CN104111240A - 用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测方法及装置，将多个激发频率的激发信号逐一照射至测试液体中的荧光材料上，获取与多个激发频率的激发信号对应的多组荧光信号和荧光幅度；求出每组中荧光信号与对应的激发信号的相位差，并将得到的相位差与每组中的荧光幅度相乘积，得到待定值；取各组中最大待定值所对应的激发频率为最佳激发频率。通过确定最佳激发频率，达到优化光学溶解氧传感器的目的。一方面能提高荧光信号的信噪比，另一方面能够降低激发信号强度，从而降低设备功耗，延长寿命。

Description

用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测方法及装置

技术领域

本发明涉及水质监测技术领域，尤其涉及一种用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测方法及装置。

背景技术

利用光学荧光方法测量液体中的溶解氧是近年来新兴的技术方案。

在荧光传感器探头的薄膜上覆盖了一层荧光材料，当一束短波长的蓝光照射到荧光材料时，荧光材料从激发态回到基态时会发射长波长的红光，即是荧光信号。溶解氧的浓度越高，红光持续的时间越短。通过测量荧光信号与激发信号的相位差，可以计算出液体中溶解氧的浓度。

然而，现有技术在实现相位检测上有很大的缺陷，其关键是不能针对不同的荧光材料的特性，确定激发信号不同的最佳激发频率。导致激发频率过高影响荧光信号的信噪比，或激发频率过低降低相位检测灵敏度，增加了测试时间。由于上述问题存在，实际产品在生产过程中只能提高激发信号强度以满足测试需求，但激发信号强度的增加，不仅会增加荧光传感器的功耗，而且会加快荧光材料的漂泊过程，从而大大减小荧光传感器的寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测方法及装置，其可通过检测确定当前荧光传感器所对应的激发信号的最佳激发频率。

为实现上述发明目的，本发明提供一种用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测方法包括以下的步骤：

S1、将多个激发频率的激发信号逐一照射至测试液体中的荧光材料上，获取与多个激发频率的激发信号对应的多组荧光信号和荧光幅度；

S2、求出每组中荧光信号与对应的激发信号的相位差，并将得到的相位差与每组中的荧光幅度相乘积，得到待定值；

S3、取各组中最大待定值所对应的激发频率为最佳激发频率。

作为本发明的进一步改进，所述S1步骤还包括：

将所述荧光材料在所述测试液体中的位置保持固定。

作为本发明的进一步改进，所述S1步骤还包括：

将所述测试液体的温度及溶解氧浓度保持不变。 

作为本发明的进一步改进，在所述S3步骤后，还包括：

将所述最佳激发频率存储到探头上覆盖有所述荧光材料的荧光传感器对应的存储器中。

作为本发明的进一步改进，在所述S2步骤后，还包括：

将所述荧光信号放大并转换为数字信号。

作为本发明的进一步改进，在1KHz至50KHz区间内，设置频率间隔，每隔一个所述频率间隔取一个激发信号进行检测，所述频率间隔为100Hz至5kHz之间包括端点值在内的任意一个值。

相应地，一种用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测方法及装置，其装置包括：

激发信号发射模块，用于将多个激发频率的激发信号逐一照射至测试液体中的荧光材料上；

荧光传感器，用于获取与多个激发频率的激发信号对应的多组荧光信号和荧光幅度；

处理模块，用于求出每组中荧光信号与对应的激发信号的相位差，并将得到的相位差与每组中的荧光幅度相乘积，得到待定值；以及用于取各组中最大待定值所对应的激发频率为最佳激发频率。

作为本发明的进一步改进，所述处理模块还包括存储器，所述存储器用于将所述最佳激发频率进行存储。

作为本发明的进一步改进，所述检测装置还包括与所述荧光传感器电性连接的放大器模块，所述放大器模块用于将所述荧光信号放大，所述处理模块还用于将放大后的荧光信号转换为数字信号。

作为本发明的进一步改进，所述处理模块还用于控制激发信号发射模块在1KHz至50KHz区间内，设置频率间隔，每隔一个所述频率间隔取一个激发信号进行检测，所述频率间隔为100Hz至5kHz之间包括端点值在内的任意一个值。 

