CN113517872A - 数字锁相放大器和氧分压传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种数字锁相放大器和氧分压传感器，其中，数字锁相放大器包括：控制器，用于生成两路正交的方波信号，及控制信号发生器生成并发射一路触发信号，其中，触发信号用于生成荧光信号；以及，将第一中间信号分别和两路正交的方波信号进行相乘，得到第一调制信号和第二调制信号；其中，第一中间信号是荧光信号进行转换后得到的；处理器，用于分别对第一调制信号和第二调制信号进行积分处理，得到第一直流分量和第二直流分量，并根据第一直流分量和第二直流分量，确定目标相位。由此，在控制器和处理器的基础上，通过软件编程的方式，实现相位的检测，可以避免出现失锁问题。
Description
技术领域
本发明涉及数字电路技术领域，尤其涉及一种数字锁相放大器和氧分压传感器。
背景技术
目前可以通过氧分压传感器测量待测环境中的氧分压(或称为氧气分压)，其中，氧分压传感器可以通过锁相环电路检测信号的相位，根据相位计算氧分压。目前，锁相环电路由鉴相器、环路滤波、压控振荡器等基本原件组成。但是，实际应用时，发明人发现，在锁相环电路受到干扰的情况下，较易出现失锁问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
本发明提出一种数字锁相放大器，用于解决现有技术中，在锁相环电路受到干扰的情况下，较易出现失锁的技术问题。
本发明第一方面实施例提出了一种数字锁相放大器，应用于氧分压传感器，包括：控制器和与所述控制器连接的处理器；
所述控制器，用于生成两路正交的方波信号，及控制信号发生器生成并发射一路触发信号；其中，所述触发信号用于生成荧光信号；以及，将第一中间信号分别和所述两路正交的方波信号进行相乘，得到第一调制信号和第二调制信号；其中，所述第一中间信号是所述荧光信号进行转换后得到的；
所述处理器，用于分别对所述第一调制信号和所述第二调制信号进行积分处理，得到第一直流分量和第二直流分量，并根据所述第一直流分量和第二直流分量，确定目标相位，所述目标相位用于确定氧分压。
本发明实施例的数字锁相放大器，通过控制器生成两路正交的方波信号，及控制信号发生器生成并发射一路触发信号，其中，触发信号用于生成荧光信号；以及将第一中间信号分别和两路正交的方波信号进行相乘，得到第一调制信号和第二调制信号；其中，第一中间信号是荧光信号进行转换后得到的；并通过处理器分别对第一调制信号和第二调制信号进行积分处理，得到第一直流分量和第二直流分量，并根据第一直流分量和第二直流分量，确定目标相位。由此，在控制器和处理器的基础上，通过软件编程的方式，实现相位的检测，可以避免出现失锁问题。
本发明第二方面实施例提出了一种氧分压传感器，包括：本发明前述第一方面实施例提出的数字锁相放大器。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例所提供的一种数字锁相放大器的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的另一种数字锁相放大器的结构示意图；
图3为本发明实施例中相位检测原理示意图；
图4为本发明实施例所提供的另一种数字锁相放大器的结构示意图；
图5为本发明实施例中相位检测验证结果示意图；
图6为利用氧分压传感器检测到的相位与温度之间的关系示意图；
图7为本发明实施例所提供的一种氧分压传感器的温度标定方法的流程示意图；
图8为本发明实施例所提供的另一种氧分压传感器的温度标定方法的流程示意图；
图9为本发明实施例中的氧分压检测对比结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例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例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的数字锁相放大器和氧分压传感器。
图1为本发明实施例所提供的一种数字锁相放大器的结构示意图。
本发明实施例的数字锁相放大器应用于氧分压传感器。在具体描述本发明实施例之前，先对氧分压的测量原理进行说明。
