CN107449760A - 一种基于荧光法的高精度溶解氧传感器 - Google Patents

一种基于荧光法的高精度溶解氧传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于荧光法的高精度溶解氧传感器，包括数据处理器、参考光源、激发光源、与第三设备通信的通信电路以及与所述数据处理器双向通信连接的探头；所述数据处理器的信号输出端通过通路选择电路分别连接至所述参考光源和所述激发光源，所述参考光源和所述激发光源与所述数据处理器的信号输入端之间依次经导光杆、荧光膜、光电转换电路、滤波电路、放大电路以及模数转换电路连接；所述数据处理器用于实时读取模数转换电路的转换结果，并根据转换结果分别计算相位和参考相位通过相位和参考相位获得相位差最终求解溶解氧浓度Cdo。本发明所提供的溶解氧传感器实现了长期无人值守远程监测；利用相位差计算得出溶解氧浓度，提高了测量精度。

Description

一种基于荧光法的高精度溶解氧传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其是涉及一种基于荧光法的高精度溶解氧传感器。
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。
传统检测水中溶解氧含量的方法是：首先从待测区域断水面取水样，再在水样中加入硫酸锰和碱性碘化钾，水中溶解氧将低价锰氧化成高价锰，生成四价锰的氢氧化物棕色沉淀；然后加酸，氢氧化物沉淀溶解，并与碘离子反应而释放出游离碘；以淀粉为指示剂，用硫代硫酸钠标准溶液滴定释放出的碘，据滴定溶液消耗量计算溶解氧含量。
应用以上方法检测水中溶解氧含量具有诸多缺点，如：检测时间长、具有二次污染、需要专业的检测人员、不能实时在线检测。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明在此的目的是提供一种不需要化学试剂、操作简单、能够实时在线检测的基于荧光法的高精度溶解氧传感器。
为了实现本发明的目的，在此所提供的基于荧光法的高精度溶解氧传感器包括壳体和安装于所述壳体内的电路板，所述电路板上包括数据处理器、参考光源、激发光源、与第三设备通信的通信电路以及与所述数据处理器双向通信连接的探头；所述数据处理器的信号输出端通过通路选择电路分别连接至所述参考光源和所述激发光源，所述参考光源和所述激发光源与所述数据处理器的信号输入端之间依次经导光杆、荧光膜、光电转换电路、滤波电路、放大电路以及模数转换电路连接；
所述数据处理器用于实时读取模数转换电路的转换结果，并根据转换结果分别计算相位和参考相位通过相位和参考相位获得相位差最终求解溶解氧浓度Cdo。
本发明所提供的溶解氧传感器配置有与第三设备通信的通信电路，不需要专人看管操作，使用时只需将传感器投入待测液态中上电即可稳定运行，实现了长期无人值守远程监测；也实现了溶解氧测量的自动化。此外，该传感器利用相位差计算得出溶解氧浓度，极大地提高了测量的精度。
进一步的，本发明所提供的溶解氧传感器还包括与所述数据处理器的信号输入端连接的温度补偿电路。通过温度补偿电路能够将当前环境所测溶解氧值自动补偿到25℃所对应的溶解氧值并输出补偿后的溶解氧值。
进一步的，本发明所提供的溶解氧传感器还包括稳压隔离电路。通过隔离电路可以将电源与各电路之间隔开，降低了电源波动对各电路所产生的影响，更有效地保证了测量精度。
具体的，所述荧光膜与所述光电转换电路之间设有滤光片。实现了杂光的滤除，降低了杂光对测量结果的影响，更进一步提高了测量精度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：不需要专人看管操作，使用时只需将传感器投入待测液态中上电即可稳定运行，实现了长期无人值守远程监测；也实现了溶解氧测量的自动化；利用相位差计算得出溶解氧浓度，极大地提高了测量的精度。此外，本申请所提供的传感器能够将当前环境所测溶解氧值自动补偿到25℃所对应的溶解氧值并输出补偿后的溶解氧值；且不需要使用化学试剂，避免了化学试剂对水体的污染。传感器操作简单，且便于推广。
