CN112630171B - 一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统 - Google Patents

一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统，包括：所述LED驱动模块，用于接收所述信号发生模块产生的激发光电信号，并产生相应强度为正弦波的激发光；所述光路部分，用于将所述激发光传输到光纤末端的氧敏感层，通过所述氧敏感层产生相应的荧光；以及将所述氧敏感膜处产生的荧光传输到所述光电转换模块；所述光电转换模块，用于将所述荧光转换成为荧光电信号；所述中央处理器模块，用于对所述荧光电信号和所述激发光电信号进行采样，并采用快速傅里叶变换的方式对采样结果进行分析处理，得到相应的氧气浓度数据。本发明实施例的传感器系统，成本低，体积小，且简单易行，具有极强的通用性，有效提高了氧气浓度检测的效率和可靠性。

Description

一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统
技术领域
本发明涉及传感器设计领域，具体涉及一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统。
背景技术
随着电子技术、计算机技术以及传感器技术的快速发展，氧气传感器逐渐应用普及，目前已经在工业生产、医疗医药和生物研究中发挥着重要作用，并产生巨大的经济效益。光纤传感器具有抗电磁干扰、耐事故能力强、精度高、本质安全等优点，在温度、位移和气体测量方面的均有广泛的应用。在未来，光纤传感器将具有广阔的发展前景。然而，现有的氧气传感器普遍存在检测效率较低，灵敏度较差的问题。
傅立叶变换是一种分析信号的方法，它用正弦波作为信号的成分，可分析信号的成分，也可用这些成分合成信号。为方便傅里叶变换在计算机上的应用，发展出了快速傅里叶变换算法。快速傅里叶变换能够将一个周期性信号分解成为正弦信号的叠加，并体现在频域上。快速傅里叶变换在信号处理领域有着广泛的应用，在通信、图像处理、电声系统测量等方面发挥着重要作用。因此如何基于快速傅里叶变换算法实现氧气浓度快速检测成为目前业界亟待解决的需要课题。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统，以解决现有技术中存在的氧气传感器普遍存在检测效率较低，灵敏度较差的问题。
本发明实施例提供一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统，包括：LED驱动模块、光路部分、信号发生模块、光电转换模块、中央处理器模块；
所述LED驱动模块，用于接收所述信号发生模块产生的激发光电信号，并产生相应强度为正弦波的激发光；
所述光路部分，用于将所述激发光传输到光纤末端的氧敏感层，通过所述氧敏感层产生相应的荧光；
所述光电转换模块，用于将所述荧光转换成为荧光电信号；
所述中央处理器模块，用于对所述荧光电信号和所述激发光电信号进行采样，并采用快速傅里叶变换的方式对采样结果进行分析处理，得到相应的氧气浓度数据。
进一步的，所述的基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统，还包括:信号放大模块；
所述信号放大模块，用于对所述光电转换模块产生的荧光电信号进行放大处理，并将放大处理之后的荧光电信号传输到所述中央处理器模块。
进一步的，所述信号放大模块为多通道跨阻放大器。
进一步的，所述中央处理器模块包括：数据采集模块、算法处理模块以及通信模块；
所述中央处理器模块具体用于，利用所述数据采集模块对所述荧光电信号和所述激发光电信号进行采样；利用所述算法处理模块采用快速傅里叶变换的方式将包含所述激发光电信号和所述荧光电信号的采样结果转变为相应频率信号的实部和虚部，通过反正切变换并作差得到相应的相位差，根据所述相位差得到对应的氧气浓度数据；以及利用所述通信模块将所述氧气浓度数据发送到预设的存储模块、上位机模块或显示模块。
进一步的，所述LED驱动模块包括：运算放大器、晶体管以及球头灯珠；
所述LED驱动模块具体用于，利用所述运算放大器和所述晶体管控制输入所述球头灯珠的电流，激发所述球头灯珠产生灯光强度按正弦波变化的激发光。
进一步的，所述光路部分包括尼龙光路、分光片、滤光片、光纤连接座、光纤和氧敏感膜，所述尼龙光路为设置并连接球头灯珠、所述分光片、所述滤光片和所述光纤连接座的光信号通路；所述分光片为光学分光玻璃；所述滤光片为满足预设透光波长的有色光学滤光片；所述光纤连接座为连接所述光纤和所述尼龙光路的金属连接座；所述光纤末端设置有所述氧敏感膜组成带有氧敏感膜的光纤探针。
