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【我爱学习】新型数字荧光剂检测笔结构解析

sc360xp

2017/09/01

分子荧光光谱

前言
荧光，是一种光致发光的冷发光现象。当某些物质内部的原子经某种波长的光（通常是紫外线或X射线）照射，原子核周围的一些电子由原来的轨道跃迁到了能量更高的轨道，从基态跃迁到第一激发单线态或第二激发单线态等，吸收光能后进入激发态，恢复到基态时，能量会以光的形式释放，产生荧光。很多荧光物质一旦停止照射，发光现象也随之消失；有一些物质在照射光撤去后仍能较长时间发光，这种现象称为余辉（例如，有的钟表指示表盘）。在家庭中，观看物质荧光，常常用到紫光灯管验钞器或紫光LED电筒。随着颜色传感器的问世，数字荧光剂检测笔应运而生，使得定量观察物质荧光，非常方便快捷。下面解析一只上市不久的数字荧光剂检测笔，学习掌握其结构原理，能夠更好地使用。
一、仪器概况
仪器外观
VSON牌，超便携式：

技术指标：

仪器前端的检测窗口，内有颜色传感器、紫光LED、白光LED（电筒照明功能）：

仪器后部的显示窗口，采用红LED显示器：

仪器使用一节5号电池，相当省电：

仪器工作模式
该检测笔有三种工作模式：数字检测模式、紫光电筒模式、白光电筒模式。
工作示意图如下，将被测物体表面紧贴检测窗口，按下检测按钮保持1秒钟，即可从尾部的数显窗读出数值；

若要用紫光电筒模式（例如，照射纸币的荧光防伪标识），长按第二个按钮，发出紫光，松开按钮即关闭：

要用白光电筒模式，短按第二个按钮，发出白光，再按一下即可关闭：

二、拆解
从电池仓两端拆下两颗固定螺丝：

很容易取下底盖，看见内部电路板：

再拆下主板上两颗固定螺丝：

取下主板：

观察窗这端的情况：

检测窗这端的情况：

三、主要元件及功能
主板上元件分布：

电路板前端，有检测窗组件、两只操作微动按钮：

电路板后端，有两路1.5伏DC-DC升压电路，其电源管理IC分别是U2、U3。U2的型号33-1a（3.3V/1A）；U3的型号3036（6V）；分别为单片机U1供电和LED组件供电。D1、D2是肖特基二极管（型号SS14 1A/40V），C1、C2、C7是电源滤波电容，L1、L2是续流电感：

电路板中间的U1，是合泰公司（HOLTEK）HT66F0185单片机，该单片机是一款内置EEPROM A/D型具有8 位高性能精简指令集的Flash 单片机。内建8/12/16MHz振荡器，无需外部元件，多达26 个双向I/O 口，软件控制6个SCOM/SSEG口和18 个SSEG口1/3 bias LCD驱动，可编程输入/输出口源电流用于LED，可直推动LED / LCD不须外挂限流电阻或三极管，大幅简化产品应用零件及降低成本。该系列单片机广泛应用于各种产品中，例如电子测量仪器、环境监控、手持式测量工具、家庭应用、电子控制工具、马达控制等方面。
电路板上紧挨MCU的Q1、Q2、Q3 采用P沟道场效应管，型号A1SHB，20V/2.3A/1.25W，分别驱动紫光LED及白光LED。

这是检测窗口的光窗片：

由于普通玻璃对紫外线衰减很大，而紫外线能透过石英玻璃，所以光窗片是采用石英材料制作的。紫外线的穿透能力，不是人们想象中那么高，含铅玻璃、塑料、纸片等都会大幅减低其照射强度。所以仪器在使用前，应用医用酒精纱布擦拭光窗片，清除油渍、手汗及灰尘，以免影响紫外线穿透率及照射强度，造成检测误差大。

