一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统的制作方法

本发明涉及传感器检测技术领域，具体涉及一种在线式的水中溶解氧测量系统。

背景技术：

水中溶解氧浓度的含量是评价水质的一项重要指标，是水质常五项之一，通过溶解氧检测设备能够实现对水中溶解氧的实时监测，再结合PH值、浊度等其它的监测参数可以快速得到水质状况，进而及时开展相关整治工作。不仅如此，溶解氧的测定在酿酒工艺，造纸工艺，冶金工艺以及生物医学方面也都具有着重要的应用。

传统的溶解氧测量技术主要有滴定碘量法和电化学的方法，其中滴定碘量法是一种典型的化学检测方法，它不但需要消耗一定含量的样品溶解氧，而且其程序繁琐，耗时长，无法满足在线测量的要求。而采用电化学的方法制成的传感器则存在容易被污染，需要经常更换清洗，具有不稳定且容易失效等缺陷。相比之下，荧光淬灭法具有很好的光化学稳定性，重现性，无延迟，精度高，寿命长等优点，进而可以对水中的溶解氧进行实时的检测。因此，水质检测要求的提升使得人们对使用荧光淬灭法进行溶解氧含量检测更加青睐。

在国内，很多的企业研究所或者高校都进行了一定该方面的理论研究和实验测试，但是能够系统的完成产品研发以及做出高分辨率、快速响应的商品化仪器在国内还较少，同样使用荧光淬灭法原理，然而最终检测精度却有所不同，因此研究采用何种设计和算法完成相位差测量成为了设计一种高精度溶解氧传感器的关键部分。

技术实现要素：

为了解决检测溶解氧含量精度低、检测过程繁琐、检测周期长等问题，本发明提供了一种在线式的高精度溶解氧检测系统，为了实现精度上提高，采用了荧光淬灭法检测方法配合FFT相位差技术进行检测，并采用24位高精度AD/DA进行信号的产生和采集；为了减少检测时间，采用XILINX公司的FPGA，利用其并行结构的特点对算法进行并行计算。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统，包括下位机系统和上位机模块；所述下位机系统用于实现数据采集、FFT算法处理、系统控制、温度读取以及将预处理后数据发送至上位机模块，以方便计算机(1100)与各个模块的数据传输和控制；计算机(1100)用于对采集到的信息做进一步的处理，最终得到所需的水中溶解氧含量及部分相关参数，并实时显示检测结果。

进一步，所述的下位机系统包括溶解氧采集和主控模块(1000)、金属屏蔽外壳(1010)、光纤通道(1011)、PD高温溶氧膜(1012)和凸透镜/滤光片(1013)，由溶解氧采集和主控模块(1000)按照一定频率发射出650nm参比光(2004)和395nm激发光(2005)通过光纤通道(1011)打到到PD高温溶氧膜(1012)上发生荧光淬灭反应，650nm参比光(2004)的反射光和395nm激发光(2005)在溶氧膜(1012)上产生的荧光通过凸透镜/滤光片(1013)分别被采集和控制模块(1003)上的PD采集电路(3000)所采集。

所述的金属屏蔽壳(1010)用于对整体系统的进行电磁屏蔽和提供系统的防水功能，满足一定深度的水中检测要求；

所述的光纤通道(1011)保证了采集和控制模块(1003)中的650nm参比光(2004)和395nm激发光(2005)能够无损耗到达PD高温溶氧膜(1012)，并且通过该通道将控制部分和高温水(150摄氏度)进行隔离，以实现高温水溶解氧含量检测；

所述的PD溶氧膜(1012)采用启盘科技有限公司自制溶氧膜PyxisPd，同Ocean Optics荧光膜等成品对比具有一致的灵敏度水平和更高的耐温特性，适用场景更为丰富；

所述的凸透镜和滤光片(1013)用于对650nm参比光(2004)和395nm激发光(2005)产生的反射光和荧光进行汇聚并滤除杂色光，保证通过的光为单一波长的光，进一步保证了系统的检测精度。

