌器的作用是，保證藻類在水體樣品中均勻分布，采用IKA公司生產的Topolino。

　　超高亮LED陣列用于產生激發含有藻類的水體樣品產生熒光效應的激發光，共有3個發出不同波長光的LED，分別為藍色(中心波長460nm左右)、綠色(中心波長530nm左右)和黃色(中心波長595nm左右)。

　　THORLABS公司的LD3000電流驅動器是用來驅動LED的，電流最大可達到2.5安培。它相當于一個電壓控制電流源，給它輸入正弦變化的電壓，則產生相同頻率的正弦變化的電流。

　　信號發生器的作用就是產生880Hz的正弦變化的電壓信號，輸送給LD3000電流驅動器。

　　藻類含量測量儀控制卡的作用包括，對磁力攪拌器和正弦信號發生器的開關控制、對超高亮LED陣列的控制以及與PC機的通信。

　　光電倍增管的作用是將含有藻類的水體樣本在電流正弦變化的LED光的激發下產生的微弱的熒光信號轉化為電流信號，采用濱松公司CR131型。

　　光電倍增管電源為光電倍增管提供電源，同時為光電倍增管提供增益調節。

　　前置信號處理模塊的作用包括，將光電倍增管的電流信號轉變為電壓信號，然后進行放大和初級帶通濾波。

　　信號采集卡的作用是，在便攜式電腦的控制下，對輸入的信號進行AD轉換，并對信號AD轉換得到的數據進行保存，并在對信號進行了一定時間的采集后，通過USB接口將采集到的數據傳送給便攜式電腦，以供后續計算使用。本文采用北京星爍華創科技有限公司的FCFR-USB2027A-3，模擬輸入分辨率為14位，采集率最高達3MS/s，硬件FIFO為4M，USB2.0接口。

　　便攜式電腦上裝有藻類含量測量儀配套軟件，通過USB接口與信號采集卡和藻類含量測量儀控制卡進行通信。藻類含量測量儀配套軟件的作用包括，測量中與藻類含量測量儀互相發送和接收“握手信號”，控制信號采集卡采集數據，并讀取信號采集卡采集到的數據，存入相應的文件中，對存儲到文件中的信號數據與參考正弦信號數據進行處理，得到熒光信號幅值，然后求得水體中3種藻類分別的含量，并進行顯示。