附图说明
图1为本发明所提供的溶解氧传感器的结构示意图；
图2为本发明所提供的溶解氧传感器的原理框图；
图3为本发明所记载的通路选择电路的原理图；
图4为本发明所记载的光电转换电路和滤波电路的原理图；
图5为本发明所记载的放大电路的原理图；
图6为本发明所提供的温度补偿电路的原理图；
图中：1-壳体，2-电路板，3-线缆，4-数据处理器，5-通信电路，6-探头盖，7-通路选择电路，8-导光杆，9-荧光膜，10-光电转换电路，11-滤波电路，12-模数转换电路，13-光源，14-对数放大电路，15-信号放大电路，16-稳压隔离电路，17-滤光片。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的技术方案，在此结合附图和具体实施方式对本发明所提供的溶解氧传感器作进一步详细的说明。
实施例一：
如图1和2所示，本实施例所提供的基于荧光法的高精度溶解氧传感器，包括了壳体1和安装于壳体1内的电路板2，电路板2通过线缆3与供电电源连接；电路板2上包括用于实时读取模数转换电路的转换结果，并根据转换结果分别计算相位和参考相位通过相位和参考相位获得相位差最终求解溶解氧浓度Cdo的数据处理器4，用于发射参考光的参考光源，用于激发荧光的激发光源，与第三设备通信的通信电路5以及与数据处理器3双向通信连接的探头；探头前端扣合有探头盖6。
其中数据处理器4的信号输出端通过用于驱动和自动切换参考光源和激发光源的通路选择电路7分别连接至参考光源和激发光源，而参考光源和激发光源与数据处理器4的信号输入端之间依次经导光杆8、荧光膜9、光电转换电路10、滤波电路11、放大电路以及模数转换电路12连接。其中，荧光膜9设置于探头盖6的前端内壁上。
所记载的数据处理器4可以采用任何一种可编程器件，如STM32F103RCT6单片机构成的单片机最小系统，该单片机运算速度快，能够快速处理接收到的数据，得到溶解氧浓度。参考光源和激发光源分别采用两种不同波长的LED光源，如参考光源采用中心波长为620nm的红光LED，如HSE620-L508光源；激发光源则可以采用中心波长为470nm的蓝光LED，如HSE470-L512光源。采用LED光源做为参考光源和激发光源，消除了光源初始相位的影响以及光源光强变化的影响，有利于提高溶解氧的测量精度。参考光源和激发光源并排、垂直或错位设置于电路板2上，本申请采用并排方式，因此图1中只能看到参考光源或激发光源，图中标号13表示光源(参考光源或激发光源)。
所记载的通信电路5为TTL与RS485转换电路，用于实现数据处理器4与第三设备(上位机)之间的双向通信连接，两者之间可以采用任何一种通信协议，如MODBUS通信协议。
本发明所记载的通路选择电路7可以采用现有的任何一种通路选择电路，而本申请所采用的通路选择电路7则是由驱动电路和MAX4625模拟开关构成，其具体的电路原理图如3所示；其中驱动电路包括三极管Q1，三极管Q1的发射极接+5V，集电极接MAX4625模拟开关的信号输入端，基极通过电阻R2作为驱动电路的一路输入脚(DRIVER_PIN1脚)，用于与数据处理器4连接；三极管Q1的发射极与基极之间串联有电阻R1。MAX4625模拟开关的另一输入端一次通过电容C1和电阻R3作为一路输入脚(DRIVER_PIN2脚)，用于与数据处理器4连接；MAX4625模拟开关的另一输入端还通过电阻R4接地；MAX4625模拟开关的两路输出分别与参考光源D2和激发光源D1连接。
通路选择电路的工作原理是：数据处理器输出高低电平信号驱动三极管Q1导通与截止，将驱动信号输入到MAX4625模拟开关控制其开关通断，从而选择激发光源D1(蓝色LED)发光或者参考光源D2(红色LED)发光。DRIVER_PIN2脚与单片机DAC输出端口相连，单片机通过DAC输出端口输出频率为2KHZ的正弦信号，通过MAX4625模拟开关选择通路，使参考光源(红色LED)发光或者激发光源(蓝色LED)发光工作。