任意一个线性系统的输出都可以通过将输入信号与系统函数(即系统的冲激响应)进行卷积计算获得。信号卷积信道为信号通过系统之后的全响应，其中，全响应中的稳态部分为稳态响应，稳态响应是指不随时间递减的项。由于指示剂的荧光猝灭效应，采集的波形将会畸变产生拖尾，这种波形的畸变在数学上的表示为调制波频谱上调制信号的相位滞后，因此可以通过测量相位来反映荧光猝灭的时间，进而确定氧分压和氧浓度值等。
如图1所示，该数字锁相放大器可以包括：控制器100和与控制器100连接的处理器200。其中，
控制器100，用于生成两路正交的方波信号，及控制信号发生器生成并发射一路触发信号；其中，触发信号用于生成荧光信号；以及，将第一中间信号分别和两路正交的方波信号进行相乘，得到第一调制信号和第二调制信号；其中，第一中间信号是荧光信号进行转换后得到的。
处理器200，用于分别对第一调制信号和第二调制信号进行积分处理，得到第一直流分量和第二直流分量，并根据第一直流分量和第二直流分量，确定目标相位。
在本发明实施例中，控制器100可以包括现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array，简称FPGA)、可编程门阵列(Programmable Gate Array，简称PGA)、具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路等控制器件或控制电路。
在本发明实施例中，处理器200可以包括微处理器(Advanced RISC Machines，简称ARM)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、中央处理器(CentralProcessing Unit，简称CPU)等处理器件。
本发明实施例的数字锁相放大器，通过控制器生成两路正交的方波信号，及控制信号发生器生成并发射一路触发信号，其中，触发信号用于生成荧光信号；以及将第一中间信号分别和两路正交的方波信号进行相乘，得到第一调制信号和第二调制信号；其中，第一中间信号是荧光信号进行转换后得到的；并通过处理器分别对第一调制信号和第二调制信号进行积分处理，得到第一直流分量和第二直流分量，并根据第一直流分量和第二直流分量，确定目标相位。由此，在控制器和处理器的基础上，通过软件编程的方式，实现相位的检测，可以避免出现失锁问题。
在本发明实施例的一种可能的实现方式中，触发信号可以是标准正弦波信号，该触发信号用于通过发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)驱动器驱动激发LED开启，生成并发射呈正弦变化的光信号，该光信号到达氧分压传感器的荧光传感膜，促使荧光传感膜与当前环境中的氧发生反应，并发出荧光信号。
在本发明实施例的一种可能的实现方式中，如图2所示，该数字锁相放大器还可以包括与控制器100连接的模数转换器(Analog to Digital Converter，简称ADC)300；其中，模数转换器300，用于对第一电信号进行转换，得到第一中间信号；第一电信号是由光电探测器对荧光信号进行转换得到的。
也就是说，本发明实施例中，控制器100，用于生成两路正交的方波信号，及控制信号发生器生成并发射一路触发信号；其中，触发信号用于生成荧光信号；模数转换器300，用于对第一电信号进行转换，得到第一中间信号；其中，第一电信号是由光电探测器对荧光信号进行转换后得到的；控制器100，还用于将第一中间信号分别和两路正交的方波信号进行相乘，得到第一调制信号和第二调制信号；处理器200，用于分别对第一调制信号和第二调制信号进行积分处理，得到第一直流分量和第二直流分量，并根据第一直流分量和第二直流分量，确定目标相位。
在本发明实施例中，模数转换器300可以独立于控制器100进行设置，或者，为了降低数字锁相放大器的体积，模数转换器300还可以集成在控制器100上，本发明对此并不做限制。