所述溶解氧采集和主控模块(1000)包括电源模块(1001)、串口模块(1002)以及采集和控制模块(1003)，所述的采集和控制模块(1003)分为两部分，信号产生第一部分由FPGA控制器(2000)、数模转换器(2001)、电压/电流转换电路(2002)、选择器电路(2003)、650nm波长参比光单点光源(2004)、395nm波长激发光单点光源(2005)组成；信号采集部分由PD采集电路(3000)、电流/电压转换电路(3001)、低通滤波器(3002)、同相放大器(3003)和模数转换电路(3004)所组成。

FPGA控制器(2000)通过DDS发送一路固定频率的24位正弦序列至24位数模转换芯片(2001)，所产生的固定频率的正弦信号通过电压/电流转换电路(2002)在一定频率选择器(2003)的选通下分别点亮参比光点光源(2004)和激发光点光源(2005)；

PD传感器(3000)将采集到的光信号转换为电信号后经过电流电压转换电路(3001)得到固定频率下的正弦信号，通过低通滤波器(3002)和同向放大器(3003)进行滤波和信号整形，输入至模数转换器(3004)后接FPGA控制器(2000)完成信号处理；

所述电源模块(1001)用于对溶解氧采集和主控模块(1000)进行供电；

所述的串口模块(1002)采用RS-485方式和计算机(1100)进行通信，实时的发送和接收预处理后的溶解氧数据；

所述的FPGA控制器(2000)用于输出24位正弦序列生成固定频率的正弦信号，并对模数转换器(3004)得到的数据进行FFT计算后将计算结果通过串口模块(1002)发送至计算机(1100)；

所述的数模转换器(2001)采用24位高精度AD转换芯片，用于将FPGA控制器(2000)输出的24位正弦序列转换为固定频率的正弦波形，再发送至电压/电流转换电路(2002)；

所述的电压/电流转换电路(2002)由双运放搭建，通过控制转换电阻阻值来控制电流大小，当转换电阻设置为R，输入电压为U，输出电流为I＝U/R。将输出电流接入选择器电路(2003)输入引脚；

所述的选择器电路(2003)用于选通驱动LED点光源，其受FPGA控制器(2000)控制，应用输入电流以一定频率分别驱动650nm波长参比光单点光源(2004)和395nm波长激发光单点光源(2005)；

所述的点光源分为650nm的参比光源(2004)和395nm的激发光源(2005)，根据PD溶氧膜(1012)的对不同波长光源的吸收和反射特性，参比光源(2004)会直接在膜上反射，反射光通过滤光片/凸透镜(1013)到达PD传感器(3000)。激发光源(2005)被PD溶氧膜(1012)吸收后发出荧光通过滤光片/凸透镜(1013)到达PD传感器(3000)；

所述PD采集电路(3000)用于对反射的参比光源(2004)和荧光进行采集和转换，将光信号转换为电信号，表现形式为电流信号，该信号输入至电流/电压转换电路(3001)中进行转换；

所述的低通滤波器(3002)和同相放大器(3003)用于对得到的信号进行滤波和整形，满足模数转换器(3004)输入要求；

所述模数转换器(3004)采用24位分辨率高精度AD转换芯片，用于对信号的采样，采样频率为48MHz，大于信号频率2倍以上满足采样定律。

所述计算机(1100)包括参数设定单元(1101)、数据处理单元(1102)、数据显示单元(1103)和数据储存单元(1104)，参数设计单元(1101)对发送的正弦波频率、参比光源和激发光源选通控制频率参数进行控制；数据处理单元(1102)完成对FFT计算结果的接收，并计算出两路信号设定频点处的相位，进而得到相位差；数据显示单元(1103)用于对数据的相位差和每一个信号的相位实时显示；数据储存单元(1104)将获取到的校正前溶解氧含量值、校正后溶解氧含量值、两路信号的相位差以及每一种信号单独相位以EXCEL方式进行保存。

