CN102253024B

CN102253024B - 光学溶解氧传感器

Info

Publication number: CN102253024B
Application number: CN 201110152662
Authority: CN
Inventors: 李道亮; 台海江; 刘双印; 丁启胜; 马道坤
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2031-06-08
Also published as: CN102253024A

Abstract

本发明涉及传感器测量技术领域，具体公开了一种光学溶解氧传感器，包括：荧光测量模块，用于采集水体的溶解氧信号；温度测量模块，用于采集水体的温度信号；传感器电子数据表格TEDS存储器，用于存储TEDS参数，TEDS参数包括反映温度和溶解氧关系的校准补偿参数；以及微处理器，与所述荧光测量模块、温度测量模块以及TEDS存储器连接，用于对溶解氧电压信号和温度电压信号进行模数转换处理，并根据校准补偿参数计算处理生成溶解氧值。本发明的光学溶解氧传感器能够实现对测量的溶解氧进行温度补偿，提高了溶解氧测量精度，可以对水质溶解氧在线检测。

Description

光学溶解氧传感器

技术领域

本发明涉及传感器测量技术领域，特别是涉及一种光学溶解氧传感器。

背景技术

溶解氧是指溶解于水中分子状态的氧，是水生生物生存不可缺少的条件。天然水中溶解氧近于饱和值(9ppm)，藻类繁殖旺盛时，溶解氧含量下降。水体受有机物及还原性物质污染可使溶解氧降低，对于水产养殖业来说，水体溶解氧对水中生物如鱼类的生存有着至关重要的影响，当溶解氧低于4mg/L时，就会引起鱼类窒息死亡，对于人类来说，健康的饮用水中溶解氧含量不得小于6mg/L。当溶解氧消耗速率大于氧气向水体中溶入的速率时，溶解氧的含量可趋近于0，此时厌氧菌得以繁殖，使水体恶化，所以溶解氧大小能够反映出水体受到的污染，特别是有机物污染的程度，它是水体污染程度的重要指标，也是衡量水质的综合指标。因此，水体溶解氧含量的测量，对于环境监测以及水产养殖业的发展都具有重要意义。

近年来出现的基于荧光淬灭技术和光纤技术的光纤氧测量装置可用于现场检测水中的溶解氧，但此类装置需要价格昂贵的石英光纤进行光传输，且光纤易折，携带不便。另有其它的溶解氧测量装置将水上控制装置、电缆和传感器探头集成为一体，虽然传感器探头可以脱机独立工作，但需要回收后与PC机连接才可获取测量数据，数据获取仍需人工操作，无法实现实时在线监测。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种可实现对溶解氧测量进行温度补偿、并且可实现对水质溶解氧的在线监测的光学溶解氧传感器。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种光学溶解氧传感器，包括：

荧光测量模块，用于采集水体的溶解氧信号；

温度测量模块，用于采集水体的温度信号；

TEDS存储器，用于存储TEDS参数，所述TEDS参数包括反映温度和溶解氧关系的校准补偿参数；

微处理器，分别与所述荧光测量模块、温度测量模块以及TEDS存储器连接，用于对所述溶解氧信号和温度信号进行处理，并根据所述校准补偿参数对处理后的溶解氧信号和温度信号进行校正，生成溶解氧值和温度值。

其中，还包括：信号调理模块，连接于所述荧光测量模块与微处理器以及温度测量模块与微处理器之间，用于对所述溶解氧信号和温度信号进行处理，并将处理所得的溶解氧电压信号和温度电压信号发送至所述微处理器。

还包括：分别与所述荧光测量模块、信号调理模块以及微处理器连接的电源模块，用于为所述荧光测量模块、信号调理模块以及微处理器供电。

还包括：与所述微处理器连接的总线接口模块，用于输出微处理器的经过校正补偿后的溶解氧值和温度值数据。

还包括：矩形电路板和圆形电路板，矩形电路板和圆形电路板垂直连接。

还包括光电检测电路、恒流源、接线盒、接线盒底座和玻璃载片，所述信号调理模块、TEDS存储器、电源模块、微处理器和总线接口模块集成在所述矩形电路板上，恒流源和光电检测电路集成在所述圆形电路板上，所述矩形电路板和圆形电路板密封在接线盒中，粘贴有氧传感膜的玻璃载片通过压盖与接线盒底座连接，所述接线盒底座和所述接线盒连接形成密闭空间。