在本发明实施例的一种可能的实现方式中，信号发生器生成的一路触发信号可以为频率为f的标准正弦波信号，两路正交的方波信号的频率也为f。控制器100控制信号发生器发射触发信号后，该触发信号可以通过LED驱动器驱动激发LED开启，生成并发射呈正弦变化的光信号，该光信号到达氧分压传感器的荧光传感膜，促使荧光传感膜与当前环境中的氧发生反应，并发出荧光信号，荧光信号传输至光电探测器，由光电探测器将该荧光信号转化为第一电信号。模数转换器300可以将该第一电信号进行转换，得到第一中间信号(即离散信号)，之后，可以通过控制器100将第一中间信号分别和两路正交的方波信号进行相乘，得到第一调制信号和第二调制信号，最后，由处理器200分别对第一调制信号和第二调制信号进行积分处理，得到第一直流分量和第二直流分量，并根据第一直流分量和第二直流分量，确定目标相位，从而可以根据目标相位确定氧分压。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，目标相位为θ，第一中间信号为F(t)，标记第一中间信号的峰值为A，则：
F(t)＝A sin(2πft+θ)＝A sin(2πft)cos(θ)+A cos(2πft)sin(θ)； (1)
其中，t为离散值，相邻t之间的间隔大小与模数转换器300的采样周期相关。
标记两路正交的方波信号的峰值为B，两路正交的方波信号分别为f1(t)和f2(t)，将f1(t)和f2(t)分别展开为傅里叶级数，则：
其中，n＝1，3，5，…，即n为奇数。
控制器100将F(t)分别与f1(t)和f2(t)进行乘积计算，可以得到第一调制信号如公式(4)所示，第二调制信号如(5)所示：
处理器200可以将公式(4)对应的第一调制信号和公式(5)对应的第二调制信号分别进行积分运算(即通过低通滤波处理)，得到第一直流分量和第二直流分量，根据第二直流分量与第一直流分量的比值，即可确定目标相位。
具体地，由三角函数的正交性可知，除了公式(4)中的第一项(AB[sin(2πft)cos(θ)+cos(2πft)sin(θ)]*sin(2πft))和公式(5)中的第一项(AB[sin(2πft)cos(θ)+cos(2πft)sin(θ)]*cos(2πft))之外，后面所有项的积分为零。因此，本发明实施例中，处理器200可以对公式(4)中的第一项和公式(5)中的第一项分别采用积化和差三角函数公式进行变化，可以得到公式(4)中的第一项为：
并且，可以得到公式(5)中的第一项为：
处理器200对公式(6)在T内进行定积分处理，可知公式(6)中的第一项
的定积分为
第二项
的定积分为0。同理，处理器200对公式(7)在T内进行定积分处理，可知公式(7)中的第一项
的定积分为
第二项
的定积分为0。即，处理器200可以得到第一直流分量I为
第二直流分量Q为
从而处理器200可以根据第二直流分量Q与第一直流分量I的比值，确定目标相位θ。具体地，
因此，可以得到
在本申请实施例的另一种可能的实现方式中，触发信号还可以通过LED驱动器驱动激发LED关闭，并驱动参考LED开启，生成并发射呈正弦变化的参考光信号，该参考光信号传输至光电探测器，由光电探测器将该参考光信号转化为第二电信号。
也就是说，本发明实施例中，可以控制激发LED和参考LED交替开关，具体的，首先控制激发LED开启，当光电探测器将该荧光信号转化为第一电信号后，可以控制激发LED关闭，并驱动参考LED开启。
标记目标相位为θ，第一中间信号为F1(t)，第一中间信号的峰值为A1，则：
其中，
为荧光信号的相位。
标记两路正交的方波信号的峰值为B，两路正交的方波信号分别为f1(t)和f2(t)，将f1(t)和f2(t)分别展开为傅里叶级数，可以得到如公式(2)所示的f1(t)，以及如公式(3)所示的f2(t)。
控制器100可以将F1(t)分别与f1(t)和f2(t)进行乘积计算，得到第一调制信号如公式(9)所示，第二调制信号如(10)所示：
处理器200可以将公式(9)对应的第一调制信号和公式(10)对应的第二调制信号分别进行积分运算(即通过低通滤波处理)，得到第一直流分量和第二直流分量，根据第一直流分量与第二直流分量，确定荧光信号的相位。
具体地，由三角函数的正交性可知，除了公式(9)中的第一项
和公式(10)中的第一项
