一、引言

牛奶，是最古老的天然飲料之一。牛奶顧名思義是從雌性奶牛身上所擠出來的。在不同國家，牛奶也分有不同的等級，目前最普遍的是全脂、低脂及脫脂牛奶。目前市面上牛奶的添加物也相當多，如高鈣低脂牛奶，就強調其中增添了鈣質。

牛奶在人們的生活飲食中越來越普遍，實時快速準確的檢測牛奶成份對提高牛奶質量和對實現乳業生產過程的自動化管理有重要意義。檢測牛奶成份的方法有多種，化學分析方法仍然是準確度最高的檢驗方法，但是他很難適應短時間測試的需要，物理儀器測試法主要有利用超聲波原理和光譜分析檢測，目前國外的技術相對比較成熟，但儀器昂貴，不可能在中國普及，特別不可能在中小企業和乳牛場使用。本文介紹的牛奶成份測儀采用激光散透比來檢測，精度比較準確、成本較低。

二、檢測原理

激光散透比檢測即用激光的入射平內同時90°處的散射光光強Is和檢測0°處的透射光光強It的比值來表征測試牛乳蛋白質含量的光學參量。但是由于牛乳中存在兩種散射大分子，所以很難準確地單獨測出蛋白質和脂肪含量。通過化學研究，找出一種快速蛋白質熔解液（乙二氨四乙酸稀溶液）能夠把蛋白質溶解為小分子，使牛乳稀溶液中只有脂肪是牛乳中的不溶的大分子測出脂肪，再測脂肪和蛋白質兩相共存的牛乳稀溶液，通過建立理論關聯模型便可求出蛋白質含量。在測量過程中光電流信號比較微弱，所以設計性能好的光強檢測電路是很重要的。此儀器電路設計最關鍵的部分就是光強采樣電路的設計，光強采樣電路的設計合理與否直接影響到牛奶成份檢測的準確度和精度。牛奶成份檢測儀的結構框圖如圖1所示。

從半導體激光器發出波長為635 nm的非偏振光，平行準直入射試樣盒，在透射光和散射光方向用光電二極管將光信號轉化為電信號。光強檢測電路由放大電路和A／D轉化電路組成，放大電路將由光電二極管轉化的微弱電信號放大為適合A／D轉化的模擬電壓。A／D轉化電路將模擬電壓轉化為數字量。單片機是儀器的控制器，用于處理按鍵，讀取采樣值、計算并顯示測量結果。

三、影響光電轉化輸出信號精度的原因

在此儀器的結構圖可以看出，影響光電轉化輸出信號精度的因素有以下幾個方面：

（1）半導體激光器發出的光具有不一致性，在一定的波長范圍分布；半導體激光器對溫度敏感，環境溫度的變化和注入電流的熱效應都會使激光器的閾值電流以及輸出光功率發生變化。本儀器設計中采用分布反饋（Distributed Feed Back，DFB）半導體激光器，波長穩定性好，溫度漂移約為0.08 nm／℃，頻率和強度噪聲低。

（2）光電二極管的性能參數直接影響輸出信號的穩定性和精度。本儀器設計中采用日本濱松光子株式會社的S5226硅光二極管，該器件的性能參數如下：有效接收面積5.8×5.8 mm2；終端電容430 pF；分流電阻1 GΩ；暗電流100 pA；光譜響應范圍190～1 000 nm；峰值靈敏度波長740 nm；峰值靈敏度約0.36 A／W；在635 nm處靈敏度約0.32 A／W；從以上參數可以看出，在激光發出的光的一致好的情況下，誤差是非常小的。

四、光電轉化電路的設計

光電技術是將傳統的光學技術與現代電子技術與計算機技術相結合的一種高新技術。 以光電轉換電路為核心的光電檢測技術已經被廣泛地應用到軍事、工業、農業、環境科學、醫療和航天等諸多領域。 所謂的光電轉換是以光電二極管為基礎器件， 通過將照射于二極管上光通量的改變量轉化為相應的光電流，再經過前置放大、主放大等后續電路進一步優化有用信號， 最后實現與上位機與相應算法的連接。 由此可見， 任何光電檢測系統中， 光電轉換電路的設計與優化都是重中之重， 它性能的穩定以及相關參數的合理性將決定著整個檢測系統的設計成敗。

