CN104865231B - 一种多通道光学溶解氧测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道光学溶解氧测量装置及测量方法，该装置包括密封外壳，以及设置于密封外壳内部的激发光源模块、荧光产生模块、多通道荧光接收模块、信号处理单元、数据采集与控制单元，设置于密封外壳外部的计算机处理单元，多通道荧光接收模块包括三个相同的荧光接收通道，三个荧光接收通道的荧光接收角度分别为与荧光产生模块所在平面成45度、60度、90度，且三个荧光接收通道位于同一平面，相互隔离。本发明采用多个荧光接收通道，提高了荧光的接收效率，另外，利用每两个通道的荧光强度比值，实现该比值与氧浓度间的对应关系，克服了现有的基于荧光强度检测法易受光源不稳所带来测量误差的劣势，使得溶解氧测量结果更加准确。

Description

一种多通道光学溶解氧测量方法

技术领域

本发明涉及一种多通道光学溶解氧测量装置及测量方法，属于溶解氧测量技术领域。

背景技术

随着光学传感器的发展，荧光分析与测量技术已广泛应用于水体中溶解氧浓度的检测，基于荧光猝灭机理的光学溶解氧测量方法逐渐替代了传统的碘量法和氧电极法，对水中溶解氧浓度的检测在工农业、医学及环境监测领域等方面都具有重要的意义。

然而，在许多现有的技术中，如中国的一篇发明(公开号：CN 1731154A)、一篇实用新型(公开号：CN 2014788947 U)，二者都采用了基于荧光强度的测量方法来测定水体中溶解氧浓度，这将会带来由于光源波动等因素而产生的误差，降低了系统灵敏度以及测量结果的准确性。而基于荧光寿命的测量的方法虽然在测量精度上有了提高，但测量过程相对复杂，测量时间较长。

此外，基于荧光强度的测量方法多数是采用单通道的光学接收结构，是通过产生的荧光强度与溶解氧浓度呈相应的线性关系来直接实现对溶解氧测量，由于光源强度的变化，无疑会增加测量误差，造成系统测量精度不高。而且，激发产生的荧光是一种散射光，单通道的光学接收结构本身也会降低荧光的接收效率，从而带来溶解氧浓度测量范围较小的劣势，也不利于溶解氧测量系统的实用化发展。

进一步的，对于溶解氧的测量也有使用光纤来实现激发光传输和荧光接收若采用激光作为激励光，由于能量较高，这将会大大缩短荧光敏感膜的寿命，而采用发光二极管(LED)，需考虑激励光源和荧光如何高效地耦合进入光纤，即便使用带尾纤输出的LED光源，无疑也会带来成本上的增加。同时，光纤式溶解氧测量装置多数是一种分立探测的结构，导致整个测量系统的集成度不高。

最后，许多现有的技术中，当采用基于荧光强度的方法测量溶解氧时，在采集荧光信号至数据分析、处理及线性拟合过程中，采用的方法精度不是很高，如最小二乘法，对于溶解氧浓度的检测不仅需要高精度的数据处理电路，而且也需要良好的数据处理、线性拟合方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种多通道光学溶解氧测量装置及测量方法，提高了荧光的接收效率，克服了现有基于荧光强度检测法因光源不稳所带来的测量误差，使得溶解氧测量结果更加准确，提高了测量装置的长期可靠性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种多通道光学溶解氧测量装置，包括密封外壳，以及设置于密封外壳内部的激发光源模块、荧光产生模块、多通道荧光接收模块、信号处理单元、数据采集与控制单元，还包括设置于密封外壳外部的计算机处理单元，所述多通道荧光接收模块包括三个相同的荧光接收通道，每个荧光接收通道内沿荧光射来的方向依次设置有带通滤波片、光聚焦透镜、光电探测器，三个荧光接收通道的荧光接收角度分别为与荧光产生模块所在平面成45度、60度、90度，且三个荧光接收通道位于同一平面，相互隔离；

所述激发光源模块产生激发光射向荧光产生模块，荧光产生模块接收激发光并产生荧光，该荧光分别射向三个荧光接收通道，并在每个荧光接收通道内依次经带通滤波片、光聚焦透镜后由光电探测器接收，光电探测器、信号处理单元、数据采集与控制单元、计算机处理单元依次连接。