之外，后面所有项的积分为零。因此，处理器200可以对公式(9)中的第一项和公式(10)中的第一项分别采用积化和差三角函数公式进行变化，可以得到公式(9)中的第一项为：
并且，可以得到公式(10)中的第一项为：
处理器200对公式(11)在T内进行定积分处理，可知公式(11)中的第一项
的定积分为
第二项
的定积分为0。同理，处理器200对公式(12)在T内进行定积分处理，可知公式(12)中的第一项
的定积分为
第二项
的定积分为0。即，处理器200可以得到第一直流分量I1为
第二直流分量Q1为
从而处理器200可以根据第二直流分量Q1与第一直流分量I1的比值，确定荧光信号的相位
具体地，
因此，可以得到
模数转换器300还可以对第二电信号进行转换，得到第二中间信号，例如，标记第二中间信号为F2(t)，第二中间信号的峰值为A2，则，
其中，
为参考光信号的相位。
控制器100还可以将将F2(t)分别与f1(t)和f2(t)进行乘积计算，可以得到第三调制信号如公式(14)所示，第四调制信号如(15)所示：
处理器200可以将公式(14)对应的第三调制信号和公式(15)对应的第四调制信号分别进行积分运算(即通过低通滤波处理)，得到第三直流分量和第四直流分量，根据第三直流分量与第四直流分量，确定参考光信号的相位。从而可以将荧光信号的相位减去参考光信号的相位，得到目标相位。
具体地，由三角函数的正交性可知，除了公式(14)中的第一项
和公式(15)中的第一项
之外，后面所有项的积分为零。因此，处理器200可以对公式(14)中的第一项和公式(15)中的第一项分别采用积化和差三角函数公式进行转化，可以得到公式(14)中的第一项为：
并且，可以得到公式(15)中的第一项为：
处理器200对公式(16)在T内进行定积分处理，可知公式(16)中的第一项
的定积分为
第二项
的定积分为0。同理，处理器200对公式(17)在T内进行定积分处理，可知公式(17)中的第一项
的定积分为
第二项
的定积分为0。即，处理器200可以得到第三直流分量I2为
第四直流分量Q2为
从而处理器200可以根据第四直流分量Q2与第三直流分量I2的比值，确定参考光信号的相位
具体地，
因此，可以得到
从而处理器200可以将荧光信号的相位减去参考光信号的相位，得到目标相位，即
作为一种示例，以控制器100为FPGA，处理器200为ARM为例，对本发明实施例的相位检测原理进行示例性说明，如图3所示，两路正交的方波信号频率相同，相位差为90度。在主系统时钟基础上，可以通过FPGA控制信号发生器产生一路触发信号作为外部输出，控制外部电路产生光信号(用于生成荧光信号)和参考光信号，同时通过FPGA内部程序生成两路内部正交的方波信号。其中，触发信号是整个FPGA系统的相位参照，其他控制都是以触发信号为基准进行同步控制的。
光电探测器将荧光信号转化为第一电信号，并将参考光信号转换为第二电信号，ADC采集后输出的数据(第一中间信号或第二中间信号)与两路正交的方波信号经过FPGA中的正交乘法器相乘后产生两路数据，被写入到FPGA的先进先出(First In First Out，简称FIFO)缓存中。ARM在FPGA内部读取FIFO缓存中的数据，即依次读取FPGA的FIFO中的所有的正交数据，得到的数据再通过低通滤波方式，最终获得直流分量I和Q。
由此，在FPGA和ARM的基础上，通过软件编程的方式，实现相位的检测，可以避免出现失锁问题。
本发明实施例的数字锁相放大器，通过控制器生成两路正交的方波信号，及控制信号发生器生成并发射一路触发信号；其中，触发信号用于生成荧光信号；ADC对第一电信号进行转换，得到第一中间信号；其中，第一电信号是光电探测器对荧光信号进行转换后得到的；控制器将第一中间信号分别和两路正交的方波信号进行相乘，得到第一调制信号和第二调制信号；处理器分别对第一调制信号和第二调制信号进行积分处理，得到第一直流分量和第二直流分量，并根据第一直流分量和第二直流分量，确定目标相位。由此，在控制器和处理器的基础上，通过软件编程的方式，实现相位的检测，可以避免出现失锁问题。
在本发明实施例的一种可能的实现方式中，数字锁相放大器还可以包括数模转换器(Digital To Analog Converter，简称DAC)。
