一种双通道正交锁相溶解氧传感装置、系统及方法

1.本发明涉及溶解氧传感器技术领域，尤其涉及一种基于荧光法的双通道正交锁相溶解氧传感装置，感应系统及感应方法。


背景技术：

2.随着工业化迅速发展，每天都有大量的污染物产生，工业废水和农田灌溉水经常还未达到排放标准就排进了江河湖海，对各类水体造成巨大的污染。再加上工业生产中的废气排放到大气中，对大气的污染会间接导致水体的污染，使水资源污染问题加剧。因此，需要对水质情况进行及时且有效的监控处理变得非常重要。
3.溶解氧作为水质监测中非常重要的一项常规参数，无论是在江河湖海的水质监测还是规模化养殖行业的海洋牧场水质监测方面，都需要对溶解氧值进行精确的监控测定。
4.目前工业应用中主流电极法和分光光度法测试溶解氧的产品，存在取样不足，无法长期实时检测，精度低，响应时间长，稳定性差，可操作性不强等缺点。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于荧光法的双通道正交锁相溶解氧传感装置，传感装置可以降低光环境干扰和减少杂散光的干涉和散射，能很大程度保证各装置光强的一致性，提高测量的精度和准度。
6.具体包括：装置本体，装置本体的第一端安装有荧光感应膜，装置本体的第二端安装有四线制双绞线接头；靠近荧光感应膜设置有荧光感应膜组件；装置本体上还安装有温度传感器和内电路主板；
7.内电路主板上设有激发光源、参比光源、滤光片、光电探测器以及信号处理组件；
8.滤光片设置在荧光感应膜的后端，光电探测器设置在滤光片的后端；温度传感器设置在滤光片与荧光感应膜之间；
9.激发光源和参比光源安装在装置本体的第一端，激发光源和参比光源分别与光电探测器处于同一个水平面；激发光源照射到荧光感应膜上，使激发荧光感应膜发的红光波长与参比光源激发的红光波长在预设范围内；
10.信号处理组件用于控制激发光源发光，激发产生的荧光信号和参比光信号通过光电探测器检测并转化为电信号，对电信号进行处理以及进行锁相放大得到相位信息，对相位信息和温度检测信息进行定量解析，计算得到溶解氧浓度数据。
11.进一步需要说明的是，装置本体内部安装有用于给装置内部电气元件供电的电源模块；
12.信号处理组件包括：i/v转换模块，信号放大滤波器，双通道正交锁相模块，ad转换器，mcu模块，电源管理模块，通讯模块以及测温传感器温度补偿模块；
13.光电探测器依次通过i/v转换模块、信号放大滤波器、双通道正交锁相模块以及ad转换器与mcu模块连接；
14.mcu模块控制激发蓝光led发光，激发产生荧光信号，蓝光信号相位迟滞90
°
后激发红光led运行；
15.mcu模块分别与激发光源和参比光源连接，分别控制激发光源和参比光源运行；
16.温度传感器通过ad转换器与mcu模块连接；mcu模块通过通讯模块与上位机通信连接，将计算得到溶解氧浓度数据上传给上位机；
17.测温传感器温度补偿模块与mcu模块连接，用于给mcu模块提供温度补偿系数。
18.进一步需要说明的是，荧光感应膜的膜层为涂有覆氧敏感荧光材料的铂卟啉络合物。
19.进一步需要说明的是，激发光源为激发蓝光led光源，参比光源为激发红光led光源。
20.进一步需要说明的是，装置本体外部设置有外保护壳体，外保护壳体采用防水等级ip68的pom材质。
21.进一步需要说明的是，四线制双绞线接头连接有数据传输线和电源线。
22.进一步需要说明的是，滤光片针对中心波长610nm的光所选择，滤光片带通在25nm，通过波长范围在595nm—645nm之间的波段；
23.温度传感器采用金属铂电阻pt100；
24.四线制双绞线接头采用硫化的密封防水航插头。
25.本发明还提供一种双通道正交锁相溶解氧感应系统，包括：多个双通道正交锁相溶解氧传感装置和上位机；
26.每个双通道正交锁相溶解氧传感装置的信号处理组件分别与上位机通信连接，将计算得到溶解氧浓度数据上传给上位机。
27.本发明还提供一种基于荧光法的双通道正交锁相溶解氧感应方法，方法包括：
28.装置上电，信号处理组件分别控制激发光源和参比光源运行；
29.激发光源发光，激发产生的荧光信号和参比光信号通过光电探测器检测并转化为电信号；
30.信号处理组件对电信号进行处理以及进行锁相放大得到相位信息，对相位信息和温度检测信息进行定量解析，计算得到溶解氧浓度数据；