所记载的导光杆8用于将光源(参考光源、激发光源)发出的光传导聚集到荧光膜上，该到导光杆可以采用现有的任何一种具有导光功能的导光杆，本申请在此采用的是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)实心导光杆。
荧光膜9在激发光源的作用下产生荧光，可以采用现有的任何一种荧光膜，本申请在此所采用的荧光膜是采用三(4,7-联苯-1,10-邻菲啰啉)二氯化钌为荧光指示剂，醋酸纤维素(CA)为基质材料。
而所记载的光电转换电路10和滤波电路11可以采用任何一种光电转换电路和滤波电路，只要能够将光信号转换为电信号，便于滤波电路接收处理即可。本申请在此提供一种光电转换电路和一种滤波电路，其两者的电路原理图如图4所示。其中光电转换电路包括光电二极管D3和三极管Q2，光电二极管D3的阴极依次通过电阻R5和电阻R6接+5V电源，光电二极管D3的阴极还通过电容C2接地；电阻R5和电阻R6的连接端还通过电容C3接地。光电二极管D3的阳极依次通过电容C4和电阻R7连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极通过电阻R8接地，三极管Q2的集电极通过电阻R9接+5V电源；三级管Q2的集电极和基极之间还串联有电阻R10；三极管Q2的还依次通过电阻R9和电容C5接地。其中光电二极管D3可以采用HSPD650-113EGR光电传感器。
本申请所提供的滤波电路是有源二阶带通滤波电路，其中心频率为2KHz，带宽为500Hz。该电路的具体电路结构如图4所示，包括运算放大器TLV2780、电阻R11～电阻R17和电容C7～C10；三极管Q2的集电极作为光电转换电路的输出通过依次电容C6、电阻R11和电容C7将电信号耦合至运算放大器TLV2780的反向输入端；电阻R11和电容C7的连接端通过电阻R12接地，运算放大器TLV2780的反向输入端还通过电阻R13、电容C8和电阻R12接地；运算放大器TLV2780的同向输入端分别通过电容C9和电阻R15接地；运算放大器TLV2780的同向输入端还通过电阻R14和电阻R16接+5V电源；运算放大器TLV2780的电源端通过电阻R16接+5V；运算放大器TLV2780的输出通过电容C10和电阻R17将滤波后的电信号输入后级放大电路；运算放大器TLV2780的输出还通过电容C8和电阻R12接地。以上只是本申请所提供的一种滤波电路的结构，除以上滤波电路结构外，还可以采用芯片MC33078D与其外围电路构成滤波电路。
如图5所示，本申请所记载的放大电路包括对数放大电路14和信号放大电路15；其中对数放大电路14包括对数放大芯片AD8310、电阻R18～R19和电容C11～C15，滤波电路11输出的电信号通过电阻R18和电容C11输入对数放大芯片AD8310的INLO引脚，对数放大芯片AD8310的COMM引脚接地，OFLT引脚通过电容C12接地；滤波电路11输出的电信号还通过电容C13输入对数放大芯片AD8310的INHI引脚，对数放大芯片AD8310的ENBL引脚和VPOS引脚分别通过电阻R19接+5V电源，以及通过电容C15接地；BFIN引脚通过电容C14接地；对数放大芯片AD8310的VOUT引脚通过电容C16和电阻R21将放大后的信号输入信号放大电路15。
而信号放大电路15则包括运算放大器TLV2780、电阻R20、R22、R23、电阻R24以及电容C17；对数放大芯片AD8310的VOUT引脚通过电容C16和电阻R21输入运算放大器TLV2780的同向输入端，其同向输入端还通过电阻R23接地；运算放大器TLV2780的反向输入端通过电阻R20接地；运算放大器TLV2780的输出端和反向输入端之间通过并联的电阻R22和电容C17连通；运算放大器TLV2780的输出端通过电阻R24将放大信号输入后级模数转换电路12。
