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原文传递一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统

专利名称：	一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统
摘要：	一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统，包括下位机系统和上位机模块，所述下位机系统(1000)以金属屏蔽壳(1010)、光纤通道(1011)、PD溶氧膜(1012)以及凸透镜(1013)作为结构设计，通过下位机中采集传输模块(1003)实现数据采集、FFT算法处理、系统控制、温度读取，并通过串口模块(1002)将预处理后数据发送至上位机模块，以方便计算机(1100)与各个模块的数据传输和控制；计算机(1100)用于对采集到的信息做进一步的处理，最终得到所需的水中溶解氧含量及部分相关参数，并实时显示检测结果。本发明精度高、检测速度快、实时性强。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	浙江工业大学
发明人：	陈朋;赵智;韩洋洋;丁宝进;梁荣华
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-11T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-20T00:00:00+0800
申请号：	CN201910499247.5
公开号：	CN110261356A
代理机构：	杭州斯可睿专利事务所有限公司
代理人：	王利强
分类号：	G01N21/64(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	310014 浙江省杭州市下城区朝晖六区潮王路18号
主权项：	1.一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统，其特征在于：所述系统包括下位机系统和上位机模块，所述下位机系统用于实现数据采集、FFT算法处理、系统控制、温度读取以及将预处理后数据发送至上位机模块，以方便计算机(1100)与各个模块的数据传输和控制；计算机(1100)用于对采集到的信息做进一步的处理，最终得到所需的水中溶解氧含量及部分相关参数，并实时显示检测结果。 2.如权利要求1所述的一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统，其特征在于：所述的下位机系统包括溶解氧采集和主控模块(1000)、金属屏蔽外壳(1010)、光纤通道(1011)、PD高温溶氧膜(1012)和凸透镜/滤光片(1013)，由溶解氧采集和主控模块(1000)按照一定频率发射出650nm参比光(2004)和395nm激发光(2005)通过光纤通道(1011)打到到PD高温溶氧膜(1012)上发生荧光淬灭反应，650nm参比光(2004)的反射光和395nm激发光(2005)在溶氧膜(1012)上产生的荧光通过凸透镜/滤光片(1013)分别被采集和控制模块(1003)上的PD采集电路(3000)所采集。 3.如权利要求2所述的一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统，其特征在于，所述的金属屏蔽壳(1010)用于对整体系统的进行电磁屏蔽和提供系统的防水功能，满足一定深度的水中检测要求；所述的光纤通道(1011)保证了采集和控制模块(1003)中的650nm参比光(2004)和395nm激发光(2005)能够无损耗到达PD高温溶氧膜(1012)，并且通过该通道将控制部分和高温水进行隔离，以实现高温水溶解氧含量检测；所述的凸透镜和滤光片(1013)用于对650nm参比光(2004)和395nm激发光(2005)产生的反射光和荧光进行汇聚并滤除杂色光，保证通过的光为单一波长的光，进一步保证了系统的检测精度；所述溶解氧采集和主控模块(1000)包括电源模块(1001)、串口模块(1002)以及采集和控制模块(1003)，所述的采集和控制模块(1003)分为两部分，信号产生第一部分由FPGA控制器(2000)、数模转换器(2001)、电压/电流转换电路(2002)、选择器电路(2003)、650nm波长参比光单点光源(2004)、395nm波长激发光单点光源(2005)组成；信号采集部分由PD采集电路(3000)、电流/电压转换电路(3001)、低通滤波器(3002)、同相放大器(3003)和模数转换电路(3004)所组成； FPGA控制器(2000)通过DDS发送一路固定频率的24位正弦序列至24位数模转换芯片(2001)，所产生的固定频率的正弦信号通过电压/电流转换电路(2002)在一定频率选择器(2003)的选通下分别点亮参比光点光源(2004)和激发光点光源(2005)。