31.信号处理组件将分析得到的溶解氧浓度数据通过通讯模块发送给上位机；
32.上位机通过通信协议与双通道正交锁相溶解氧传感装置进行数据传输，实现对溶解氧浓度数据进行显示，并进行存储。
33.进一步需要说明的是，方法还包括：
34.mcu模块分别控制激发光源和参比光源运行；
35.激发光源产生激发光信号，照射到荧光感应膜上，使激发荧光感应膜发的红光波长与参比光源激发的红光波长在预设范围内；
36.光电探测器探测并接收荧光信号，将荧光信号转化为电信号；
37.信号处理组件将电流信号转换成电压信号，信号放大滤波器对电压信号进行放大滤波；
38.信号处理组件对激发光调制并作为锁相放大器参考信号；参考信号经过调整与被测信号同频，且相位信息滞后90
°
，使参考信号与被测信号相关；
39.信号处理组件利用参考信号对荧光信号进行相敏检测，获得荧光信号的强度和相位信息，采集荧光信号的相位信息并计算溶解氧含量；
40.信号处理组件处理相位差和溶解氧浓度关系，并结合温度补偿系数实现溶解氧测量。
41.从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
42.本发明涉及的双通道正交锁相溶解氧传感装置综合运用光学和电学原理，在电路处理中极大提高微弱小信号的信噪比，响应时间短，灵敏度高，精度高，通讯数据稳定，可远程在线实时原位监测。
43.本发明涉及的双通道正交锁相溶解氧传感装置具有led的恒流源，在激发光源套上导光柱，并在激发光源和光电探测器接收部分采用特制的屏蔽材质罩上，大大降低光环境干扰和减少杂散光的干涉和散射，能很大程度保证各装置光强的一致性，提高测量的精度和准度。
44.本发明采用锁相技术，并采用双通道正交，能有效的从众多光信号中检测出所需的荧光，通过锁相正交，精准的获得荧光和参考光的相位差信息。解决了海洋牧场现场强环境背景光的干扰下，检测微弱荧光信号比较困难的问题。
45.本发明涉及的i/v转换模块，信号放大滤波器，双通道正交锁相模块采用具有双输入通道的运放，一路输入通道用作运放的输入，另一路输入通道采用电压跟随的方式，降低电压抖动，极大的提高输出电压的稳定性。
46.在荧光感应膜和光电探测器之间，增加高透玻璃镜片，然后在光电探测器接收窗口增加窄带滤光片，极大滤除非必要光的通过和干扰。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.图1为双通道正交锁相溶解氧传感装置示意图；
49.图2为双通道正交锁相溶解氧传感装置内部示意图；
50.图3为双通道正交锁相溶解氧传感装置实施例示意图；
51.图4为锁相放大器基本原理图；
52.图5为溶解氧传感示意图；
53.图6为信号处理组件示意图；
54.图7为氧敏感荧光膜结构示意图。
具体实施方式
55.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
56.本发明是基于海洋牧场现场强环境背景光的干扰下检测微弱荧光信号，采用锁相
放大检测技术，鉴于此，本发明提供双通道正交锁相溶解氧传感装置。如图1至6所示，采用恒流处理模块23，增加led导光柱，解决了因工艺安装误差导致的光通量不一致现象，并对测量光路部分做屏蔽处理，大幅降低外界环境干扰，且通过正交锁相技术和温度补偿，实现实时在线原位检测，精度高，响应时间短，安装简便可靠。
57.具体来讲，装置包括：装置本体3，装置本体外部设置有外保护壳体，外保护壳体采用防水等级ip68的pom材质。装置本体内部部件可以采用螺纹拧接，便于拆卸安装使用。
58.装置本体3的第一端安装有荧光感应膜5，装置本体3的第二端安装有四线制双绞线接头4；四线制双绞线接头4连接有数据传输线21和电源线17，实现数据传输以及对装置进行供电。
59.靠近荧光感应膜5设置有荧光感应膜组件1；装置本体3上还安装有温度传感器2和内电路主板；内电路主板上设有激发光源9、参比光源8、滤光片 6、光电探测器10以及信号处理组件；
60.温度传感器2包含温度补偿电路，温度传感器精度高达0.3％，测试稳定，精度高。具体来讲，温度传感器采用金属铂电阻pt100，铂电阻有较好的检测精度和稳定性，且体积小易于固定在溶解氧传感器主体不锈钢圈中，用于测温并对溶解氧含量测量的温度误差进行补偿，配合高精度的ad采样，温度传感器的精度达到0.3％，大大提高溶解氧测量的精度、准确度。