其中，控制器100可以包括正弦波生成器和基频模块，基频模块的一端与正弦波生成器的输入端相连，正弦波生成器的输出端与数模转换器的输入端相连，信号发生器由数模转换器、正弦波生成器和基频模块构成。
其中，基频模块，用于确定标准正弦波信号的频率，即基频模块用于提供标准正弦波信号的频率。
正弦波生成器，用于根据标准正弦波信号的频率，生成标准正弦波信号。
数模转换器，用于将标准正弦波信号进行转换，得到触发信号。
在本发明实施例中，数模转换器可以独立于控制器100进行设置，或者，为了降低数字锁相放大器的体积，数模转换器还可以集成在控制器100上，本发明对此并不做限制。
在本发明实施例的一种可能的实现方式中，控制器100还可以包括正交乘法器，基频模块的另一端与正交乘法器相连。可以通过正交乘法器实现将第一中间信号分别和两路正交的方波信号进行相乘，以及将第二中间信号分别和两路正交的方波信号进行相乘。
具体地，基频模块，还用于确定两路正交的方波信号的频率，即基频模块还可以用于提供两路正交的方波信号的频率。
控制器100，具体用于根据两路正交的方波信号的频率，生成两路正交的方波信号。例如，控制器100可以根据内部程序以及两路正交的方波信号的频率，生成两路正交的方波信号。
正交乘法器，用于将第一中间信号分别和两路正交的方波信号进行相乘，得到第一调制信号和第二调制信号。
可选地，正交乘法器还可以用于将第二中间信号分别和两路正交的方波信号进行相乘，得到第三调制信号和第四调制信号。
作为一种示例，以控制器100为FPGA，处理器200为ARM进行示例，氧分压传感器内部可以采用两路LED，分别为激发LED和参考LED，FPGA控制两路LED交替开关，信号频率为f。数字锁相放大器的结构可以如图4所示，其中，FPGA中的正弦波发生器和基频模块，以及外部的DAC构成信号发生器，该信号发生器可以生成频率为f的标准正弦波，通过LED驱动器驱动激发LED或参考LED，使激发LED或参考LED的发射光呈正弦变化。
光电探测器转换后的信号(第一电信号或第二电信号)经前级放大电路进行放大后进入ADC进行转换，FPGA中的ADC控制器用于生成控制ADC所需的控制时序，并通过并行接口读取ADC的转换结果(第一中间信号或第二中间信号)，ADC的转换结果通过正交乘法器后得到数字锁相放大所需的信号(第一调制信号和第二调制信号，或第三调制信号和第四调制信号)，然后暂存在FIFO缓存中等待ARM读取。ADC、DAC、FPGA、ARM及其内部的程序共同构成数字锁相放大器，将检测的相位输出结果给ARM。
综上，本发明实施例中，基于软件锁相技术，使用ADC、DAC、FPGA及其内部的程序共同构成数字锁相放大器，完成相位的检测。利用FPGA的并行特征，触发信号发生器产生一路触发信号作为外部输出，控制外部电路产生光信号，同时控制内部产生两路内部正交信号(即两路正交的方波信号)，给正交乘法器使用。ADC采集的不同相位的正弦波信号(第一中间信号、第二中间信号)，被同一相位的方波信号调制后得到最终信号，这些信号的直流分量各不相同，经过低通滤波处理，得到两路信号的直流分量，根据两路信号的直流分量的比值，即可确定待检测的目标相位，根据目标相位值可计算出氧分压。其中，触发信号是整个FPGA系统的相位参照，其他控制都是以触发信号为基准进行同步控制的，保证系统时序的精准性和稳定性。
作为一种示例，发明人在不同氧分压环境下，利用本发明实施例中的数字锁相放大器对目标相位进行检测，检测得到的目标相位值可以如图5所示，其中，测试环境中的氧分压范围为0-100kPa。由图5可以看出，目标相位随氧分压的变化满足固定的函数关系，符合理论。
本发明实施例还提出一种氧分压传感器，包括如前述任一实施例提出的数字锁相放大器。
需要说明的是，前述实施例中对数字锁相放大器的解释说明也适用于该实施例中的氧分压传感器，其实现原理类似，此处不做赘述。
需要说明的是，本发明实施例中根据目标相位检测氧分压时，可以采用现有技术中的计算方式确定，或者，也可以采用本发明实施例中特定的算法确定，本发明实施例对此并不做限制。
其中，本发明实施例中的特定算法，是指不同于现有技术中的计算算法。
应当理解的是，在待测环境中的氧分压值不变时，理论上锁相环电路检测得到的相位是不变的，然而，实际应用时，发明人发现，环境温度会影响荧光传感膜的荧光猝灭时间，即环境温度会直接影响氧分压传感器的检测结果。