本申请所记载的模数转换电路可以采用任何一种现有的模数转换电路，如采用芯片AKM53555VT及其外围电路构成。
此外，该溶解氧传感器还包括用于稳定电源电压及隔离电源与功能电路之间的稳压隔离电路16。溶解氧传感器通过线缆3与供电电源接通，电源先经该稳压隔离电路进行稳压处理后为后级各功能电路供电。该稳压隔离电路可以采用现有的任何一款稳压隔离电路，本申请采用的是由LP2985A-33和TPS76318构成；既保证了各功能电路的正常工作电压的供给，又避免了电源波动对功能电路所产生的影响，保证了整个溶解氧传感器的稳定性和测量精度。
本申请所提供的溶解氧传感器是依据荧光猝灭时间跟溶解氧浓度成比例关系(具体为溶解氧浓度越高荧光淬灭时间越短)的原理制成的，在使用前，需对本传感器进行校准操作，具体步骤为：
1、将溶解氧探头放入无氧水标准液中，通过第三设备(上位机)上所安装的溶解氧校准软件不断向本溶解氧传感器出送读取溶解氧值的MODBUS指令，待读数稳定后，向本传感器发送零点校准的MODBUS指令，收到传感器返回正确的应答信号表示零点校准成功。校准是否成功根据通信协议而定的，本申请在此提供一种校准成功的判断标准，具体为：上位机发送16进制指令id 06 10 00 00 00 CRCL CRCH,溶解氧传感器根据接收到的指令返回应答信号，若应答信号为id 06 10 00 00 00 CRCL CRCH表示零点校准成功，否则校准失败。其中id为传感器id编号，CRCL为CRC16检验为低8位，CRCL为高8位。
2、取出本溶解氧传感器，用去离子水冲洗探头并用吸水纸擦干，然后将本溶解氧探头放入饱和溶解氧标准液中，通过第三设备(上位机)上所安装的溶解氧校准软件不断向本溶解氧传感器出送读取溶解氧值的MODBUS指令，待读数稳定后，向本传感器发送斜率校准的MODBUS指令，收到传感器返回正确的应答信号后表示斜率校准成功；校准是否成功根据通信协议而定的，本申请在此提供一种校准成功的判断标准，具体为：上位机发送16进制指令id 06 10 02 00 00 CRCL CRCH,传感器返回id 06 10 02 00 00 CRCL CRCH表示零点校准成功，否则校准失败。其中id为传感器id编号，CRCL为CRC16检验为低8位，CRCL为高8位。
3、取出溶解氧传感器探头，用去离子水冲洗探头并用吸水纸擦干，然后将溶解氧探头放入待测液体中，向溶解氧传感器发送读取溶解氧值的MODBUS指令，读取溶解氧值。读取数据指令上位机发送id 03 00 00 00 04CRCL CRCH，传感器返回id 03 08 DOH D0L 00DOT TEMPH TEMPL 00 DOT CRCL CRCH,其中DOH为溶解氧值高8位，DOL为溶解氧值低8位，DOT为小数点位数，TEMPH为当前温度高8位，TEMPL为当前温度低8位，DOT为小数点位数。例如返回01 03 08 02 0C 00 02 01 34 00 01 20 3C,则溶解氧值为0x020C两位小数等于5.24ppm,温度为0x0134一位小数等于30.8℃。
本实施例所提供的溶解氧传感器的工作原理框图如图1所示，具体如下：
1、数据处理器(单片机)通过其内部集成的数模转换电路调制出频率为2KHZ的正弦波信号，此时数据处理器(单片机)与通路选择电路连接的一脚输出高电平，将正弦波调制信号输入激发光源(蓝光LED)，使其发光。光通过导光杆的聚集导通作用导通到荧光膜上，荧光膜在蓝光的照射下所激发出荧光被光电转换电路将荧光信号转换为一部分电信号，光电信号依次通过滤波电路和放大电路后输入模数转换电路，模数转换电路将接收到的模拟信号转换成数字信号输入数据处理器(单片机)。数据处理器(单片机)将模数转换电路输入的结果进行数字滤波后，进行快速傅里叶变换得出荧光信号的相位