本发明的有益效果是：通过确定最佳激发频率，可优化了光学溶解氧浓度测试，一方面能提高荧光信号的信噪比，另一方面能够降低激发信号强度，从而降低设备功耗，延长寿命。

附图说明

图1是本发明一实施例中传感器中的单片机通过软件设置激发信号频率的示意图。

图2是本发明一实施例中荧光信号与对应的激发信号的相位差图。

图3是本发明一实施例中荧光信号与对应的激发信号的相位差与荧光幅度相乘积与所对应的激发频率的关系图。

图4是本发明一实施例中溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测步骤流程图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本发明的技术解决方案为：一种用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测方法及装置。

参图1所示的本发明一具体实施方式，所述检测装置包括：

荧光材料10，荧光传感器20，放大器模块30，处理模块40，驱动电路50，激发信号发射模块60，其中，荧光传感器20电性连接放大器模块30，处理模块40还包括存储器（图中未示出）。

荧光传感器20，其探头的薄膜上覆盖的一层荧光材料10，将荧光材料10放入测试液体内，测试液体内的氧立刻扩散进入荧光传感器20探头的薄膜分子层内并很快达到平衡，保持荧光传感器20上的荧光材料10在测试液体中的位置保持不变，测试液体的温度及溶解氧浓度也保持不变，可以通过在测试液体中加入空气或氧气的方式保持溶解氧的浓度恒定， 将多个激发频率的激发信号逐一照射至测试液体中的荧光材料10上，控制激发频率从1KHz 到 50KHz 自动扫描，设置频率间隔，并保持激发信号强度不变，每隔一个频率间隔取一个激发信号进行检测。此频率间隔为100Hz至5kHz之间包括端点值在内的任意一个值，荧光传感器20就会获取与多个激发频率的激发信号对应的多组荧光信号和荧光幅度，优选地，荧光幅度采用PD（Photo Diode)来检测。

处理模块40，在本实施例中是指单片机，可以通过上述检测装置设置激发信号频率。荧光传感器20获取的与多个激发频率的激发信号对应的多组荧光信号通过与荧光传感器20电性连接的放大器模块30被送到单片机内的模数（A /D）接口转换成数字信号，同时，激发信号通过单片机的数模（D/A）和驱动电路50转换成数字信号，通过软件可以求出每组中荧光信号与对应的激发信号的相位差及荧光幅度。

参图2所示，激发信号与荧光信号存在相位差φ，该相位差φ可通过下面的公式求出：

tanφ=2πfτ,其中φ：相位差、f：激发频率、τ：荧光寿命

将得到的每组中荧光信号与对应的激发信号的相位差与每组中的荧光幅度相乘积，得到一系列的待定值，参图3所示，取每组中荧光信号与对应的激发信号的相位差与每组中的荧光幅度相乘积得到一系列的待定值做纵坐标，激发信号频率做横坐标，得出一曲线，由曲线可知，各组中荧光信号与对应的激发信号的相位差与每组中的荧光幅度相乘积的最大待定值所对应的激发频率为最佳激发频率，在图3中可以看出，激发信号频率过高，会影响荧光信号的信噪比，这是由于荧光效应的速度跟不上的缘故，激发信号频率过低，则相位检测灵敏度降低，延长测试时间，只有激发信号频率在最佳频率点时，荧光信号最强，所以，取各组中最大待定值所对应的激发频率为最佳激发频率，将测量得到的最佳激发频率存储在单片机中的存储器中，例如单片机的闪存中。

参图4所示，一种用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测方法包括以下几个步骤：

S1、将多个激发频率的激发信号逐一照射至测试液体中的荧光材料上，获取与多个激发频率的激发信号对应的多组荧光信号和荧光幅度。将荧光材料10覆盖在荧光传感器20探头的薄膜上放入测试液体内，并保持荧光材料10在测试液体中的位置保持不变，测试液体的温度及溶解氧浓度也保持不变，优选地，可以通过在测试液体中加入空气或氧气的方式保持溶解氧的浓度恒定，将多个激发频率的激发信号逐一照射至测试液体中的荧光材料10上。

控制激发信号从1KHz 到 50KHz 自动扫描，设置频率间隔，并保持激发信号强度不变，每隔一个频率间隔取一个激发信号进行检测。此频率间隔为100Hz至5kHz之间包括端点值在内的任意一个值，荧光传感器20就会获取与多个激发频率的激发信号对应的多组荧光信号和荧光幅度，优选地，荧光幅度使用PD（Photo Diode)来检测。