61.滤光片6设置在荧光感应膜5的后端，光电探测器10设置在滤光片6的后端；温度传感器2设置在滤光片6与荧光感应膜5之间；这里，荧光感应膜5设置在最外端，滤光片6设置在荧光感应膜5和光电探测器10之间。
62.激发光源9和参比光源8安装在装置本体3的第一端，激发光源9和参比光源8分别与光电探测器10处于同一个水平面；可以是，激发光源9的中心，参比光源8的中心以及光电探测器10的中心共线。激发光源9照射到荧光感应膜上，使激发荧光感应膜发的红光波长与参比光源8激发的红光波长在预设范围内；其中，激发光源9为激发蓝光led光源，参比光源8为激发红光led光源。本发明的参考信号为红光，是经过蓝光触发，移项器后移90
°
，参考光和参比光正交。为了减少外界干扰，装置的激发光和光电接收均采用屏蔽膜处理，能屏蔽环境干扰。
63.信号处理组件用于控制激发光源9发光，激发产生的荧光信号和参比光信号通过光电探测器10检测并转化为电信号，对电信号进行处理以及进行锁相放大得到相位信息，对相位信息和温度检测信息进行定量解析，计算得到溶解氧浓度数据。
64.示例性的讲，双通道正交锁相溶解氧传感装置包含荧光感应膜、外保护壳体、内电路主板、硫化的密封防水航插头套件、出线电缆和温度传感器；荧光感应膜的膜层为涂有覆氧敏感荧光材料的铂卟啉络合物，内电路主板上设有激发光源9、参比光源8、滤光片6、光电探测器10以及信号处理组件；滤光片针对中心波长610nm的光所选择，滤光片带通在25nm，能通过波长范围在595nm—645nm之间的波段，光电探测器10是一个光电二极管，能将光信号转化成电信号，连接信号处理电路；激发光源9为激发蓝光led，参比光源8为激发红光led，激发光源9照射到荧光膜上，激发荧光膜发的红光波长与参比光源8激发的红光波长相近；温度传感器2设于装置本体内壁上，固定于滤光片与荧光感应膜之间，以便准确测量水温；出线电缆位于外保护壳体外。外保护壳体为耐压防腐蚀材质的pom管。
65.进一步的讲，如图7所示，荧光感应膜是一种叫做铂卟啉的特殊分子，荧光物质被嵌入并固定到聚合物层中用于荧光猝灭。为保持荧光指示剂的氧敏感性，同时避免其浸出到水环境中，将其涂在聚酯薄膜承载层上，作为检测仪的传感膜。为了避免检测仪周围荧光材料的潜在影响和外部光的干扰，在传感层的外部配备了黑色的气体渗透涂层。涂层在传感层和周围环境之间提供了光学隔离。荧光物质具有一种荧光特性，当被蓝光照射时，荧光指示剂吸收能量，传感层将激发返回红色的荧光。如果周围有溶解氧存在，荧光就会发生猝灭效应，降低了荧光的寿命和强度。因此，反射红色荧光的数量将取决于氧敏感膜中的氧浓度，荧光寿命会随着氧浓度的增加而减少。
66.对于本发明来讲，信号处理组件包括：i/v转换模块22，信号放大滤波器23，双通道正交锁相模块11，ad转换器14，mcu模块15，电源管理模块，通讯模块13以及测温传感器温度补偿模块
67.还包括：用于给装置内部电气元件供电的电源模块16；光电探测器10依次通过i/v转换模块22、信号放大滤波器、双通道正交锁相模块11以及ad 转换器14与mcu模块15连接；
68.mcu模块控制激发蓝光led发光，激发产生荧光信号，蓝光信号相位迟滞90
°
后激发红光led运行；
69.温度传感器2通过ad转换器14与mcu模块15连接；mcu模块15通过通讯模块13与上位机通信连接，将计算得到溶解氧浓度数据上传给上位机。测温传感器温度补偿模块与mcu模块15连接，用于给mcu模块15提供温度补偿系数。
70.信号放大滤波器对输入信号进行预放大和滤波。信号放大滤波器的参考通道对参考输入的幅值和相位进行调整，以满足后续电路的检测要求。双通道正交锁相模块11是相敏检测器，它的工作原理是将将同频率的参考信号 vr(t)和待测信号vs(t)相乘，产生直流信号和谐波信号，再经低通滤波器滤除谐波，最终输出直流信号，其幅值与输入信号和参考信号的幅值及其之间的相位差有关。
71.双通道正交锁相模块的荧光法锁相放大技术的基本工作原理为：
72.激发光源9和参比光源8发出光源，光电探测器用于收集荧光。
73.信号处理组件产生正弦信号，激发光调制并作为锁相放大器参考信号；参照信号经过调整与被测信号同频，相位信息滞后90
°
，从而与被测信号相关，而与噪声信号相关的可能性极其微小，进而实现微弱信号的有效提取。