当待测环境中的氧分压值不变时，发明人将环境温度从10℃升高到50℃，利用氧分压传感器检测到的相位与温度之间的关系如图6所示。由图6可知，即使环境中的氧分压值不变，氧分压传感器检测到的相位也会随着环境温度的改变而发生改变，因此，环境温度会影响荧光传感膜的荧光猝灭时间，即环境温度会直接影响氧分压传感器的检测结果。
因此，发明人对现有技术中的根据相位计算氧分压的算法进行改进，以提升氧分压传感器抗温度干扰能力。具体地，本发明实施例中的特定算法，是通过对氧分压传感器进行温度标定后，确定的氧分压与相位和温度之间的映射关系，利用该映射关系、相位和温度，计算氧分压，可以提升氧分压传感器检测结果的准确性和可靠性。
下面结合图7，对本发明实施例中的温度标定方法进行详细说明。
图7为本发明实施例所提供的一种氧分压传感器的温度标定方法的流程示意图。
本申请实施例以该氧分压传感器的温度标定方法被配置于氧分压传感器的温度标定装置中来举例说明，该氧分压传感器的温度标定装置可以应用于任一氧分压传感器中，以使该氧分压传感器可以执行温度标定功能。
如图7所示，该氧分压传感器的温度标定方法可以包括以下步骤：
步骤101，在氧分压为零的条件下，获取氧分压传感器中数字锁相放大器在多个温度下检测得到的多个第一相位。
本发明实施例中，可以在氧分压为零的条件下，即在无氧状态下，通过氧分压传感器中数字锁相放大器检测多个不同温度下的相位，得到多个第一相位，也就是说，可以在不同温度下，利用氧分压传感器中的数字锁相放大器检测无氧状态时的相位，本发明实施例中记为第一相位。
步骤102，对多个第一相位和各第一相位对应的温度进行拟合，确定第一相位与温度之间的第一映射关系。
本发明实施例中，可以根据各第一相位，以及各第一相位检测时对应的温度，对第一相位和温度进行拟合，得到第一相位与温度之间的第一映射关系。
例如，标记温度为T，第一相位为θ0，则拟合得到的第一映射关系可以为：θ0(T)＝f1(T)。
步骤103，在设定温度条件下，获取氧分压传感器中数字锁相放大器在多个氧分压下检测得到的多个第二相位。
本发明实施例中，设定温度为预先设置的，比如，设定温度可以为20°。
本发明实施例中，可以在有氧状态下，利用氧分压传感器中数字锁相放大器检测相位，具体地，可以在设定温度条件下，通过氧分压传感器中数字锁相放大器检测多个不同氧分压下的相位，本发明实施例中记为第二相位。
步骤104，根据第一映射关系、设定温度、多个第二相位和各第二相位对应的氧分压，确定氧分压传感器内部的第一标定参数、第二标定参数以及荧光猝灭函数。
其中，第一标定参数和第二温度标定参数是与氧分压传感器材料温度特性相关的参数。
本发明实施例中，荧光猝灭函数是指荧光猝灭系数与温度之间的映射关系。
本发明实施例中，可以根据第一映射关系、设定温度、多个第二相位、各第二相位对应的氧分压，以及预设公式，确定氧分压传感器内部的第一标定参数、第二标定参数以及荧光猝灭函数。后续实施例将对此进行详细说明，此处不作赘述。
步骤105，根据第一映射关系、第一标定参数、第二标定参数和荧光猝灭函数，确定氧分压与相位和温度之间的第二映射关系。
本发明实施例中，可以将第一映射关系、第一标定参数、第二标定参数和荧光猝灭函数，带入上述预设公式，确定氧分压与相位和温度之间的第二映射关系。后续实施例将对此进行详细说明，此处不作赘述。
本发明实施例的氧分压传感器的温度标定方法，通过在氧分压为零的条件下，获取氧分压传感器中数字锁相放大器在多个温度下检测得到的多个第一相位；对多个第一相位和各第一相位对应的温度进行拟合，确定第一相位与温度之间的第一映射关系；在设定温度条件下，获取数字锁相放大器在多个氧分压下检测得到的多个第二相位；根据第一映射关系、设定温度、多个第二相位和各第二相位对应的氧分压，确定氧分压传感器内部的第一标定参数、第二标定参数以及荧光猝灭函数；根据第一映射关系、第一标定参数、第二标定参数和荧光猝灭函数，确定氧分压与相位和温度之间的第二映射关系。由此，可以实现对氧分压传感器进行温度标定，从而提升氧分压传感器检测结果的准确性和可靠性，提升氧分压传感器抗温度干扰能力。