S2、求出每组中荧光信号与对应的激发信号的相位差，并将得到的相位差与每组中的荧光幅度相乘积，得到待定值。测试液体内的荧光材料10受到多个激发频率的激发信号逐一照射后，荧光传感器20获取与多个激发频率的激发信号对应的多组荧光信号通过与荧光传感器20电性连接的放大器模块30被送到单片机内的模数（A /D）接口转换成数字信号，同时，激发信号通过单片机的数模（D/A）和驱动电路50转换成数字信号，通过软件可以求出每组中荧光信号与对应的激发信号的相位差及荧光幅度。

S3、取每组的相位差与荧光幅度相乘积中最大待定值所对应的激发频率为最佳激发频率。参图3所示，取每组中荧光信号与对应的激发信号的相位差与每组中的荧光幅度相乘积得到一系列的待定值做纵坐标，激发信号频率做横坐标，得出一曲线，由曲线可知，各组中荧光信号与对应的激发信号的相位差与每组中的荧光幅度相乘积的最大待定值所对应的激发频率为最佳激发频率。将所述最佳激发频率存储到荧光传感器对应的单片机的存储器中，例如单片机的闪存中。

探头上覆盖有所述荧光材料的荧光传感器每次上电启动时或进行实际测量时，可以首先读取最佳激发频率的值，然后在通过单片机中的软件将激发信号设置到此频率上，使每个荧光传感器都在最佳的状态下工作。一个荧光传感器的最佳激发频率并不是永远不变的，荧光传感器更换探头或校准时可以通过上述装置及方法进行最佳频率的测量及存储。从而，通过确定最佳激发频率，可优化了光学溶解氧浓度测试，一方面能提高荧光信号的信噪比，另一方面能够降低激发信号强度，从而降低设备功耗，延长寿命。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下的步骤：

S1、将多个激发频率的激发信号逐一照射至测试液体中的荧光材料上，获取与多个激发频率的激发信号对应的多组荧光信号和荧光幅度；

S2、求出每组中荧光信号与对应的激发信号的相位差，并将得到的相位差与每组中的荧光幅度相乘积，得到待定值；

S3、取各组中最大待定值所对应的激发频率为最佳激发频率。

2.根据权利要求1所述的用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测方法，其特征在于，所述S1步骤还包括：

将所述荧光材料在所述测试液体中的位置保持固定。

3.根据权利要求1所述的用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测方法，其特征在于，所述S1步骤还包括：

将所述测试液体的温度及溶解氧浓度保持不变。

4.根据权利要求1所述的用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测方法，其特征在于，在所述S3步骤后，还包括：

将所述最佳激发频率存储到探头上覆盖有所述荧光材料的荧光传感器对应的存储器中。

5.根据权利要求1所述的光学溶解氧最佳激发信号频率的检测方法，其特征在于，在所述S2步骤后，还包括：

将所述荧光信号放大并转换为数字信号。

6.根据权利要求1所述的光学溶解氧最佳激发信号频率的检测方法，其特征在于，在1KHz至50KHz区间内，设置频率间隔，每隔一个所述频率间隔取一个激发信号进行检测，所述频率间隔为100Hz至5kHz之间包括端点值在内的任意一个值。

7.一种用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：

激发信号发射模块，用于将多个激发频率的激发信号逐一照射至测试液体中的荧光材料上；

荧光传感器，用于获取与多个激发频率的激发信号对应的多组荧光信号和荧光幅度；

处理模块，用于求出每组中荧光信号与对应的激发信号的相位差，并将得到的相位差与每组中的荧光幅度相乘积，得到待定值；以及用于取各组中最大待定值所对应的激发频率为最佳激发频率。

8.根据权利要求7所述的用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测装置，其特征在于，所述处理模块还包括存储器，所述存储器用于将所述最佳激发频率进行存储。

9.根据权利要求7所述的用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括与所述荧光传感器电性连接的放大器模块，所述放大器模块用于将所述荧光信号放大，所述处理模块还用于将放大后的荧光信号转换为数字信号。

10.根据权利要求7所述的用于溶解氧浓度测试的激发信号的最佳激发频率检测装置，其特征在于，所述处理模块还用于控制激发信号发射模块在1KHz至50KHz区间内，设置频率间隔，每隔一个所述频率间隔取一个激发信号进行检测，所述频率间隔为100Hz至5kHz之间包括端点值在内的任意一个值。