进一步的，在本发明所述的基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统中，所述光路部分具体用于，将所述激发光经过所述分光片透射后，以及通过所述玻璃球珠聚光后进入所述光纤中；通过所述光纤将激发光传输到光纤末端的所述氧敏感层，利用所述氧敏感膜发生光致发光和荧光猝灭产生相应的荧光。
进一步的，所述光路部分还用于，将所述荧光经过所述光纤回传、所述分光片反射以及所述滤光片滤光后传输到所述光电转换模块。
进一步的，所述光电转换模块为满足预设峰值灵敏波长的硅光电池。
进一步的，所述信号发生模块包括用于产生正弦波的晶振电路以及用于控制所述晶振电路通过电流的控制芯片。
采用本发明实施例所述的基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统，可根据光致发光和荧光猝灭机理对激发光和荧光进行采样，通过快速傅里叶变换得到荧光相对于激发光的滞后相移，并将其转换成为氧气浓度。采用光纤制成，成本低，体积小，且简单易行，具有极强的通用性，能够在不同情况下得到快速应用，通过快速傅里叶变换的方式对采样结果进行分析处理，得到准确的氧气浓度数据，有效提高了氧气浓度检测的效率和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统中中央处理器模块的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统中LED驱动模块的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统中光路部分的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统中光电转换模块和信号放大模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明光纤氧气传感器的研究原理根据光致发光和荧光猝灭机理。当激发光传输到氧敏感膜时，所述氧敏感膜上的荧光物质分子会吸收激发光的能量而达到激发态，但激发态分子不稳定，能够通过产生荧光的方式释放能量，即实现光致发光。而当环境中存在氧气时，荧光物质激发态分子或基态分子与氧气之间发生作用，从而使荧光强度降低、寿命缩短，即实现荧光猝灭。
在光致发光和荧光猝灭的相互竞争下，随着氧气浓度的升高，荧光强度减弱，荧光寿命缩短。荧光强度和荧光寿命与氧气浓度的关系可由下式Stern-Volmer方程(1)来描述：
Figure BDA0002798474630000051
其中，I0为无氧条件下的荧光强度；I为有氧条件下的荧光强度；τ0为无氧条件下的荧光寿命；τ为有氧条件下的荧光寿命；K为Stern-Volmer常数；Q为氧气浓度。因此，可以通过测量荧光强度和荧光寿命来检测氧气浓度。
但荧光强度在传导过程中易受干扰，而荧光寿命是荧光物质的本征参量，不受外界因素变化。由于直接测量荧光寿命较为困难，本发明通过荧光寿命和荧光相对于激发光的滞后相移的关系，如下式(2)：
tanθ＝ωτ (2)
其中，θ为荧光相对于激发光的滞后相移；ω为激发光信号角速度；τ为荧光寿命。当激发光信号角速度固定时，荧光寿命和荧光相对于激发光的滞后相移的正切成正比，可以通过测量相移得到荧光寿命，进而实现准确检测氧气浓度。
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
下面基于本发明所述的基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统对其实施例进行详细描述。如图1所示，其为本发明实施例提供的一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统的结构示意图。本发明实施例提供的基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统具体实现过程包括以下部分：LED驱动模块(即LED驱动模块101)、光路部分102、信号发生模块104、光电转换模块103、中央处理器模块105。其中，所述LED驱动模块，用于接收所述信号发生模块104产生的激发光电信号，并产生相应强度为正弦波的激发光；所述光路部分102，用于将所述激发光传输到光纤末端的氧敏感层，通过所述氧敏感层产生相应的荧光；所述光电转换模块103，用于将所述荧光转换成为荧光电信号；所述中央处理器模块105，用于对所述荧光电信号和所述激发光电信号进行采样，并采用快速傅里叶变换的方式对采样结果进行分析处理，得到相应的氧气浓度数据。进一步的，在具体实施过程中还可能包括信号放大模块106、存储模块107、显示模块108和上位机程序109等部分。