所述参数设定单元(1101)完成对待测水盐度、气压参数进行设置，并根据设定的参数完成溶解氧含量补偿；

所述数据处理单元(1102)主要分为两个部分，第一部分为溶解氧含量计算，第二部分为溶解氧含量校准，计算机(1100)接收到串口模块(1002)发送的FFT计算结果，对于接收到每一个频点的实部和虚部数据，设定采样率是f，FFT点数为a点，则进行FFT后的频率分辨率为：

而进行FFT后的第N点对应的频率为f1*(N-1)KHz，故F频率处为第f1*(F-1)KHz点，只需要分别计算参考光和荧光FFT计算结果中的此点的相位，将其进行相减便可求得参考光和荧光正弦信号之间的相位差；

溶解氧浓度不仅仅和温度有关，而且和气压、盐度的含量有关，参数设定及数据校正模块主要完成测量参数的设置和溶解氧浓度的校正显示功能；

获取参比光和荧光的相位差之后，根据饱和溶解氧求解公式计算出溶解氧的浓度值，同时根据实验标定的结果，对溶氧浓度的计算结果进行盐度补偿；；

p、po分别为实测和标准大气压，单位为Kpa；T为饱和溶解氧水体的温度，单位为℃；

所述数据显示单元(1103)分为两个部分，第一部分为相位差显示图，第二部分为溶解氧图显示，其中相位差显示部分实时显示当前实际相位差变化，溶解氧显示部分实时显示当前检测水质的溶解氧含量。

所述的在线溶解氧测量仪在实际测量水中溶解氧含量时直接固定在一定深度的水中，下位机系统采集得到的数据通过RS-485总线方式传输至上位机模块中完成实时数据处理和显示，上下位机通过屏蔽线缆进行连接。

本发明设计一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统，通过FPGA结合FFT法对参比光和激发光的相位差进行检测，间接测量荧光寿命的变化。并通过传感器完成对水中温度以及压力同步数据采集。充分利用硬件设计的优点，采用单通道电路的设计方法，保证光源电路所受外部干扰一致，提升检测精度。在本设计中FPGA采用并行计算能够更快完成对数据的处理，进一步提高检测速度。应用温度和压力检测结果对最终溶解氧含量进行校准，得到更为精确的溶解氧值。

本发明有益效果主要表现在：精度高、检测速度快、实时性强。

附图说明

图1是荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统结构示意框图。

图2是正弦波信号产生系统结构示意框图。

图3是PD采集系统结构示意框图。

图4是荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统流程图。

具体实施方案

下面结合附图进行更进一步详细说明：

参照图1～图4，一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统，包括下位机系统和上位机模块；所述下微机系统用于实现数据采集、FFT算法处理、系统控制、温度读取以及将预处理后数据发送至上位机模块，以方便计算机(1100)与各个模块的数据传输和控制；计算机(1100)用于对采集到的信息做进一步的处理，最终得到所需的水中溶解氧含量及部分相关参数，并实时显示检测结果。

进一步，所述的上位机系统包括溶解氧采集和主控模块(1000)、金属屏蔽外壳(1010)、光纤通道(1011)、PD高温溶氧膜(1012)和凸透镜/滤光片(1013)，由溶解氧采集和主控模块(1000)按照一定频率发射出650nm参比光(2004)和395nm激发光(2005)通过光纤通道(1011)打到到PD高温溶氧膜(1012)上发生荧光淬灭反应，650nm参比光(2004)的反射光和395nm激发光(2005)在溶氧膜(1012)上产生的荧光通过凸透镜/滤光片(1013)分别被采集和控制模块(1003)上的PD采集电路(3000)所采集。

所述的金属屏蔽壳(1010)用于对整体系统的进行电磁屏蔽和提供系统的防水功能，满足一定深度的水中检测要求。

所述的光纤通道(1011)保证了采集和控制模块(1003)中的650nm参比光(2004)和395nm激发光(2005)能够无损耗到达PD高温溶氧膜(1012)，并且通过该通道将控制部分和高温水(150摄氏度)进行隔离，以实现高温水溶解氧含量检测。

所述的PD溶氧膜(1012)采用启盘科技有限公司自制溶氧膜PyxisPd，同Ocean Optics荧光膜等成品对比具有一致的灵敏度水平和更高的耐温特性，适用场景更为丰富。