光電轉化電路將傳感器光電二極管輸出的微電信號放大，光電轉換電路如圖2所示。

硅光二極管處于反相偏置，使硅光二極管工作在其伏安特性的第三相限，光強與光電流呈線性關系，相對于零偏置這種形式的電路具有更低的噪聲和更好的線性度。由于硅光二極管輸出電流較小，因此為了減小運放的偏置電流對測量的影響，必須選取低偏置電流的運放；此外，溫漂、失調電流、失調電壓等參數也得考慮。綜合考慮，選用Maxim公司的ICL7650運放，該芯片是利用動態校零技術和CMOS工藝制作的斬波穩零式高精度運放，輸入偏置電流在25℃時為1.5 pA、輸入失調電壓為1μV、失調電壓溫度系數為0.01μV／℃，輸入電阻可以達到10×12 Ω，此外其共模抑制比達到130 dB。ICL7650應用時需接2個0.1 μF的調零電容，為了穩定運算放大器輸出信號的直流分量，需將鉗位端（CLAMP）連接運算放大器的輸入端和輸出端，這樣芯片會在輸出達到飽和之前，在鉗位端和輸出端之間建立一個電流通道，從而防止電荷在校零和寄存電容上繼續積累，減少電容的充放電恢復時間，使輸出電壓得到穩定。由于是斬波穩零器件該芯片內部晶振產生200 Hz內部節拍頻率，為減小輸出信號的噪聲，輸出端可接1個0.1μF的電容C4去除高頻信號。為防止產生自激振蕩在輸入與輸出之間接1個0.1 μF的補償電容C1，對于增益電阻可采用高精度的可調電阻，輸出信號幅度與R1成正比。R1取值大一些可以增加信噪比。但R1取值要受輸出電壓幅度的限制，通常的高分辨力的A／D轉換器基準電壓為3.3 V，其模擬量輸入范圍為0～3.3 V，為了與A／D轉換電路相切配，光電轉換電路的Uo輸出最好不應超過3.3 V。

五、A／D轉化電路的設計

A/D轉化電路。 亦稱“模擬數字轉換器”，簡稱“模數轉換器”。將模擬量或連續變化的量進行量化（離散化），轉換為相應的數字量的電路。 A/D變換包含三個部分：抽樣、量化和編碼。一般情況下，量化和編碼是同時完成的。 抽樣是將模擬信號在時間上離散化的過程； 量化是將模擬信號在幅度上離散化的過程； 編碼是指將每個量化后的樣值用一定的二進制代碼來表示。

A／D轉化電路采用高精度的∑型A／D轉換器，這種轉換器件采樣頻率高。其芯片內部主要由數字電路組成，模擬部分的電路較少，易于實現高精度，并且成本較低，廣泛應用于儀器儀表，工業數據采集等場合。在本系統中，采用TI公司的ADS1100，ADS1100是精密的連續自校準模／數A／D轉換器，帶有差分輸入和高達16位的分辨率，封裝為小型SOT23-6。轉換按比例進行以電源作為基準電壓。ADS1100使用可兼容的I2C串行接口，在2.7～5.5 V的單電源下工作。ADS1100可每秒采ADS1100可每秒采樣8，16，32或128次以進行轉換。片內可編程的增益放大器PGA提供高達8倍的增益，允許對更小的信號進行測量，并且具有高分辨率。在單周期轉換方式中ADS1100在一次轉換之后自動掉電，在空閑期間極大地減少電流消耗。此外，可以將光強采樣電路裝入金屬屏蔽盒中，并就近安置在光電傳感器的輸出位置，通過兩線串行輸出接口與單片機電路相連接，這樣的設計將模擬與數字電路分開，盡量減小外界干擾帶來測量的誤差，提高測量系統的穩定性和精度。A／D轉換電路與單片機接口如圖3所示。

對ADS1100采取PCB布線技術相對容易一些，而且16位性能也不難達到。任何數據轉換器實際上只相當于其基準，對于ADS1100其基準就是電源，因而電源必須足夠干凈，以達到期望的性能如果采用電源濾波電容器，則應將該電容器置于靠近VDD引腳處，在電容器和VDD引腳之間沒有通路，引至該引腳的路徑盡可能寬。輸出數字量可以直接與MSP430系列單片機接口聯接，ADS1100外接元件很少，這樣簡化了系統設計，并可提高電路的可靠性。

a/d轉換器的功能是把模擬量變換成數字量。由于實現這種轉換的工作原理和采用工藝技術不同，因此生產出種類繁多的a/d轉換芯片。a/d轉換器按分辨率分為4位。6位。8位。10位。14位。16位和bcd碼的31/2位。51/2位等。按照轉換速度可分為超高速（轉換時間≤330ns），次超高速（330~3.3μs），高速（轉換時間3.3~333μs），低速（轉換時間＞330μs）等。a/d轉換器按照轉換原理可分為直接a/d轉換器和間接a/d轉換器。所謂直接a/d轉換器，是把模擬信號直接轉換成數字信號，如逐次逼近型，并聯比較型等。其中逐次逼近型a/d轉換器，易于用集成工藝實現，且能達到較高的分辨率和速度，故目前集成化a/d芯片采用逐次逼近型者多；間接a/d轉換器是先把模擬量轉換成中間量，然后再轉換成數字量，如電壓/時間轉換型（積分型），電壓/頻率轉換型，電壓/脈寬轉換型等。其中積分型a/d轉換器電路簡單，抗干擾能力強，切能作到高分辨率，但轉換速度較慢。有些轉換器還將多路開關。基準電壓源。時鐘電路。譯碼器和轉換電路集成在一個芯片內，已超出了單純a/d轉換功能，使用十分方便。

六、結語

通過對激光散透比法檢測牛奶成份方法的分析，對影響光強采樣電路的精度和準確性的各種因素的分析，本采樣電路的設計方案可以滿足模擬信號精度的要求。此外，本測量方案使用斬波穩零式高精度運放轉換器件ICL7650，提高了檢測的精度；使用高精度∑型A／D轉換器ADS1100，簡化了電路，提高了可靠性。