PD传感器(3000)将采集到的光信号转换为电信号后经过电流电压转换电路(3001)得到固定频率下的正弦信号，通过低通滤波器(3002)和同向放大器(3003)进行滤波和信号整形，输入至模数转换器(3004)后接FPGA控制器(2000)完成信号处理；电源模块(1001)用于对溶解氧采集和主控模块(1000)进行供电；串口模块(1002)采用RS-485方式和计算机(1100)进行通信，实时的发送和接收预处理后的溶解氧数据。 4.如权利要求1～3之一所述的一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统，其特征在于，所述的FPGA控制器(2000)用于输出24位正弦序列生成固定频率的正弦信号，并对模数转换器(3004)得到的数据进行FFT计算后将计算结果通过串口模块(1002)发送至计算机(1100)；所述的数模转换器(2001)采用24位高精度AD转换芯片，用于将FPGA控制器(2000)输出的24位正弦序列转换为固定频率的正弦波形，再发送至电压/电流转换电路(2002)；所述的电压/电流转换电路(2002)由双运放搭建，通过控制转换电阻阻值来控制电流大小，当转换电阻设置为R，输入电压为U，输出电流为I＝U/R，将输出电流接入选择器电路(2003)输入引脚；所述的选择器电路(2003)用于选通驱动LED点光源，其受FPGA控制器(2000)控制，应用输入电流以一定频率分别驱动650nm波长参比光单点光源(2004)和395nm波长激发光单点光源(2005)；所述的点光源分为650nm的参比光源(2004)和395nm的激发光源(2005)，根据PD溶氧膜(1012)的对不同波长光源的吸收和反射特性，参比光源(2004)会直接在膜上反射，反射光通过滤光片/凸透镜(1013)到达PD传感器(3000)。激发光源(2005)被PD溶氧膜(1012)吸收后发出荧光通过滤光片/凸透镜(1013)到达PD传感器(3000)；所述PD采集电路(3000)用于对反射的参比光源(2004)和荧光进行采集和转换，将光信号转换为电信号，表现形式为电流信号。该信号输入至电流/电压转换电路(3001)中进行转换；所述的低通滤波器(3002)和同相放大器(3003)用于对得到的信号进行滤波和整形，满足模数转换器(3004)输入要求；所述模数转换器(3004)采用24位分辨率高精度AD转换芯片，用于对信号的采样，采样频率为48MHz，大于信号频率2倍以上满足采样定律。 5.如权利要求1～3之一所述的一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统，其特征在于，所述的计算机(1100)包括参数设定模块(1101)、数据处理模块(1102)、数据显示模块(1103)和数据储存模块(1104)，参数设计模块(1101)对发送的正弦波频率、参比光源和激发光源选通控制频率参数进行控制；数据处理模块(1102)完成对FFT计算结果的接收，并计算出两路信号设定频点处的相位，进而得到相位差；数据显示模块(1103)用于对数据的相位差和每一个信号的相位实时显示；数据储存模块(1104)将获取到的校正前溶解氧含量值、校正后溶解氧含量值、两路信号的相位差以及每一种信号单独相位以EXCEL方式进行保存。 6.如权利要求1～3之一所述的一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统，其特征在于，所述的所述参数设定单元(1101)完成对待测水盐度、气压参数进行设置，并根据设定的参数完成溶解氧含量补偿；所述数据处理单元(1102)主分为两个部分，第一部分为溶解氧含量计算，第二部分为溶解氧含量校准，计算机(1100)接收到串口模块(1002)发送的FFT计算结果，对于接收到每一个频点的实部和虚部数据，设定采样率是f，FFT点数为a点，则进行FFT后的频率分辨率为：而进行FFT后的第N点对应的频率为f1(N-1)KHz，故F频率处为第f1(F-1)KHz点，只需要分别计算参考光和荧光FFT计算结果中的此点的相位，将其进行相减便可求得参考光和荧光正弦信号之间的相位差；获取参比光和荧光的相位差之后，根据饱和溶解氧求解公式计算出溶解氧的浓度值，同时根据实验标定的结果，对溶氧浓度的计算结果进行盐度补偿； p、po分别为实测和标准大气压，单位为Kpa；T为饱和溶解氧水体的温度，单位为℃；所述数据显示单元(1103)分为两个部分，第一部分为相位差显示图，第二部分为溶解氧图显示，其中相位差显示部分实时显示当前实际相位差变化，溶解氧显示部分实时显示当前检测水质的溶解氧含量。 7.如权利要求书1～3之一所示的一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统，其特征在于，所述的在线溶解氧测量仪在实际测量水中溶解氧含量时直接固定在一定深度的水中，下位机系统采集得到的数据通过RS-485总线方式传输至上位机模块中完成实时数据处理和显示，上下位机通过屏蔽线缆进行连接。
所属类别：	发明专利