所述的凸透镜和滤光片(1013)用于对650nm参比光(2004)和395nm激发光(2005)产生的反射光和荧光进行汇聚并滤除杂色光，保证通过的光为单一波长的光，进一步保证了系统的检测精度。

所述溶解氧采集和主控模块(1000)进一步由电源模块(1001)、串口模块(1002)以及采集和控制模块(1003)所组成。进一步，所述的采集和控制模块(1003)分为两部分，信号产生第一部分由FPGA控制器(2000)、数模转换器(2001)、电压/电流转换电路(2002)、选择器电路(2003)、650nm波长参比光单点光源(2004)、395nm波长激发光单点光源(2005)组成；信号采集部分由PD采集电路(3000)、电流/电压转换电路(3001)、低通滤波器(3002)、同相放大器(3003)和模数转换电路(3004)所组成。

FPGA控制器(2000)通过DDS发送一路固定频率的24位正弦序列至24位数模转换芯片(2001)，所产生的固定频率的正弦信号通过电压/电流转换电路(2002)在一定频率选择器(2003)的选通下分别点亮参比光点光源(2004)和激发光点光源(2005)。

PD传感器(3000)将采集到的光信号转换为电信号后经过电流电压转换电路(3001)得到固定频率下的正弦信号，通过低通滤波器(3002)和同向放大器(3003)进行滤波和信号整形，输入至模数转换器(3004)后接FPGA控制器(2000)完成信号处理。

所述电源模块(1001)用于对溶解氧采集和主控模块(1000)进行供电。

所述的串口模块(1002)采用RS-485方式和计算机(1100)进行通信，实时的发送和接收预处理后的溶解氧数据。

所述的FPGA控制器(2000)用于输出24位正弦序列生成固定频率的正弦信号，并对模数转换器(3004)得到的数据进行FFT计算后将计算结果通过串口模块(1002)发送至计算机(1100)。

所述的数模转换器(2001)采用24位高精度AD转换芯片，用于将FPGA控制器(2000)输出的24位正弦序列转换为固定频率的正弦波形，再发送至电压/电流转换电路(2002)。

所述的电压/电流转换电路(2002)由双运放搭建，通过控制转换电阻阻值来控制电流大小，当转换电阻设置为R，输入电压为U，输出电流为I＝U/R。将输出电流接入选择器电路(2003)输入引脚。

所述的选择器电路(2003)用于选通驱动LED点光源，其受FPGA控制器(2000)控制，应用输入电流以一定频率分别驱动650nm波长参比光单点光源(2004)和395nm波长激发光单点光源(2005)。

所述的点光源分为650nm的参比光源(2004)和395nm的激发光源(2005)，根据PD溶氧膜(1012)的对不同波长光源的吸收和反射特性，参比光源(2004)会直接在膜上反射，反射光通过滤光片/凸透镜(1013)到达PD传感器(3000)。激发光源(2005)被PD溶氧膜(1012)吸收后发出荧光通过滤光片/凸透镜(1013)到达PD传感器(3000)。

所述PD采集电路(3000)用于对反射的参比光源(2004)和荧光进行采集和转换，将光信号转换为电信号，表现形式为电流信号。该信号输入至电流/电压转换电路(3001)中进行转换。

所述的低通滤波器(3002)和同相放大器(3003)用于对得到的信号进行滤波和整形，满足模数转换器(3004)输入要求。

所述模数转换器(3004)采用24位分辨率高精度AD转换芯片，用于对信号的采样，采样频率为48MHz，大于信号频率2倍以上满足采样定律。

所述计算机(1100)包括参数设定模块(1101)、数据处理模块(1102)、数据显示模块(1103)、数据储存模块(1104)，参数设计模块(1101)主要对发送的正弦波频率、参比光源和激发光源选通控制频率等参数进行控制；数据处理模块(1102)完成对FFT计算结果的接收，并计算出两路信号设定频点处的相位，进而得到相位差；数据显示模块(1103)用于对数据的相位差和每一个信号的相位实时显示；数据储存模块(1104)将获取到的两路信号的相位差以及每一种信号单独相位以EXCEL方式进行保存。