其中，所述中央处理器模块105包括：数据采集模块1051、算法处理模块1052以及通信模块1053。所述中央处理器模块105具体用于，利用所述数据采集模块1051对所述荧光电信号和所述激发光电信号进行采样；利用所述算法处理模块1052采用快速傅里叶变换的方式将包含所述激发光电信号和所述荧光电信号的采样结果转变为相应频率信号的实部和虚部，通过反正切变换并作差得到相应的相位差，根据所述相位差得到对应的氧气浓度数据；以及利用所述通信模块1053将所述氧气浓度数据发送到预设的存储模块107、上位机模块109或显示模块108。
如图2所示，其为本发明实施例提供的一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统中中央处理器模块的结构示意图。在一个具体实施例中，激发光电信号和荧光电信号进入中央处理器模块105后，由数据采集模块1051进行采样，并将采样结果用DMA(DirectMemory Access；存储器直接存取)搬运至算法处理模块1052进行处理，得到的氧气浓度数据经通信模块1053传输到存储模块107、上位机109或显示模块108中。同时，中央处理器模块105还负责通过通信模块1053将正弦波的波形数据传给信号发生模块104；以及通过算法处理模块1052采用快速傅里叶变换将激发光电信号和荧光电信号的采样结果转变为频率信号的实部和虚部，再进行反正切变换并作差得到相位差，最后，基于相位差得到对应到氧气浓度数据。
在本发明实施例中，所述中央处理器模块105还包括微处理器，所述微处理器可采用STM32F103ZET6芯片，所述STM32F103ZET6芯片至少连接有通信模块1053、A/D转换模块(即模数转换器模块)、数据采集模块1051和算法处理模块1052。所述通信模块1053为USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter；通用同步/异步串行接收/发送器)串行总线；所述A/D转换模块内部设置有逐次逼近型A/D转换电路，所述逐次逼近型A/D转换电路的输入时钟不超过14MHz，转换时间小于4微秒(us)，最快为1微秒(us)；其中A/D转换模块的转换时间可以由以下公式(3)计算：
TCOVN＝Tc+12.5T (3)
其中，TCOVN为总转换时间；TC为采样时间；T为周期；采样时间TC是根据每个通道的SMP(Symmetric Multi-Processing)位的设置来决定的；所述算法处理模块1052为1024个点的快速傅里叶变换。
如图3所示，其为本发明实施例提供的一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统中LED驱动模块的结构示意图。
所述LED驱动模块包括：运算放大器1011、晶体管1012以及球头灯珠1042。所述LED驱动模块具体用于，利用所述运算放大器1011和所述晶体管1012控制输入所述球头灯珠1042的电流，激发所述球头灯珠1042产生灯光强度按正弦波变化的激发光。在具体实施过程中，所述LED驱动模块可以是指LED驱动模块101，可采用运算放大器1011控制3528红光球头灯珠1042的电流，从而达到产生光强按正弦波变化的激发光的目的。
如图4所示，其为本发明实施例提供的一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统中光路部分的结构示意图。
所述光路部分102包括尼龙光路、分光片1021、滤光片、光纤连接座、光纤1023和氧敏感膜1024，所述尼龙光路为设置并连接球头灯珠1042、所述分光片1021、所述滤光片和所述光纤连接座的光信号通路；所述分光片1021为光学分光玻璃；所述滤光片为满足预设透光波长的有色光学滤光片；所述光纤连接座为连接所述光纤和所述尼龙光路的金属连接座；所述光纤末端设置有所述氧敏感膜1024组成带有氧敏感膜1024的光纤探针。具体的，所述尼龙光路由尼龙制成，所述分光片1021为45度透光30％反光70％的光学分光玻璃；所述滤光片为透光波长在720nm以上的HB720有色光学滤光片。
