CN107389643A - 一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋监测技术领域，公开了一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量装置及方法，装置包括氧敏感膜、光学检测模块、信号调制解调模块、信号处理模块、系统控制模块、通信模块、电源管理模块。本技术方案可以快速、实时测量水体中溶解氧的含量，不消耗样品，无污染，稳定高效，可远程在线原位监测。

Description

一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量方法及装置

技术领域

本发明专利涉及海洋监测技术领域，尤其涉及一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量装置及方法。

背景技术

氧元素与人们的生产生活息息相关，溶解氧的测定在水产养殖、造纸、冶金、化工炼油、污水处理以及医药生物等方面都有重要应用。传统的溶解氧测量技术主要有滴定碘量法、电化学方法以及模拟锁相放大方法。由于碘量法需大量消耗样品，不能实现远程监测，而采用电化学方法制成的传感器则存在易被污染，需经常清洗，不稳定且易失效等固有缺陷。模拟锁相放大技术虽然可以很好的检测出淹没在强噪声背景中的微弱溶解氧信号,但却对参考信号的相位有着严格的要求。因为要达到输出直流信号与被测信号的幅值成正比的前提条件是保证输入信号和参考信号的频率相同,相位差为0,因为有用信号与参考信号之间的初相位差不同的情况下会对乘法器和低通滤波器的输出造成很大的影响。初始相差为0时锁相放大器的直流输出信号才能真正反映实际信号的变化,而其他情况下的检测效果并不理想，测得的溶解氧参数与实际有较大差异。这就需要在参考信号和被测信号间加入移相电路以保证两者的相位差为0,但实时准确的调节相位差为0却有很多困难。因此，本文设计了一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术问题，提供一种适合溶解氧含量的测量装置及方法。

一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量装置，包括氧敏感膜、光学检测模块、信号调制解调模块、信号处理模块、系统控制模块、通信模块、电源管理模块。

氧敏感膜是溶解在水中氧气含量检测模块，氧敏感膜由两个部分组成，一是用于被猝灭的荧光物质，二是用于均匀分散固定荧光物质的载体。

光学检测模块由产生激发光、参比光以及荧光信号检测模块等组成。激发光由蓝光LED产生，参比光由红光LED产生，激发的荧光信号由光电二极管接收并传送给后续模块。

信号调制解调模块和信号处理模块是本设计的核心模块。其中信号调制解调模块主要用来产生LED驱动信号，驱动两个LED分时发出一定频率的光，相应地光电二极管接收到相同频率的波动信号。信号调制解调模块在内部会产生两个通道的参考信号，两通道信号相位相差90°，分别与光电二极管测得的信号相乘，根据两正弦信号相乘积化和差公式可得出解调后信号。

信号处理模块主要将信号调制解调模块解调出来的原始信号进行数据的加工处理，经过模块内部的标定算法、补偿修正算法等计算出当前测试样品或环境中的溶解氧含量。

系统控制模块主要负责接收通信模块传送过来的指令并执行，执行完成相应指令后返回一定的执行结果反馈值。该模块可以控制信号调制解调模块、信号处理模块以及电源管理模块。

通信模块主要负责将信号处理模块计算所得的溶解氧含量数值转换成常用的通信模式，并将其他外部设备发送的指令转换成本装置可执行指令，方便本装置与常用多种通信模式的不同设备连接。

电源管理模块主要负责为本发明的上述各模块供电并管理各模块的分时通断电，以降低功耗，包括光电检测模块的LED调制电源，信号调制解调模块的驱动信号和参考信号产生电路，信号处理模块的信号相乘电路，通信模块的通信转换电路等。

一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量方法，利用90°移相器，使得两路乘法器参考信号相差90°，计算测得溶解氧含量。