所述参数设定模块(1101)完成对待测水盐度、气压、等参数进行设置，并根据设定的参数完成溶解氧含量补偿

所述数据处理(1102)主要分为两个部分，第一部分为溶解氧含量计算，第二部分为溶解氧含量校准。计算机(1100)接收到串口模块(1002)发送的FFT计算结果，对于接收到每一个频点的实部和虚部数据。设定采样率是f，FFT点数为a点，则进行FFT后的频率分辨率为：

而进行FFT后的第N点对应的频率为f1*(N-1)KHz，故F频率处为第f1*(F-1)KHz点。只需要分别计算参考光和荧光FFT计算结果中的此点的相位，将其进行相减便可求得参考光和荧光正弦信号之间的相位差。

溶解氧浓度不仅仅和温度有关，而且和气压、盐度的含量有关。参数设定及数据校正模块主要完成测量参数的设置和溶解氧浓度的校正显示功能。

获取参比光和荧光的相位差之后，根据饱和溶解氧求解公式计算出溶解氧的浓度值，同时根据实验标定的结果，对溶氧浓度的计算结果进行盐度补偿。

p、po分别为实测和标准大气压，单位为Kpa；T为饱和溶解氧水体的温度，单位为℃。

计算机上位机流程图如图4所示。

所述数据显示(1103)分为两个部分，第一部分为相位差显示图，第二部分为溶解氧图显示。其中相位差显示部分实时显示当前实际相位差变化，溶解氧显示部分实时显示当前检测水质的溶解氧含量。

所述的在线溶解氧测量仪在实际测量水中溶解氧含量时直接固定在一定深度的水中，下位机系统采集得到的数据通过RS-485总线方式传输至上位机模块中完成实时数据处理和显示，上下位机通过屏蔽线缆进行连接。

本实施例的基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统，通过FPGA结合FFT法对参比光和激发光的相位差进行检测，间接测量荧光寿命的变化，并通过传感器完成对水中温度以及压力同步数据采集，充分利用硬件设计的优点，采用单通道电路的设计方法，保证光源电路所受外部干扰一致，提升检测精度；在本设计中FPGA采用并行计算能够更快完成对数据的处理，进一步提高检测速度。应用温度和压力检测结果对最终溶解氧含量进行校准，得到更为精确的溶解氧值。

如图4所示，一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统的流程为：

(1)由电源模块(1001)进行系统供电，系统开始工作

(2)FPGA(2000)产生1路正弦序列输入到DA转换器(2001)中产生一定频率的正弦波形，得到的正弦波通过V/I转换电路(2002)转换为电流信号，通过选择器(2003)分别驱动参比光(2004)和激发光(2005)LED。

(3)产生的点光源在通过光纤通道(1011)后打到PD溶氧膜(1012)，溶氧膜(1012)反射650nm参比光并吸收395nm激发光，当溶氧膜(1012)吸收395nm激发光后根据荧光淬灭法的原理产生650nm波长荧光。反射的参比光以及生成的荧光通过滤光片和凸透镜(1013)进入PD传感器(3000)

(4)将PD传感器(3000)得到的电流信号通过I/V转换电路转换为电压信号，经过滤波器(3002)和放大器(3003)电路输入到AD(3004)中，转化为数字信号输入至FPGA(2000)中进行运算。

(5)FPGA(2000)运行FFT算法对两路正弦信号进行处理，将FFT计算后结果同温度、压力传感器采样结果通过串口模块(1002)输入至计算机(1100)中。

(6)在计算机(1100)中进行参数设定(1101)和数据处理(1102)，将FFT计算结果转换为相位差，并根据相位差同溶解氧含量的关系得到当前水质的溶解氧含量。

(7)上一步骤得到的溶解氧含量结合得到的温度和压力值进行校正后得到最后的溶解氧含量值，同时计算机上实时显示当前的相位差变化和溶解氧含量，以便实时监测。

上述实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的修改、替代、组合、裁剪，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。