还包括内栅格防护罩和外栅格防护罩，所述接线盒底座分别与内栅格防护罩和外栅格防护罩连接，内栅格防护罩上设有第一开孔，外栅格防护罩上设有第二开孔，所述接线盒底座分别与所述内栅格防护罩和所述外栅格防护罩连接完成后，第一开孔和第二开孔呈相互交错状，内栅格防护罩和外栅格防护罩上设有均进出水孔。

还包括通过螺旋压铆与所述矩形电路板连接的电缆，所述螺旋压铆与所述接线盒之间设有电缆线密封圈，所述接线盒与所述接线盒底座之间设有接线盒密封圈。

所述信号调理模块包括：滤波放大电路，用于对所述温度信号和所述溶解氧信号进行滤波，并对滤波后的温度信号和溶解氧信号进行放大处理，得到相应的温度电压信号和溶解氧电压信号。

其中，接线盒底座和内栅格防护罩之间设有内栅格防护罩密封圈，接线盒底座和外栅格防护罩之间设有外栅格防护罩密封圈。

(三)有益效果

本发明通过设置温度测量模块测量水体的温度并根据TEDS存储器中存储的校正补偿参数能够实现对溶解氧测量的温度补偿；通过在传感器线路板上集成化设计，有利于溶解氧传感器的微型化；通过接线盒和接线盒底座的密封设计，有利于提高溶解氧传感器的防水性和可靠性，可实现在线检测；通过设置内外两个栅格防护罩，避免了外界光源对溶解氧测量的干扰；通过数字总线输送信号，扩充了测量范围。

附图说明

图1是本发明实施例的光学溶解氧传感器的模块结构示意图；

图2是本发明实施例的光学溶解氧传感器的外部结构示意图；

图3是图2所示的光学溶解氧传感器的底部结构示意图；

图4是图2所示的光学溶解氧传感器的分解示意图；

图5是图4所示的光学溶解氧传感器的接线盒底座的底部仰视图；

图6是图4所示的光学溶解氧传感器的内栅格防护罩的底部仰视图；

图7是图2所示的光学溶解氧传感器的剖视图；

图8是本发明实施例的光学溶解氧传感器的微处理器的工作流程图；

其中，1：温度测量模块；2：荧光测量模块；3：信号调理模块；4：微处理器；5：TEDS存储器；6：总线接口模块；7：电源模块；8：温度探头；9：光电检测电路；10：恒流源；11：LED；12：滤波放大电路；13：四芯电缆；14：螺旋压铆；15：接线盒；16：接线盒底座；17：外栅格防护罩；18：第二开孔；19：外栅格防护罩底部；20：第二进出水孔；21：内栅格防护罩底部；22：第一进出水孔；23：压盖；24：氧传感膜；25：内栅格防护罩；26：第一开孔；27：电缆线密封圈；28：接线盒密封圈；29：内栅格防护罩密封圈；30：外栅格防护罩密封圈；31：压盖密封圈；32：玻璃载片；33：矩形电路板；34：圆形电路板；35；光电探测器；36：透镜；37：滤光片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例的光学溶解氧传感器包括：荧光测量模块2，用于采集水体的溶解氧信号；温度测量模块1，用于采集水体的温度信号；TEDS(Transducer Electronic Data Sheet，传感器电子数据表格)存储器5，用于存储TEDS参数，TEDS参数包括符合IEEE1451.2标准的通道信息以及反映温度和溶解氧关系的校准补偿参数；信号调理模块3，连接于荧光测量模块2和温度测量模块1与微处理器4之间，用于分别对溶解氧信号和温度信号进行处理，处理后所得的溶解氧电压信号和温度电压信号发送至微处理器4；微处理器4，与TEDS存储器5相连接，还通过信号调理模块3分别与荧光测量模块2和温度测量模块1连接，用于对来自信号调理模块3的溶解氧电压信号和温度电压信号进行模数转换处理，并根据TEDS存储器5中存储的校准补偿参数对处理后的溶解氧电压信号和温度电压信号进行计算处理，生成溶解氧值和温度值。