计算方法为：

荧光信号分别与两个正交参考信号相乘，并且参考信号与荧光信号频率相同，相乘后的两个信号分别通过低通滤波器滤除高频分量，得到两个差频分量：

同相分量：

正交分量：

荧光信号的幅值和相位分别为：

幅值：

相位：

得到荧光信号和参考信号的相位差值，通过同样的方法计算出参比光信号与参考信号的相位差值 ， 为电路自身的延迟造成的检测信号的延迟，那么因为溶解氧造成的信号延迟 ，根据荧光延迟相位和溶解氧浓度关系公式： 得出所测溶解氧浓度值，

其中： 和 为无氧气和有氧气时的延迟相位值；

为Stern-Volmer常数；

[Q]为溶解氧的浓度。

本发明专利的一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量装置及方法，可以快速、实时测量水体中溶解氧的含量，不消耗样品，无污染，稳定高效，可远程在线原位监测。可以测量海水中极低含量的溶解氧，能够实时给出所测溶解氧的具体含量，便于海洋水体监测。在系统设计上，采用双通道锁相放大技术，不需要调节参考信号使之与被测信号保证同相位。溶解氧检测过程中不需消耗样品，能实现远程监测。装置稳定性、抗污染能力显著提高，不需经常清洗；在系统功能上，该装置可以快速测量海水中极低含量的溶解氧，能够实时给出所测溶解氧的具体含量；在系统性能上，可以达到海水溶解氧含量检测的灵敏度和检测效率。该方法具有较高的检测精度和检测数据稳定性，无需调节参考信号初始相位，因此使用方便。既适合实验室内溶解氧含量的快速检测，又适合水产养殖场、海上等溶解氧含量检测。仪器同样适用于除了海水之外的其他水体中溶解氧含量检测工作。

附图说明

图1：本发明一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量装置原理框图；

图2：本发明一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量装置的详细功能图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

实施例1

如图中所示，基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量装置包括氧敏感膜、光学检测模块、信号调制解调模块、信号处理模块、系统控制模块、通信模块、电源管理模块。

氧敏感膜是溶解在水中氧气含量检测模块，如图1所示氧敏感膜黑色部分为遮光膜主要屏蔽外界光干扰，白色部分为被猝灭的荧光物质。当光学检测模块LED灯产生的激发光照射在氧敏感膜上时，会激发出荧光，溶解在水中的氧会促进荧光的猝灭，导致荧光的寿命缩短，所以氧含量不同则激发出的荧光寿命不同，相应地荧光信号相对于激发光的延迟相位也不相同。当信号调制解调模块接收到光学检测模块输出的信号后，该模块进行信号解调，然后将解调完成信号发送给信号处理模块，信号处理模块将原始的数据转换成相应的溶解氧含量值，最后通过通信模块将数值发送给外部设备。系统控制模块主要用来控制信号调制解调模块对LED灯的发光频率、发光间隔的调制，控制信号处理模块数据转换、修正补偿，控制通信模块通信速率、协议等。

本发明装置内部设计一个参考源，参考源输出正弦信号，然后通过LED驱动器来驱动LED，蓝光LED和红光LED分别依次点亮。蓝光LED照射到氧敏感膜上面激发荧光 ，两信号经过后续乘法器相乘可得：

当荧光信号频率与参考信号频率相同时，则差频分量变为 为一直流电压，而和频分量可以通过低通滤波器滤除。信号的输出仅仅与相位差相关，当被测信号与参考信号初始相位差不为0时，每次检测输出数据不同，影响检测的精度。

本发明提出使用双通道锁相放大的方法来测量溶解氧，系统设计为两路乘法器，如图2所示。通过90°移相器，使得两路乘法器参考信号相差90°即两路正交信号，荧光信号分别与两个正交参考信号相乘，并且参考信号与荧光信号频率相同，相乘后的两个信号分别通过低通滤波器滤除高频分量，可以得到两个差频分量：

