基于双光源相关算法的溶解氧浓度检测技术研究*

张晓楠， 姜子可， 胡祎萌， 姚璞玉

(齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266061)

0 引 言

水中溶解氧含量(dissolved oxygen,DO)是评价水体质量状况的一项重要标准，再结合浊度、pH值等检测参数可快速得到当前的水质情况[1,2]。随着荧光检测分析技术的发展，基于荧光猝灭效应的光学方法逐步应用到溶解氧浓度的检测中来。荧光猝灭指的是荧光物质分子与猝灭剂之间发生的现象[3]。当测量溶解氧浓度时，某一波长的入射光照射荧光物质，产生荧光，氧作为猝灭剂，与荧光物质相互作用，使荧光的发光强度降低或者荧光寿命衰减。这个检测过程不消耗氧气，而且不易受到外界条件的影响。相比传统检测方法[4～6]，通过检测荧光寿命得到溶解氧的浓度，具有灵敏度好[7,8]，精度高，增加了仪器的使用寿命。

国外研究人员基于荧光猝灭检测技术及产品研发展开了大量的研究工作，已出现相关产品[9]，但这些仪器价格昂贵、订货周期长，不适合广泛应用。国内一些科研机构也开展了很多研究，2012年，郭立泉等人[10]设计了基于锁相环电路的荧光寿命检测系统，但电路设计复杂且没有参考光源，精度较低。2016年，朱成刚等人[11]改善了结构设计，采用一种45°角斜面传感器探头，有效降低了水中气泡对溶解氧测量的干扰，若荧光信号有波动，则造成测量结果不稳定。2018年，高亚[12]利用相敏检测原理以及快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)求出相位差最后计算出溶解氧浓度,但STM32F1系列单片机主频低，导致运算速度慢，误差较大。2020年，陈朋等人[13]简化了光路结构，提出了单路光源的频域荧光寿命检测方法，该方法采用线性标定方法，在0～9 mg/L的检测范围内有较好的检测精度，在高浓度的检测范围误差较大，虽然简化了光路结构，但仍需要配置无氧水检测作为参考，反而增加了实验的复杂性。目前检测技术普遍存在光学结构设计不合理、检测算法复杂、浓度标定曲线难以满足0～20 mg/L的测量需求。因此需要设计一种成本低、检测算法简单、响应速度快并且能够市场化的溶解氧传感器。

本文提出了一种双光源相关检测算法的溶解氧检测技术，方法测量准确、响应快、长期稳定性好。

1 基于荧光猝灭法的检测系统

整体测量系统如图1所示，包括光电检测电路、LED恒流源驱动电路、数模转换(digital to analog converter,DAC)电路、温度测量电路、模数转换( analog to digital converter,DAC)电路等组成。

图1 荧光猝灭法的溶解氧测量系统

采用STM32F4系列单片机作为主控芯片，最小系统主要包括晶振电路、复位电路、JTAG(joint test action group)接口电路。采用电流型的发光二极管(light emitting diode，LED)作为光源，主控芯片的DAC输出恒定电压值通过恒流源(constant current source，CCS)电路驱动2只LED，通过调节DA输出，可以控制LED的光强，内部的脉冲宽度调制(pluse width modulation，PWM)产生固定频率的方波信号，来调制LED的频率。光电二极管(photo detector，PD)接收到参考信号和微弱的荧光信号[14]后，通过电流/电压转换(I/V converter)电路、两级固定增益运算放大(operational amplifier，AMP)电路、低通滤波(low-pass filtering，LPF)电路后，输入到主控芯片内部的ADC中。内部ADC最高主频为36 MHz，能够保证对采样信号有足够高的分辨率。利用相关算法对ADC捕捉到的采集值进行计算，得到参考信号和荧光信号的相位，进而得到二者相位差。由于温度是影响溶解氧浓度的重要因素，本设计采用具有负温度系数的热敏电阻(negative temperature coefficient，NTC)对温度进行测量，温度测量的结果将参与到溶解氧浓度的校正运算中。处理后的结果通过RS—485接口，MODBUS标准协议与上位机通信。

双光源光路结构如图2所示，两只LED呈一定角度分布在PD两侧，LED为圆形3 mm封装，中心波长分别为470 nm和660 nm。LED与PD夹角为30°，确保中心光斑照射到溶解氧传感膜(oxygen sensor membrane)上。传感膜采用团队自主研发的溶氧膜。吸收470 nm中心波长的光激发产生660 nm中心波长[15]的荧光信号。溶解氧传感膜由荧光涂层和黑色保护膜组成，可以绝缘外界光以及减小荧光涂层的损耗。

图2 双光源光路结构

PD采用滨松的S1336系列，在660 nm处的光敏性为0.35 A/W。双光源的设计中，一只LED作为参考光源，避免光路及电路对信号的影响。参比光源LED的AD采样值通过相关算法得到相位值作为基准与另一只LED的相位比较，得到相位差。通过相位差反演出荧光寿命，然后拟合曲线得到不同浓度的溶解氧值。