在应用过程中，所述光路部分102具体用于，将所述激发光经过所述分光片1021透射后，以及通过所述玻璃球珠1022聚光后进入所述光纤中；通过所述光纤将激发光传输到光纤末端的所述氧敏感层，在氧敏感膜1024上发生光致发光和荧光猝灭，利用所述氧敏感膜1024发生光致发光和荧光猝灭产生相应的荧光；以及用于将所述荧光经过所述光纤回传、所述分光片1021反射以及所述滤光片滤光后传输到所述光电转换模块103。其中，所述光电转换模块103包含硅光电池1024。
如图5所示，为本发明实施例提供的一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统中光电转换模块和信号放大模块的结构示意图。
进一步的，本发明实施例所述的基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统还包括:信号放大模块106；所述信号放大模块106为多通道跨阻放大器MTI04CS。所述信号放大模块106用于对所述光电转换模块103产生的荧光电信号进行放大处理，并将放大处理之后的荧光电信号传输到所述中央处理器模块。所述光电转换模块103为满足预设峰值灵敏波长为850nm的硅光电池1024。在应用过程中，可采用硅光电池1024进行光电转换，LM1117-2V提供基准电压，采用多通道跨阻放大器MTI04CS对光电转换后的电信号放大。
所述信号发生模块104包括用于产生正弦波的晶振电路以及用于控制所述晶振电路通过电流的控制芯片。在实际实施过程中，所述信号发生模块104可以AD9833为核心，所述晶振电路用于产生4Khz正弦波的电路。
在具体实施过程中，以STM32为核心处理器的中央处理器模块，其与信号发生模块104协作控制LED驱动模块，使其产生强度为正弦波的激发光。激发光在光路中经分光片1021透射后，传至光纤末端的氧敏感层。在一定氧气浓度环境下，氧敏感层的荧光物质分子发生光致发光和荧光猝灭，产生与激发光存在一定滞后相移的荧光。荧光经光纤传至分光片1021和滤光片，在经分光片1021反射和滤光片滤光后，进入光电转换模块103。荧光经光电转换模块103转换成为电信号进入信号放大模块106，与激发光的电信号一起进入中央处理器模块105。中央处理器模块105对两路电信号处理得到氧气浓度，显示在显示模块108或上位机109上，并储存在存储模块107。
其中，所述存储模块107为TF(Trans-flash Card)卡，采用SDIO(Secure DigitalInput and Output；安全数字输入输出卡)模式。所述显示模块108可设置为0.96寸4针OLED显示屏，采用IIC(Inter-Integrated Circuit；集成电路总线)接口；所述上位机程序109可以是设置有Windows平台的光纤氧气传感器显示界面，通过USART串行总线与微处理器STM32相连，用于下发指令并接受和显示发送状态信息。
本发明的目的是提供光纤氧气传感器，以STM32嵌入式单片机为核心的中央处理器模块，通过光致发光和荧光猝灭机理来检测气体或溶液中的氧气浓度，将检测到的氧气浓度数据储存到上的存储模块107(比如SD卡)中，并在上位机程序109或显示模块108中显示出来。
本发明实施例所述的基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统，可根据光致发光和荧光猝灭机理，通过香农采样定理以大于激发光频率两倍的频率对激发光和荧光进行采样，从而实现不失真的恢复原信号。需要说明的是，在具体实施过程中本发明优选的采样频率是32Khz。
采用本发明实施例所述的基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统，能够通过快速傅里叶变换得到荧光相对于激发光的滞后相移，并将其转换成为氧气浓度。采用光纤制成，体积小，成本低，且简单易行，具有极强的通用性，能够在不同情况下得到快速应用，通过快速傅里叶变换的方式对采样结果进行分析处理，得到准确的氧气浓度数据，有效提高了氧气浓度检测的效率和可靠性。
另外，该光纤氧气传感器能够自动检测并存储数据，也能将其显示在上位机或显示模块上，具有抗电磁干扰、耐事故能力强、精度高、本质安全等优点。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是物理单元。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施上述方案内容。
通过以上的实施方式的描述内容，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式能能够借助通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以具备特殊功能的硬件产品的形式体现出来，该硬件产品可以通过计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)实现各个实施例或者实施例的某些部分所述的功能。