本实施例还包括：光电检测电路9，用于采集荧光信号，并转换成电压信号，光电检测电路主要包括光电探测器35；恒流源10，用于向LED 11提供恒流电源，LED 11为蓝色发光二极管；电源模块7，分别与恒流源10、信号调理模块3以及微处理器4连接，用于向恒流源10、信号调理模块3以及微处理器4提供稳定的电源电压。

进一步地，本实施例还包括：总线接口模块6，与微处理器4连接，用于输出微处理器4生成的经过校正补偿后的溶解氧值和温度值。

再如图7所示，在上述技术方案中，荧光测量模块2包括两个蓝色发光二极管LED 11、光电探测器35和红光的滤光片37，光电探测器35和红光的滤光片37之间还设置有透镜36。其中光电探测器35和两个蓝色发光二极管LED 11分别与圆形电路板34连接，光电探测器35垂直安装在圆形电路板34的下方。

在上述方案中，信号调理模块3包括滤波放大电路12，滤波放大电路12用于对溶解氧信号和温度信号进行滤波，并对滤波后的溶解氧信号和温度信号进行放大处理。

如图2、图3、图4和图6所示，本实施例的溶解氧传感器包括四芯电缆13、螺旋压铆14、接线盒15、接线盒底座16、外栅格防护罩17和内栅格防护罩25，四芯电缆13通过螺旋压铆14连接到接线盒15，接线盒15、接线盒底座16、内栅格防护罩25和外栅格防护罩17依次相连形成一体结构。其中，内栅格防护罩25的侧面上设有第一开孔26，内栅格防护罩底部21上设有进第一进出水孔22，外栅格防护罩17的侧面上设有第二开孔18，外栅格防护罩底部19上设有第二进出水孔20，第一进出水孔22和第二进出水孔20均可以设置多个，优选为圆周分布，用于被测水体进出，并且，第一进出水口22所在圆周的直径小于第二进出水口20所在圆周的直径。内栅格防护罩25和外栅格防护罩17的底部(21，19)均为圆形，圆形内栅格防护罩底部21的直径小于圆形外栅格防护罩底部19的直径，内栅格防护罩25的高度小于外栅格防护罩17的高度。

如图4所示，在本实施例中，螺旋压铆14和接线盒15之间设有电缆线密封圈27，接线盒15和接线盒底座16之间设有接线盒密封圈28，接线盒底座16和内栅格防护罩25之间设有内栅格防护罩密封圈29，接线盒底座16和外栅格防护罩17之间设有外栅格防护罩密封圈30。接线盒密封圈28、电缆线密封圈27和内、外栅格防护罩密封圈29、30可以保证整个溶解氧传感器防水性能好，防护等级达到IP68，溶解氧传感器内部电子器件与水完全隔离，使溶解氧传感器可以浸没于水体中工作，以便测定水体中不同深度的溶解氧和温度。

如图5和图7所示，在本实施例中，在接线盒15内部设有矩形电路板33和圆形电路板34，且信号调理模块3、TEDS存储器5、电源模块7、微处理器4和总线接口模块6集成在所述矩形电路板33上，恒流源10和光电检测电路9集成在所述圆形电路板34上。矩形电路板33和圆形电路板34密封在接线盒15中。粘贴有氧传感膜24的玻璃载片32通过压盖23与接线盒底座16连接，所述接线盒底座16和所述接线盒15连接形成密闭空间。荧光测量模块2的LED 11为蓝色发光二极管，荧光测量模块2的光电探测器35采用OPT301，LED 11和光电探测器35分别与圆形电路板34连接，光电探测器35垂直安装在圆形电路板34的下方，圆形电路板34的下方还连接有温度探头8。LED 11发出的蓝光照射到氧传感膜24上激发出红色荧光，红色荧光经红光滤波片37和透镜36后被光电探测器35接收。