为了清楚说明上述实施例，本发明还提出一种氧分压传感器的温度标定方法，图8为本发明实施例所提供的另一种氧分压传感器的温度标定方法的流程示意图。
如图8所示，该氧分压传感器的温度标定方法可以包括以下步骤：
步骤201，在氧分压为零的条件下，获取氧分压传感器中数字锁相放大器在多个温度下检测得到的多个第一相位。
步骤202，对多个第一相位和各第一相位对应的温度进行拟合，确定第一相位与温度之间的第一映射关系。
步骤203，在设定温度条件下，获取氧分压传感器中数字锁相放大器在多个氧分压下检测得到的多个第二相位。
步骤201至203的执行过程可以参见上述实施例中的步骤101至103，在此不作赘述。
步骤204，根据设定温度、多个第二相位、各第二相位对应的氧分压，以及预设公式，确定第一标定参数和第二标定参数。
其中，第一标定参数和第二温度标定参数是与氧分压传感器材料温度特性相关的参数。
在本发明实施例的一种可能的实现方式中，预设公式可以如公式(18)所示：
其中，m为第一标定参数，f1为第二标定参数，Ksv1(T)为荧光猝灭函数，θ0(T)为第一相位与温度之间的第一映射关系，θ0(T)＝f1(T)，T为温度，θ为数字锁相放大器检测到的相位，
为氧分压。
可选地，标记设定温度为T1，可以将第二相位作为预设公式中的θ，将T1、多个θ、各θ对应的氧分压
第一映射关系θ0(T)带入上述预设公式，得到m、f1和Ksv1(T1)。
需要说明的是，上述仅以预设公式为公式(18)进行示例，本领域技术人员也可以根据实际情况自行设定其他计算公式。例如，本领域技术人员还可以在上述预设公式中加入一些修正系数等。这种具体计算方式的改变并不偏离本发明的基本原理，属于本发明的保护范围。例如，预设公式还可以如下述公式(19)所示：
其中，α和β为权重系数或修正系数。
步骤205，根据第一映射关系、第一标定参数、第二标定参数、多个第二相位以及各第二相位对应的氧分压，确定荧光猝灭函数。
本发明实施例中，可以将多个温度下的
以及与θ相对应的氧分压
第一标定参数、第二标定参数，带入预设公式，得到多个温度下的荧光猝灭系数Ksv1，而后可以对各荧光猝灭系数，以及各荧光猝灭系数对应的温度，对荧光猝灭系数和温度进行拟合，得到荧光猝灭系数与温度之间的第三映射关系，例如，第三映射关系为Ksv1(T)＝f2(T)，从而可以将第三映射关系，作为荧光猝灭函数。
步骤206，根据第一映射关系、第一标定参数、第二标定参数、荧光猝灭函数，以及预设公式，确定氧分压与相位和温度之间的第二映射关系。
本发明实施例中，在确定第一映射关系θ0(T)、第一标定参数m、第二标定参数f1和荧光猝灭函数Ksv1(T)后，可以将θ0(T)、m、f1和Ksv1(T)，带入预设公式，确定氧分压
与相位θ和温度T之间的第二映射关系，例如，第二映射关系为：
本发明实施例的氧分压传感器的温度标定方法，通过可以实现对氧分压传感器进行温度标定，从而提升氧分压传感器检测结果的准确性和可靠性，提升氧分压传感器抗温度干扰能力。
上述为氧分压传感器的温度标定过程，在对氧分压传感器进行温度标定之后，即可利用温度标定后的氧分压传感器对待测环境进行氧分压检测。具体地，可以获取待测环境的目标温度，并获取氧分压传感器中数字锁相放大器在待测环境中检测到的目标相位，根据目标温度、目标相位和第二映射关系，确定待测环境的氧分压。
具体地，可以将目标温度带入上述公式(20)中的T，以及将目标相位带入上述公式(20)中的θ，得到待测环境的氧分压。
作为一种示例，发明人将环境温度从10℃升高到50℃，分别利用未进行温度标定的氧分压传感器，以及采用本发明实施例中的上述方法进行温度标定后的氧分压传感器检测待测环境的氧分压，各氧分压传感器检测到的氧分压与温度之间的关系如图9所示。由图9可知，采用温度标定后的氧分压传感器测试空气中氧分压时，环境温度从10℃升高到50℃时，传感器检测到的氧分压值基本保持不变，符合理论要求。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种数字锁相放大器，其特征在于，应用于氧分压传感器，包括：控制器和与所述控制器连接的处理器；