最后应说明的是：以上实施例仅用来说明本发明的具体技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员也应当理解：其依然可以对前述各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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统，其特征在于，包括：LED驱动模块、光路部分、信号发生模块、光电转换模块、中央处理器模块；
所述LED驱动模块，用于接收所述信号发生模块产生的激发光电信号，并产生相应强度为正弦波的激发光；
所述光路部分，用于将所述激发光传输到光纤末端的氧敏感层，通过所述氧敏感层产生相应的荧光；以及将所述氧敏感层处产生的荧光传输到所述光电转换模块；所述光路部分包括尼龙光路、分光片、滤光片、光纤连接座、光纤和氧敏感层；所述尼龙光路为连接球头灯珠、所述分光片、所述滤光片和所述光纤连接座的光信号通路；所述分光片为45度透光30％反光70％的光学分光玻璃；所述滤光片为透光波长在720nm以上的HB720有色光学滤光片；所述光纤连接座为连接所述光纤和所述尼龙光路的金属连接座；所述光纤末端设置有所述氧敏感层组成带有氧敏感层的光纤探针；
所述光路部分具体用于：将所述激发光经过所述分光片透射后，以及通过所述玻璃球珠聚光后进入所述光纤中；通过所述光纤将激发光传输到光纤末端的所述氧敏感层，在氧敏感层上发生光致发光和荧光猝灭，利用所述氧敏感层发生光致发光和荧光猝灭产生相应的荧光；以及用于将所述荧光经过所述光纤回传、所述分光片反射以及所述滤光片滤光后传输到所述光电转换模块；
所述光电转换模块，用于将所述荧光转换成为荧光电信号；
所述中央处理器模块，用于对所述荧光电信号和所述激发光电信号进行采样，并采用快速傅里叶变换的方式对采样结果进行分析处理，得到相应的氧气浓度数据；
所述中央处理器模块包括：数据采集模块和算法处理模块；所述中央处理器模块具体用于，利用所述数据采集模块对所述荧光电信号和所述激发光电信号进行采样；利用所述算法处理模块采用快速傅里叶变换的方式将包含所述激发光电信号和所述荧光电信号的采样结果转变为相应频率信号的实部和虚部，通过反正切变换并作差得到相应的相位差，根据所述相位差得到对应的氧气浓度数据。
2.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统，其特征在于，还包括:信号放大模块；
所述信号放大模块，用于对所述光电转换模块产生的荧光电信号进行放大处理，并将放大处理之后的荧光电信号传输到所述中央处理器模块。
3.根据权利要求2所述的基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统，其特征在于，所述信号放大模块为多通道跨阻放大器。
4.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统，其特征在于，所述LED驱动模块包括：运算放大器、晶体管以及球头灯珠；
所述LED驱动模块具体用于，利用所述运算放大器和所述晶体管控制输入所述球头灯珠的电流，激发所述球头灯珠产生灯光强度按正弦波变化的激发光。
5.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统，其特征在于，所述光路部分包括尼龙光路、分光片、滤光片、光纤连接座、光纤和氧敏感层，所述尼龙光路为设置并连接球头灯珠、所述分光片、所述滤光片和所述光纤连接座的光信号通路；所述分光片为光学分光玻璃；所述滤光片为满足预设透光波长的有色光学滤光片；所述光纤连接座为连接所述光纤和所述尼龙光路的金属连接座；所述光纤末端设置有所述氧敏感层组成带有氧敏感层的光纤探针。
6.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统，其特征在于，所述光电转换模块为满足预设峰值灵敏波长的硅光电池。
7.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的光纤氧气传感器系统，其特征在于，所述信号发生模块包括用于产生正弦波的晶振电路以及用于控制所述晶振电路通过电流的控制芯片。
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