优选的，所述激发光源模块包括光源发生器、光源调制电路、光源驱动电路，所述光源调制电路、光源驱动电路分别与光源发生器连接，光源调制电路、光源驱动电路还分别与数据采集与控制单元连接。

优选的，所述荧光产生模块包括水密玻璃片、氧荧光敏感膜、荧光增敏剂，所述水密玻璃片镶嵌于密封外壳的底部，其中一个表面位于密封外壳的内部，另一个表面与外界接触，且与外界接触的表面依次涂覆有氧荧光敏感膜和荧光增敏剂。

优选的，所述信号处理单元包括前置放大器、滤波整形电路以及精密有效值转换电路，所述前置放大器的输入端与各通道光电探测器的输出端连接，输出端经滤波整形电路连接精密有效值转换电路的输入端，精密有效值转换电路的输出端与数据采集与控制单元连接。

优选的，所述密封外壳的材质为不锈钢或防水高分子材料。

一种测量方法，利用如上所述多通道光学溶解氧测量装置实现，利用三个荧光接收角度分别为45度、60度、90度的荧光接收通道分别接收产生的荧光，得到三个荧光信号，将三个荧光信号分别转化为三个电信号，计算荧光接收角度为45度对应的电信号与角度为60度对应的电信号的比值、荧光接收角度为60度对应的电信号与角度为90度对应的电信号的比值、荧光接收角度为45度对应的电信号与角度为90度对应的电信号的比值，得到三个比值，利用RBF神经网络算法对这三个比值进行数据融合，得到被测溶解氧浓度值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明多通道光学溶解氧测量装置及测量方法，构建了三个荧光接收通道，通过测量两两通道之间的荧光强度值之比来实现对溶解氧浓度的精准测量，有效地降低光源强度变化对溶解氧测量结果的影响，降低了测量误差。

2、本发明多通道光学溶解氧测量装置及测量方法，采用了有效的算法，如神经网络算法实现对三个两两通道之间的比值数据的融合处理，降低了氧浓度测量的不确定性。

3、本发明多通道光学溶解氧测量装置及测量方法，采用多通道数据融合技术，使得溶解氧测量结果更加准确，提高了溶解氧测量装置的长期可靠性。

附图说明

图1是本发明多通道光学溶解氧测量装置的结构示意图。

图2是本发明多通道光学溶解氧测量装置的工作流程图。

图3是本发明三个输出特性曲线的测试结果图。

图4是本发明采用的RBF三层前向神经网络结构图。

图5是本发明三个输出特性曲线数据融合后得到的校准曲线图。

其中：1为光源发生器；2为光源驱动电路；3为光源调制电路；4为激发光；5为水密玻璃片；6为氧荧光敏感膜；7为荧光增敏剂；8为荧光；9为光隔离板；10为带通滤光片；11为光聚焦透镜；12为光电探测器；13为信号处理单元；14为数据采集与控制单元；15、计算机处理单元；16、密封外壳。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为本发明一种多通道光学溶解氧测量装置的一个优选实施例。该测量装置主要包括以下几个部分：用于产生激发光4的激发光源模块、用于接收激发光并产生荧光8的荧光产生模块、多通道荧光接收模块、信号处理单元、数据采集与控制单元、计算机处理单元，另外还有一密封外壳。

本实施例中的激发光源模块，包括光源发生器1、光源驱动电路2、光源调制电路3。优 选的，光源发生器为高亮度蓝色发光LED，波长范围为455-468nm，通过光源调制电路3使得输出光的波长为460nm，光源驱动电路2为光源提供稳定的功率输出。光源驱动电路2、光源调制电路3同数据采集与控制单元14电连接。

本实施例中的荧光产生模块，包括涂覆于水密玻璃片5其中一表面的氧荧光敏感膜6，以及均匀涂覆于氧荧光敏感膜表面的荧光增敏剂7，水密玻璃片5其中的一表面与外界接触，另一面被封装在壳体内下壁，并实现良好地密封安置。优选的，水密玻璃片5采用石英材质组成，莫氏硬度为9.0、抗压强度20Mpa，透光率达到95％。优选的，本实施例中的氧荧光敏感膜6是以钌络合物为荧光敏感材料，通过溶胶-凝胶技术制备，荧光敏感材料可从现有发现的各种荧光敏感材料中选择，本实施例中优选为Ru(dpp)₃Cl₂，所述荧光增敏剂7也可从现有发现的各种荧光增敏剂中选择，本实施例中优选为β-环糊精或其衍生物。