在本实施例中，内、外栅格防护罩25、17上所设置的第一、第二(方形)开孔26、18和第一、第二进出水孔22、20，除了用于被测水体进出外，还用于屏蔽外界光源，减少外界光源对荧光测量模块2工作的干扰。传感器连接成一体结构后，第一、第二开孔26、18呈交错分布。

在本实施例中，总线接口模块6采用RS485总线接口，总线接口模块6在协议上支持IEEE1451.2标准，矩形电路板33通过四芯电缆13连接电源、接地以及连接总线接口模块6中的RS485总线接口的正极和负极，总线接口模块6可实现即插即用功能。

为增强系统的集成度，微处理器4可采用美国TI公司的MSP430系列单片机集成电路芯片，也可以采用其它能够实现数据处理和控制的芯片。其中，MSP430系列单片机是TI公司研发的16位超低功耗单片机，非常适合各种功率要求低的场合，特别适合于电池应用的场合或手持设备。该单片机在1.8V～3.6V电压、1MHz的时钟条件下，耗电电流在0.1～400μA之间；含有P₀～P₆共7个I/O口、2个定时器Timer A、Timer B、1个看门狗，内部集成2K的RAM和60K的Flash，MSP430系列的Flash，可十万次重复编程；MSP430系列单片机均为工业级的产品，运行环境温度为-40℃～+85℃。MSP430单片机具有12位8路模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)功能和DMA控制单元，可以分别为系统采样电路和数据传输部分采用，使得系统的硬件电路更加集成化、小型化。可通过MSP430单片机内的模数转换器对溶解氧电压信号和温度电压信号进行模拟数字转换生成数字化的溶解氧电压信号和温度电压信号，由于上述转换后的结果可在微处理器4内部通过软件实现的数字滤波来消除LED11、光电探测器35和温度探头8由于自身工作环境改变而引起的采集的数据信号的变化，因此可保证数据客观准确。

符合IEEE1451.2标准的通道信息可以采用Channel-TEDS，符合IEEE1451.2标准的校准补偿参数可以采用Calibration-TEDS。另外，TEDS参数还可以包括Meta-TEDS。

IEEE1451.2标准定义的网络化智能传感器包括智能传感器接口模块(Smart Transducer Interface Module，STIM)和网络适配器模块(Network Capable Application Processor，NCAP)两部分，智能传感器接口模块和网络适配器模块可通过传感独立接口(TransducerIndependent Interface，TII)相连。智能传感器接口模块通过传感器电子数据表格(TEDS)进行传感器数据的读入和参数的设定，从而实现传感器的“即插即用”功能。

本实施例的溶解氧传感器能够实现IEEE1451.2中定义的智能传感器接口模块的功能，使用的部件是支持IEEE1451.2标准的TEDS存储器5和总线接口模块6。其中，TEDS存储器5能够将对光电探测器35和温度探头8的标定以及数据的校正等工作转化为微处理器4承担的例行任务，TEDS存储器5是溶解氧传感器实现自校准、自补偿等智能功能的基础。

本实施例的溶解氧传感器的总线接口模块6采用的是目前应用广泛的RS485总线接口，该RS485总线接口连接了热拔插电路，可以实现RS485总线接口的热拔插。通过该总线接口模块6可以与上位机或其它设备进行通讯。由于微处理器4采用MSP430单片机不能直接连接RS485总线接口，因此在MSP430单片机与RS485总线接口之间设置RS485转换电路，用于将微处理器4的接口转换为RS485总线接口。RS485转换电路可采用美国TI公司生产的一种RS485总线接口芯片SN75LBC184芯片。为了方便TEDS存储器5中存储内容的升级与更新，采用异步串行接口来下载TEDS并通过I²C总线转存至FM24CL16铁电存储器中。