同相分量：

正交分量：

那么荧光信号的幅值和相位分别为：

幅值：

相位：

通过上述求取正交信号相位的方法可以得到荧光信号和参考信号的相位差值 ，红光LED发射出与荧光相同波长的光信号，照射到氧敏感膜上不会产生荧光，但是通过求取正交信号相位的方法可以计算出与参考信号的相位差值 ， 为电路自身的延迟造成的检测信号的延迟，那么因为溶解氧造成的信号延迟。根据荧光延迟相位和溶解氧浓度关系公式： 可以得出所测溶解氧浓度值，其中 和为无氧气和有氧气时的延迟相位值， 为Stern-Volmer常数，[Q]为溶解氧的浓度。此方法可以消除参考信号与荧光信号的初始相位差，不需要在参考信号与被测信号间加入移相模块，求出的数据稳定、精度高。

上述方法计算出的溶解氧含量值经过修整补偿，最终通过通信模块将数据输出，完成溶解氧含量的单次检测。

实施例2

Stern-Volmer常数 需要在实验室经过大量实验测得数据拟合而得出，在温度25℃盐度为0时，实验拟合 为0.007824345。当溶解氧为8.335μmol/L时，测得蓝光LED相位值为63.443度，红光LED相位值为8.1度，可得由于溶解氧造成的相位延迟度数为55.343度，上述荧光延迟相位和溶解氧浓度关系公式为线性方程，故可以在此取溶解氧为8.335μmol/L时的相位55.343度为无氧时相位 。那么测量不同溶解氧浓度下的相位延迟就能计算出相应溶解氧的浓度。实验测试测得相位差为49.836度时，通过公式计算得出溶解氧含量为30.72654973μmol/L，使用实验室碘量法测得溶解氧为30.724μmol/L，两者数值接近，满足测试要求。

实施例仅说明本发明的技术方案，而非对其进行任何限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量装置，其特征在于：包括氧敏感膜、光学检测模块、信号调制解调模块、信号处理模块、系统控制模块、通信模块、电源管理模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量装置，其特征在于：

氧敏感膜能检测溶解在水中的氧气含量，氧敏感膜包括用于被猝灭的荧光物质和用于均匀分散固定荧光物质的载体；

光学检测模块包括产生激发光、参比光以及荧光信号的检测模块；

激发光由蓝光LED产生，参比光由红光LED产生，激发的荧光信号由光电二极管接收并传送给后续模块；

信号调制解调模块产生LED驱动信号，驱动两个LED分时发出一定频率的光，相应地光电二极管接收到相同频率的波动信号，信号调制解调模块在内部会产生两个通道的参考信号，两通道信号相位相差90°；

信号处理模块将信号调制解调模块解调出来的原始信号进行数据加工处理，经过模块内部的标定算法、补偿修正算法等计算出当前测试样品或环境中的溶解氧含量；

系统控制模块控制信号调制解调模块、信号处理模块以及电源管理模块，接收通信模块传送过来的指令并执行，执行完成相应指令后返回一定的执行结果反馈值；

通信模块将信号处理模块计算所得的溶解氧含量数值转换成常用的通信模式，并将其他外部设备发送的指令转换成本装置可执行指令；

电源管理模块供电并管理各模块的分时通断电。

3.一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量方法，其特征在于：利用90°移相器，使得两路乘法器参考信号相差90°，计算测得溶解氧含量。

4.根据权利要求3所述的一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量方法，其特征在于，具体计算方法为：

荧光信号分别与两个正交参考信号相乘，并且参考信号与荧光信号频率相同，相乘后的两个信号分别通过低通滤波器滤除高频分量，得到两个差频分量：

同相分量：

正交分量：

荧光信号的幅值和相位分别为：

幅值：

相位：

得到荧光信号和参考信号的相位差值，通过同样的方法计算出参比光信号与参考信号的相位差值，溶解氧造成的信号延迟，根据荧光延迟相位和溶解氧浓度关系公式：得出所测溶解氧浓度值，

其中：和为无氧气和有氧气时的延迟相位值；

为Stern-Volmer常数；

[Q]为溶解氧的浓度。