本实施例中的多通道荧光接收模块有三个独立的荧光接收通道，每一独立的光接收通道均是由光隔离板9构成，通道内依次安置有带通滤光片10、光聚焦透镜11、光电探测器12，且带通滤光片、光聚焦透镜的中心位于同一直线上，光电探测器位于光聚焦透镜的焦点处。本实施例中的带通滤光片10为一中心波长610±5nm的带通滤光片，带宽±30nm。光电探测器可从现有的光探测器中选择，本实施例中优选为PIN型光电二极管，波长探测范围为200-1100nm。

本实施例中的信号处理单元13对应三个独立的荧光接收通道输出端，包括前置放大器、滤波整形电路、精密有效值转换电路等。数据采集与控制单元14与光电信号处理单元进行电连接，同时还与光源调制电路、光源驱动电路、计算机处理单元电连接。

另外，实施例中的密封外壳16的材质优选为不锈钢或防水的高分子材料，如PVC、ABS高分子材料。

如图2所示，为本发明多通道光学溶解氧测量装置的工作过程，首先数据采集与控制单元中的主控制器发出脉冲序列，控制光源调制电路对光源进行调制，光源驱动电路为其提供稳定地功率输出。然后，激发光经水密玻璃片入射到氧荧光敏感膜上，激发氧荧光敏感膜产生荧光，分别在与同水密玻璃片所在平面成90度、60度、45度三个方向采用三个独立的通道实现荧光信号的接收，该过程中荧光通过带通滤光片、光聚焦透镜后被PIN型光电二极管接收。最后，由信号处理单元实现光电转换，转换后的直流电压信号大小与荧光强度信号大小成正比，再经数据采集与控制单元送至计算机处理单元处理，得到溶解氧浓度值。

为了便于进一步理解本发明技术方案，下面对上述一种多通道光学溶解氧测量装置的测量原理及方法作简要说明。

本发明的多通道光学溶解氧测量原理是基于荧光猝灭机理，采用三个荧光接收通道结构 实现荧光的高效接收，通过将两两通道接收的荧光信号值作除运算，实现同水密玻璃片所在平面成小角度的独立通道接收到的荧光信号值与大角度的荧光信号值之比，即45°方向信号值F₁与60°方向信号值F₂之比、60°方向信号值F₂与90°方向信号值F₃之比、45°方向信号值F₁与90°方向信号值之比F₃，将该比值定义为输出特性参数A，即

通过同时测量不同溶解氧浓度下三个光电信号值，求出输出特性参数A的大小，按式(1)得到三根输出特性曲线，再用RBF神经网络算法对此三根输出特性曲线进行数据融合，获得校准曲线。

下面对本发明测量装置准确性做进一步验证，用RSS-5100型溶解氧仪对0-18mg/L范围内的氧浓度分别每隔0.5mg/L进行预先标定处理，同时测量出三个通道的光电信号值，获得3×37个输出特性参数，每37个输出特性参数确定一条输出特性曲线，共获得三条输出特性曲线，如图3所示，曲线1为37个A₁连成的曲线，曲线2为37个A₂连成的曲线，曲线3为37个A₃连成的曲线。曲线的斜率反映了测量系统的灵敏度，当溶解氧浓度范围在0-7mg/L时，选取曲线1为数据样本，在7-11mg/L时，选取曲线2为数据样本，在11-18mg/L时，选取曲线3为数据样本。

如图4所示，是一种RBF三层前向神经网络结构图。第一层即输入层由信号源节点组成；第二层为隐含层，被隐含单元数视所描述的问题的需要而定，隐含单元的变换函数是高斯函数，即