本实施例的溶解氧传感器在实现智能传感器接口模块功能方面，主要是通过TEDS数据结构设计实现。在IEEE1451.2标准中TEDS是核心内容之一，其是一种嵌入于智能传感器接口模块内的表格，完整定义了智能传感器接口模块各个部分逻辑信息存储和互操作格式，也是对智能传感器接口模块各通道传感器数据进行校正的基础数据结构。一个符合标准的传感器自身带有内部信息，具体包括：制造商、数据代码、序列号、使用的极限以及校准系数等。当系统上电时，上述内部信息可以被提供给网络适配器模块以及系统其它部分。TEDS分为8个可寻址部分，其中两个必备的电子数据表格是：Meta-TEDS和Channel-TEDS，其余可按需要进行选择。Meta-TEDS用于描绘TEDS信息、数据结构、支持的通道数和通道极限时间参数等有关智能传感器接口模块的总体信息；每个智能传感器接口模块通道包括1个Channel-TEDS，主要用于描述每个通道的具体信息，如描述通道物理属性、纠正类型、返回数据类型和格式通道的定时信息等。Calibration-TEDS用于存放校准补偿参数，以实现传感器的自校正功能。

本实施例的溶解氧传感器为了实现自校正功能，在TEDS存储器5中存储有符合IEEE1451.2标准的Channel-TEDS和Calibration-TEDS。另外，TEDS存储器5还存储有符合IEEE1451.2标准的Meta-TEDS。其中，Calibration-TEDS用于实现温度补偿，它用于存放温度在0～40℃范围的水体中溶解氧值与溶解氧电压信号之间的对应曲线，该对应曲线是事先在标准溶液中测量所得的数值形成的。

如图8所示，本实施例的溶解氧传感器的微处理器4的工作流程具体包括：首先，上电初始化硬件状态，调出存储在FM24CL16铁电存储器中的TEDS参数，根据TEDS参数识别探头类型、制造商、序列号、通道数、物理类型和数据结构等，更具体地说是根据TEDS参数中的Meta-TEDS识别探头类型、制造商、序列号、通道数、物理类型和数据结构等；其次，通过自诊断程序测量电源电压、探头接口等信号，判断溶解氧传感器是否存在故障；然后，为了降低功耗，微处理器4控制外部设备进入休眠状态(也称低功耗模式)，等待任务触发。将系统由休眠状态唤醒的方式有两种：一种是在定时触发采集请求下，进行模拟/数字(A/D)数据采集并执行相应数据处理，包括溶解氧和温度的标定及补偿；另一种是通过串行接口接收外部设置参数、触发测量、读出参数与测量结果的请求，即智能传感器接口模块服务程序。

通过上述实施例可以看出，本实施例的溶解氧传感器既设有荧光测量模块又设有温度测量模块，因此能够同时对一个测点进行温度和溶解氧测量，保证被测点位置上的同一性和参数在时间上的实时性，适应了自动化监控技术的检测要求。本实施例的溶解氧传感器采用单片机技术和光电检测技术相结合，简化了硬件电路，扩充了测量功能，并采用IEEE1451的自补偿方法，能够保证温度电压信号和溶解氧电压信号获取的同时性，并通过内嵌的补偿方法进行温度补偿，提高了溶解氧测量精度。而且本实施例的溶解氧传感器采用全数字总线传送信号，克服了现有技术中传感器输出4～20mA模拟电流标准信号导致的分辨率低而限制测量范围的问题，扩充了测量范围。本实施例的溶解氧传感器采用基于IEEE1451标准的网络化智能传感器，利用智能传感器接口模块和电子数据表格进行传感器数据的读入和执行器参数的设定来实现传感器的“即插即用”功能。

本实施例的溶解氧传感器通过在传感器电路板上集成化设计，有利于溶解氧传感器的微型化；通过接线盒和接线盒底座的密封设计，有利于提高溶解氧传感器的防水性和可靠性，能够在线检测；通过设置内外栅格防护罩，减少了外界光源对溶解氧测量的干扰。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种光学溶解氧传感器，其特征在于，包括：