74.双通道正交锁相模块为相敏检波器，一般利用相敏检波器和低通滤波器进行相敏同步检波，实现频率变换，利用参考信号对荧光信号进行相敏检测，获得荧光信号的强度和相位信息。信号处理组件采集荧光信号的相位信息并计算溶解氧含量。
75.mcu模块处理相位差和溶解氧浓度关系，通过在mcu模块上添加温度补偿系数从而实现整个传感器溶解氧测量。mcu模块将分析得到的检测溶解氧浓度数据通过rs485串口发送给上位机。上位机通过自定义通信协议与水下检测单元进行数据传输，设计实现检测数据采集、显示以及自动存储。
76.mcu模块可以控制led发光照射敏感膜激发出荧光，激发产生的荧光信号和参比光信号通过光电探测器10检测并转化为电信号。
77.光电探测器10检测得到的电信号经过转换、放大、滤波等信号预处理后传输到双通道正交锁相模块，对信号进行调制解调等处理后得到相位信息，对相位信息和温度检测
信息进行定量解析，计算得到溶解氧浓度数据。定量解析过程需使用由温度、相位和溶解氧浓度定量分析建立的标定算法模型。本发明综合运用光学和电学原理，在电路处理中极大提高微弱小信号的信噪比，响应时间短，灵敏度高，精度高，通讯数据稳定，可远程在线实时原位监测。
78.本发明还提供一种双通道正交锁相溶解氧感应系统，包括：多个双通道正交锁相溶解氧传感装置和上位机；
79.其中，系统架构可以包括多个双通道正交锁相溶解氧传感装置，网络和上位机。网络是用以在双通道正交锁相溶解氧传感装置和上位机之间提供通信链路的介质。网络可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。
80.应该理解，根据实现需要，可以具有任意数目的双通道正交锁相溶解氧传感装置、网络和上位机。比如上位机可以是多个服务器组成的服务器集群等。
81.用户可以使用双通道正交锁相溶解氧传感装置通过网络与上位机交互，以接收或发送溶解氧浓度数据。
82.每个双通道正交锁相溶解氧传感装置的信号处理组件分别与上位机通信连接，将计算得到溶解氧浓度数据上传给上位机。
83.本发明还提供的双通道正交锁相溶解氧感应系统是结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
84.在本发明的一种实施例中，基于双通道正交锁相溶解氧传感装置，以下将给出一种可能的实施例对其具体的实施方案进行非限制性阐述。
85.其中，基于荧光法的双通道正交锁相溶解氧感应方法包括：
86.装置上电，信号处理组件分别控制激发光源9和参比光源8运行；
87.激发光源9发光，激发产生的荧光信号和参比光信号通过光电探测器10 检测并转化为电信号；
88.信号处理组件对电信号进行处理以及进行锁相放大得到相位信息，对相位信息和温度检测信息进行定量解析，计算得到溶解氧浓度数据；
89.信号处理组件将分析得到的溶解氧浓度数据通过通讯模块发送给上位机；
90.上位机通过通信协议与双通道正交锁相溶解氧传感装置进行数据传输，实现对溶解氧浓度数据进行显示，并进行存储。
91.进一步的讲，方法还包括：mcu模块15激发蓝光led发光，激发产生荧光信号，蓝光信号相位迟滞90
°
后激发红光led运行；
92.激发光源9产生激发光信号，照射到荧光感应膜上，使激发荧光感应膜发的红光波长与参比光源8激发的红光波长在预设范围内；
93.光电探测器10探测并接收荧光信号，将荧光信号转化为电信号；
94.信号处理组件将电流信号转换成电压信号，信号放大滤波器对电压信号进行放大滤波；信号处理组件对激发光调制并作为锁相放大器参考信号；参考信号经过调整与被测
信号同频，且相位信息滞后90
°
，使参考信号与被测信号相关；
95.信号处理组件利用参考信号对荧光信号进行相敏检测，获得荧光信号的强度和相位信息，采集荧光信号的相位信息并计算溶解氧含量；信号处理组件处理相位差和溶解氧浓度关系，并结合温度补偿系数实现溶解氧测量。
96.本发明结合当地大气压值、盐度、和测量所得温度值，通过公式计算得到溶氧的浓度。本发明综合运用光学和电学原理，在电路处理中极大提高微弱小信号的信噪比，响应时间短，灵敏度高，精度高，通讯数据稳定，可远程在线实时原位监测。
97.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。