其中，ψ_i(||x-c_i||)为第i个隐含节点的输出，X＝(x₁,x₂,x₃…x_p)^T为输入样本向量；c_i为第i个隐含层节点的高斯函数的中心且与x有相同的维数；σ_i为第i个隐含层节点的变量，称标准化常数，或基宽度；m为隐含层节点的个数。它是对称中心径向对称且衰减的非线性函数；第三层为输出层，它对输入模式的作用做出响应，采用线性函数作为激活函数，输出层第i个神经元为

式中，ω_ik为输出层神经网络权值，β为偏差。

取0-7mg/L、7-11mg/L、11-18mg/L三段氧浓度范围内的特性参量作为网络输入，相应 RSS-5100型测氧仪的标定氧浓度为网络期望输出，即网络的输入层和输出层节点数都为1。采用KM算法对训练样本进行聚类，以划分的类别数作为隐含层节点数，以各类的中心为径向基函数的中心，各类的方差变换为宽度参数。初始化的网络权值、学习率和偏差，分别将这三段氧浓度范围内的数据样本输入RBF算法中进行训练，结果如图5所示，横坐标表示实际溶解氧浓度，纵坐标表示拟合后本测量系统的输出氧浓度值，图5等同校准曲线，表明采用多通道溶解氧测量方法及数据融合技术，测试值接近于真值。实际工作时只要把测得三个通道的荧光强度值，通过信号处理单元处理、再进行数据采集并输入到计算机处理单元，根据式(1)、(2)、(3)即可得到相应的溶解氧浓度值。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多通道光学溶解氧测量方法，利用一种多通道光学溶解氧测量装置实现，所述多通道光学溶解氧测量装置包括密封外壳，以及设置于密封外壳内部的激发光源模块、荧光产生模块、多通道荧光接收模块、信号处理单元、数据采集与控制单元，还包括设置于密封外壳外部的计算机处理单元；所述多通道荧光接收模块包括三个相同的荧光接收通道，每个荧光接收通道内沿荧光射来的方向依次设置有带通滤波片、光聚焦透镜、光电探测器，三个荧光接收通道的荧光接收角度分别为与荧光产生模块所在平面成45度、60度、90度，且三个荧光接收通道位于同一平面，相互隔离；所述激发光源模块产生激发光射向荧光产生模块，荧光产生模块接收激发光并产生荧光，该荧光分别射向三个荧光接收通道，并在每个荧光接收通道内依次经带通滤波片、光聚焦透镜后由光电探测器接收，光电探测器、信号处理单元、数据采集与控制单元、计算机处理单元依次连接；

其特征在于：利用三个荧光接收角度分别为45度、60度、90度的荧光接收通道分别接收产生的荧光，得到三个荧光信号，将三个荧光信号分别转化为三个电信号，计算荧光接收角度为45度对应的电信号与角度为60度对应的电信号的比值、荧光接收角度为60度对应的电信号与角度为90度对应的电信号的比值、荧光接收角度为45度对应的电信号与角度为90度对应的电信号的比值，得到三个比值，利用RBF神经网络算法对这三个比值进行数据融合，得到被测溶解氧浓度值。

2.如权利要求1所述多通道光学溶解氧测量方法，其特征在于：所述激发光源模块包括光源发生器、光源调制电路、光源驱动电路，所述光源调制电路、光源驱动电路分别与光源发生器连接，光源调制电路、光源驱动电路还分别与数据采集与控制单元连接。

3.如权利要求1所述多通道光学溶解氧测量方法，其特征在于：所述荧光产生模块包括水密玻璃片、氧荧光敏感膜、荧光增敏剂，所述水密玻璃片镶嵌于密封外壳的底部，其中一个表面位于密封外壳的内部，另一个表面与外界接触，且与外界接触的表面依次涂覆有氧荧光敏感膜和荧光增敏剂。

4.如权利要求1所述多通道光学溶解氧测量方法，其特征在于：所述信号处理单元包括前置放大器、滤波整形电路以及精密有效值转换电路，所述前置放大器的输入端与各通道光电探测器的输出端连接，输出端经滤波整形电路连接精密有效值转换电路的输入端，精密有效值转换电路的输出端与数据采集与控制单元连接。

5.如权利要求1所述多通道光学溶解氧测量方法，其特征在于：所述密封外壳的材质为不锈钢或防水高分子材料。