荧光测量模块（2），用于采集水体的溶解氧信号；

温度测量模块（1），用于采集水体的温度信号；

TEDS存储器（5），用于存储TEDS参数，所述TEDS参数包括反映温度和溶解氧关系的校准补偿参数；

微处理器（4），分别与所述荧光测量模块（2）、温度测量模块（1）以及TEDS存储器（5）连接，用于对所述溶解氧信号和温度信号进行处理，并根据所述校准补偿参数对处理后的溶解氧信号和温度信号进行校正，生成溶解氧值和温度值；

还包括：信号调理模块（3），连接于所述荧光测量模块（2）与微处理器（4）以及温度测量模块（1）与微处理器（4）之间，用于对所述溶解氧信号和温度信号进行处理，并将处理所得的溶解氧电压信号和温度电压信号发送至所述微处理器（4）；

还包括：分别与所述荧光测量模块（2）、信号调理模块（3）以及微处理器（4）连接的电源模块（7），用于为所述荧光测量模块（2）、信号调理模块（3）以及微处理器（4）供电；

还包括：矩形电路板（33）和圆形电路板（34），矩形电路板（33）和圆形电路板（34）垂直连接；

还包括光电检测电路（9）、恒流源（10）、接线盒（15）、接线盒底座（16）和玻璃载片（32），所述信号调理模块（3）、TEDS存储器（5）、电源模块（7）、微处理器（4）和总线接口模块（6）集成在所述矩形电路板（33）上，恒流源（10）和光电检测电路（9）集成在所述圆形电路板（34）上，所述矩形电路板（33）和圆形电路板（34）密封在接线盒（15）中，粘贴有氧传感膜（24）的玻璃载片（32）通过压盖（23）与接线盒底座（16）连接，所述接线盒底座（16）和所述接线盒（15）连接形成密闭空间；

还包括内栅格防护罩（25）和外栅格防护罩（17），所述接线盒底座（16）分别与内栅格防护罩（25）和外栅格防护罩（17）连接，内栅格防护罩（25）上设有第一开孔（26），外栅格防护罩（17）上设有第二开孔（18），所述接线盒底座（16）分别与所述内栅格防护罩（25）和所述外栅格防护罩（17）连接完成后，第一开孔（26）和第二开孔（18）呈相互交错状，内栅格防护罩（25）和外栅格防护罩（17）上设有均进出水孔（22，20），包括第一进出水孔（22）和第二进出水孔（20）；

第一进出水孔（22）所在圆周的直径小于第二进出水孔（20）所在圆周的直径；内栅格防护罩（25）和外栅格防护罩（17）的底部（21,19）均为圆形，圆形内栅格防护罩底部（21）的直径小于圆形外栅格防护罩底部（19）的直径，内栅格防护罩（25）的高度小于外栅格防护罩（17）的高度。

2.如权利要求1所述的光学溶解氧传感器，其特征在于，还包括：与所述微处理器（4）连接的总线接口模块（6），用于输出微处理器（4）的经过校正补偿后的溶解氧值和温度值数据。

3.如权利要求1所述的光学溶解氧传感器，其特征在于，还包括通过螺旋压铆（14）与所述矩形电路板（33）连接的电缆，所述螺旋压铆（14）与所述接线盒（15）之间设有电缆线密封圈（27），所述接线盒（15）与所述接线盒底座（16）之间设有接线盒密封圈（28）。

4.如权利要求1所述的光学溶解氧传感器，其特征在于，所述信号调理模块（3）包括：滤波放大电路（12），用于对所述温度信号和所述溶解氧信号进行滤波，并对滤波后的温度信号和溶解氧信号进行放大处理，得到相应的温度电压信号和溶解氧电压信号。

5.如权利要求4所述的光学溶解氧传感器，其特征在于，接线盒底座（16）和内栅格防护罩（25）之间设有内栅格防护罩密封圈（29），接线盒底座（16）和外栅格防护罩（17）之间设有外栅格防护罩密封圈（30）。