所述控制器，用于生成两路正交的方波信号，及控制信号发生器生成并发射一路触发信号；其中，所述触发信号用于生成荧光信号；以及，将第一中间信号分别和所述两路正交的方波信号进行相乘，得到第一调制信号和第二调制信号；其中，所述第一中间信号是所述荧光信号进行转换后得到的；
所述处理器，用于分别对所述第一调制信号和所述第二调制信号进行积分处理，得到第一直流分量和第二直流分量，并根据所述第一直流分量和第二直流分量，确定目标相位。
2.如权利要求1所述的数字锁相放大器，其特征在于，所述触发信号是标准正弦波信号；
所述触发信号用于通过LED驱动器驱动激发LED开启，生成并发射呈正弦变化的光信号，所述光信号到达所述氧分压传感器的荧光传感膜，促使所述荧光传感膜与当前环境中的氧发生反应，并发出所述荧光信号。
3.如权利要求2所述的数字锁相放大器，其特征在于，还包括：与所述控制器连接的模数转换器；
所述模数转换器，用于对第一电信号进行转换，得到第一中间信号；所述第一电信号是由光电探测器对所述荧光信号进行转换得到的。
4.如权利要求3所述的数字锁相放大器，其特征在于，
所述处理器，具体用于采用积化和差三角函数公式，对所述第一调制信号和所述第二调制信号进行变换，并分别将变换后的第一调制信号和第二调制信号进行积分处理，得到所述第一直流分量和所述第二直流分量，并根据所述第二直流分量与所述第一直流分量的比值，确定所述目标相位。
5.如权利要求3所述的数字锁相放大器，其特征在于，
所述触发信号还用于通过所述LED驱动器驱动所述激发LED关闭，并驱动参考LED开启，生成并发射呈正弦变化的参考光信号。
6.如权利要求5所述的数字锁相放大器，其特征在于，
所述处理器，具体用于根据所述第一直流分量和所述第二直流分量，确定所述荧光信号的相位；
所述模数转换器，还用于对第二电信号进行转换，得到第二中间信号，所述第二电信号是由所述光电探测器对所述参考光信号进行转换得到的；
所述控制器，还用于将所述第二中间信号分别和所述两路正交的方波信号进行相乘，得到第三调制信号和第四调制信号；
所述处理器，还用于分别对所述第三调制信号和所述第四调制信号进行积分处理，得到第三直流分量和第四直流分量，并根据所述第三直流分量与所述第四直流分量，确定所述参考光信号的相位，将所述荧光信号的相位减去所述参考光信号的相位，得到所述目标相位。
7.如权利要求6所述的数字锁相放大器，其特征在于，
所述处理器，具体用于采用积化和差三角函数公式，对所述第一调制信号和所述第二调制信号进行变换，并分别将变换后的所述第一调制信号和所述第二调制信号进行积分处理，得到所述第一直流分量和所述第二直流分量，并根据所述第二直流分量与所述第一直流分量的比值，确定所述荧光信号的相位；及，
采用积化和差三角函数公式，对所述第三调制信号和所述第四调制信号进行变换，并分别将变换后的所述第三调制信号和所述第四调制信号进行积分处理，得到所述第三直流分量和所述第四直流分量，并根据所述第四直流分量与所述第三直流分量的比值，确定所述参考光信号的相位。
8.如权利要求1所述的数字锁相放大器，其特征在于，还包括：数模转换器，其中，所述控制器包括正弦波生成器和基频模块，所述基频模块的一端与正弦波生成器的输入端相连，所述正弦波生成器的输出端与所述数模转换器的输入端相连，所述信号发生器由所述数模转换器、所述正弦波生成器和基频模块构成；
所述基频模块，用于确定标准正弦波信号的频率；
所述正弦波生成器，用于根据所述标准正弦波信号的频率，生成所述标准正弦波信号；
所述数模转换器，用于将所述标准正弦波信号进行转换，得到所述触发信号。
9.如权利要求8所述的数字锁相放大器，其特征在于，所述控制器还包括正交乘法器，所述基频模块的另一端与所述正交乘法器相连；
所述基频模块，还用于确定所述两路正交的方波信号的频率；
所述控制器，具体用于根据所述两路正交的方波信号的频率，生成所述两路正交的方波信号；
所述正交乘法器，用于将第一中间信号分别和所述两路正交的方波信号进行相乘，得到第一调制信号和第二调制信号。
10.一种氧分压传感器，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的数字锁相放大器。
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