检测窗内的元件：

这是颜色传感器：

这颗颜色传感器是美国TAOS公司推出的可编程彩色光/频率转换器，型号TCS230：

相关知识：TCS230采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有8X8=64个光电二极管。其中16个光电二极管带有红色滤波器；16个光电二极管带有绿色滤波器；16个光电二极管带有蓝色滤波器，其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息。这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器，该传感器的典型输出频率范围从2Hz－500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100％、20％或2％的输出比例因子，或电源关断模式。输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。
TCS230把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器，TCS230的输出数字量信号，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接，由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单。
正是由于采用了这颗新型的传感器，大大简化了本仪器的电路结构。TCS230的引脚和功能框图如下：

检测端的紫外LED，采用2835紫外灯珠：

检测端的白光LED，采用2835正白光灯珠：

这是仪器数值显示端，采用GS-16171CR1-A LED数码显示组件：

数值显示窗口的红色滤光片，使观看效果更好：

根据拆机情况，绘出仪器电路原理框图：

仪器工作原理：开机后，1.5V电源经DC-DC电路转换为3.3V(为MCU供电)及6V（为LED及有关电路供电）。长按1秒检测按钮，单片机接通紫外LED，紫外光照射到被测物体表面，反射回的荧光被颜色传感器接收，将荧光强弱转换为不同频率信号，送入单片机按照内置固化程序分析处理，结果由LED显示器显示；长按电筒模式按钮，单片机接通紫外LED，此时颜色传感器不工作，单纯进入紫光电筒模式，再按一下即关断；短按电筒模式按钮，单片机接通白光LED，进入白光电筒模式，松开按钮，就关断；2分钟不工作，机器自动断电，节约电池。

四、使用情况
检测妇婴纸巾：

检测纺织品：

检测墙纸：

检测人民币的情况，不同的位置，荧光值不同：

用紫光灯电筒模式，观察人民币的情况：

结束语
新型颜色传感器的运用，使得荧光剂检测光度计仪器的电路设计大大简化。仪器工作更稳定，测量更精准，故障率更低，体积进一步缩小，便于携带和现场检测使用，成本降低，更容易进入家庭，有益于提高人们生活质量。经过实际使用，该荧光剂检测笔准确度较低，只适用于家庭普通判断。

分
该帖子已被版主-秋月芙蓉加10积分，加2经验;加分理由:原创鼓励

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Insm_896237e4

第1楼2018/01/03

你好，我买了这款仪器，但是上面的传感器，并不是颜色传感器

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sc360xp

第2楼2018/01/03

是刚买的？拍两张图片传上来看看，难道厂家调整设计、换元件了？
Insm_896237e4(Insm_896237e4) 发表:你好，我买了这款仪器，但是上面的传感器，并不是颜色传感器

0

Insm_896237e4

第3楼2018/01/03

他这个怎么将rgb值转成荧光浓度啊，我想不通它这个仪器测的是什么

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sc360xp

第4楼2018/01/03

这个仪器的实质是光度计，我在文中已述说。再请传一张按钮、显示器外观看看，是否与我的那个相同型号。
Insm_896237e4(Insm_896237e4) 发表:他这个怎么将rgb值转成荧光浓度啊，我想不通它这个仪器测的是什么

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Insm_896237e4

第5楼2018/01/03

相当于一个紫外可见分光光度计？

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sc360xp

第6楼2018/01/03

这个是固定光谱365nm，测量物质被照射后发出的荧光强弱。
Insm_896237e4(Insm_896237e4) 发表:相当于一个紫外可见分光光度计？

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Insm_896237e4

第7楼2018/01/03

那就是说，他设定了一个荧光强度和浓度标准，通过检测到的荧光强度，将其转换成浓度值

0

sc360xp

第8楼2018/01/03

是滴，厂家在固件中，根据实验数据固化了有关程序。
Insm_896237e4(Insm_896237e4) 发表:那就是说，他设定了一个荧光强度和浓度标准，通过检测到的荧光强度，将其转换成浓度值

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Insm_896237e4

第9楼2018/01/03

老哥你做啥的，感觉挺强的

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sc360xp

第10楼2018/01/03

我是电气技术人员，电子仪器方面的知识是本行。
Insm_896237e4(Insm_896237e4) 发表:老哥你做啥的，感觉挺强的

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