2、数据处理器(单片机)与通路选择电路相连接的一端输出低电平，使其切换到参考光源(红光LED)连通正弦波调制信号，使参考光源(红光LED)发光工作。红光通过导光杆的聚集导通作用，导通到传感器的探头荧光膜，荧光膜不产生荧光，而对红光具有反射作用。红光通过反射后通过进入光电转换电路，光电转换电路将红光转换为电信号，光电信号依次通过滤波电路和放大电路后输入模数转换电路，模数转换电路将接收到的模拟信号转换成数字信号输入数据处理器(单片机)。数据处理器(单片机)将模数转换电路输入的结果进行数字滤波后，进行快速傅里叶变换得出参考光的相位
3、通过公式计算出荧光信号与参考光信号之间的相位差再通过公式得出溶解氧浓度Cdo。式中：k为比例系数，b为修正系数，k取值范围为-0.5～-0.2，b取值范围为8～10。
实施例二：
本实施例所提供的溶解氧传感器与实施例一所提供的溶解氧传感器的结构和原理基本相同，所存在的区别在于：还包括与数据处理器的信号输入端连接的温度补偿电路；该温度补偿电路能够将当前环境所测溶解氧值自动补偿到25℃所对应的溶解氧值并输出补偿后的溶解氧值至数据处理器中。
该温度补偿电路包括PT100温度探头、桥式信号处理电路和信号放大电路，其电路原理图如图6所示；包括用于连接PT100温度探头的PT100温度探头接口、电阻R25～R31、电容C18～C19和运算放大器TLV2780。PT100温度探头接口的TC+端通过电阻R25、R26和R28连接至运算放大器TLV2780的反向输入端，TC+端还通过电阻R29连接至运算放大器TLV2780的同向输入端；PT100温度探头接口的TC-端通过电阻R27和电阻R28连接至运算放大器TLV2780的反向输入端。电阻R25和电阻R26接电源，电阻R27和TC-端共地。
运算放大器TLV2780的反向输入端和输出端之间通过并联的电阻R30和电容C16连接，运算放大器TLV2780的输出端通过电阻R31和电容C19接地，并通过电阻R31将信号接入单片机的ADC模数转换模块。
该温度补偿电路的工作原理为：PT100温度探头信号通过桥式信号处理、比例放大之后接入单片机的ADC模数转换模块，根据模数转换结果计算后得到当前环境的温度值。通过温度补偿算法(温补实验测试时先通过人工调节温度到25℃测试记录溶解氧值作为标准值，然后改变温度后记录温度与溶解氧值的变换关系，大量测试后得出温补算法)，将当前环境温度下测得的溶解氧值补偿到25℃的溶解氧水平。
实施例三：
本实施例是在实施例一～实施例二的技术方案基础增加了一滤光片17，滤光片17设置于荧光膜9与光电转换电路10之间；用于滤除杂光。荧光膜接收到光源(参考光源、激发光源)所发出的光后，经滤光片后再输入光电转换电路。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于荧光法的高精度溶解氧传感器，其特征在于：包括壳体和安装于所述壳体内的电路板，所述电路板上包括数据处理器、参考光源、激发光源、与第三设备通信的通信电路以及与所述数据处理器双向通信连接的探头；所述数据处理器的信号输出端通过通路选择电路分别连接至所述参考光源和所述激发光源，所述参考光源和所述激发光源与所述数据处理器的信号输入端之间依次经导光杆、荧光膜、光电转换电路、滤波电路、放大电路以及模数转换电路连接；
所述数据处理器用于实时读取模数转换电路的转换结果，并根据转换结果分别计算相位和参考相位通过相位和参考相位获得相位差最终求解溶解氧浓度Cdo。
2.如权利要求1所述的一种基于荧光法的高精度溶解氧传感器，其特征在于：还包括与所述数据处理器的信号输入端连接的温度补偿电路。
3.如权利要求1或2所述的一种基于荧光法的高精度溶解氧传感器，其特征在于：还包括稳压隔离电路。
4.如权利要求1或2所述的一种基于荧光法的高精度溶解氧传感器，其特征在于：所述荧光膜与所述光电转换电路之间设有滤光片。
5.如权利要求3所述的一种基于荧光法的高精度溶解氧传感器，其特征在于：所述荧光膜与所述光电转换电路之间设有滤光片。
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