2 双光源相关检测算法测量荧光寿命

2.1 荧光的猝灭原理

氧分子作为猝灭剂与荧光物质发生反应，导致荧光寿命缩短以及荧光强度减小。荧光在数量上与氧的局部压力相关联，符合Stern-Volmer方程

式中I0为氧零压力下的荧光强度，I为氧压力为P时的荧光强度，τ0为氧零压力下的荧光寿命，τ为氧压力为P时的荧光寿命，Ksv为Stern-Volmer常数，P[O2]为氧分压。而其中荧光寿命是荧光的本征参量，不易受到外界干扰，因此，通过检测荧光寿命来反应溶解氧的大小。激发光源LED激发荧光膜后，荧光物质的光强度呈指数衰减，衰减至初始强度的所用的时间称为荧光寿命，其系统的线性描述函数为

单片机内部PWM产生频率为f的方波信号激发灯，经过放大、滤波电路后，得到调制的正弦信号

f(t)=Asin(2πft)

(3)

则荧光信号可表示为

F(t)=K(t)*f(t)=A0sin(2πft-θ)

(4)

可以看出，荧光信号为正弦信号，与激发光f(t)存在相位差θ，θ表现出荧光寿命τ的变化，满足

tanθ=2πfτ

(5)

代入式(1)可得

tanθ0/tanθ=1+KsvP[O2]

(6)

以上分析证明了相移θ表现出荧光寿命τ的变化，采用双光源设计，以参比光源LED激发光得到的相位作为基准，可以避免外界环境、光路、电路对信号造成的影响。

2.2 相关检测算法测量荧光寿命

检测相位差的核心在于测量不同溶解氧浓度下荧光信号的相位差变化值。本文设计采用相关算法进行检测。参考信号与荧光信号为频率相同、强度和相位不同的正弦信号，二者的相关系数表示为

(7)

而实际的处理信号是ADC的采样信号，为离散点序列，相应的离散计算公式为

式中k为采样点数。

通过反演(1)中Stern-Volmer方程得到相位差与溶解氧分压之间的线性关系。更多实验表明，在高氧浓度条件下，产生背离Stern-Volmer线性关系的情况。为了纠正这些背离，使用多项式的运算法则进行拟合。建立了相位与P[O2]之间的四次方关系

P[O2]=C0+C1θ+C2θ2+C3θ3+C4θ4

(9)

式中P[O2]为该温度下的氧分压；θ为相位差；C0C1C2C3C4为多项式系数，与温度有关。

3 实验结果与分析

3.1 实验平台搭建

本文设计构建了标定装置，主体是一个封闭的温度可调的制冷恒温水槽，通过水浴循环精确的控制水温，筒壁上方留有出入气口和传感器安置口。实验时要确保触感器浸没在水中。准备氮气钢瓶、氧气钢瓶、空气泵、无水亚硫酸钠试剂用于调节水中溶解氧浓度。设备通过RS—485协议与PC通信。采用9030M溶解氧测定仪(reference sensor)作为标定参考，与自主研制的传感器(TEXT sensor)共同放置在密封的容器中。采用11.1 V 3 000 mAh电池供电。

3.2 溶解氧标定曲线建立

首先配置一个温度(室温25 ℃)下的溶氧溶液，将氧气和氮气以一定比例通入恒温水槽中，制备不同浓度的溶氧水，用无水亚硫酸钠试剂制备无氧水。配置了7种浓度的溶液，测量结果如表1所示。

表1 溶解氧浓度及相位实测数据表

利用OriginPro8.5对数据进行非线性拟合，拟合相关系数R2=0.999 93，如图3所示，说明曲线对测量值拟合效果较好。

图3 相位与氧分压的非线性拟合曲线

将相位的测量值，代入到拟合曲线中，求出氧分压值。通过查表的方式得到25 ℃时饱和溶解氧浓度值为8.25 mg/L，与氧分压的乘积得到氧浓度，与实测值进行比较，分析绝对误差，如表2所示。

表2 测量值与实际值对比 mg/L

实验表明，在测量范围内，自主研制的溶解氧传感器与国际传感器相比，绝对误差小于0.1 mg/L，证明通过相关算法求的相位进行非线性拟合可以精确得到水中溶解氧含量。

3.3 温度、盐度对测量信号的影响

3.3.1 温度影响

温度对溶解氧含量影响体现在两方面：首先影响水中溶解氧的饱和度；其次影响荧光信号的强度。因此温度补偿从两方面入手，一方面针对荧光信号强度的影响进行相位差的补偿；另一方面针对饱和度的影响进行氧分压的补偿。针对第一方面做了以下实验，将传感器分别置于饱和水和无氧水中，水样从0 ℃到40 ℃进行升温实验，每隔5 ℃记录一个相位差值。如图4所示。

图4 温度变化响应曲线

由图4可知，无氧水和饱和水的温度变化响应近似一致的线性变化。根据斜率变化，得到符合无氧水和饱和相位差变化的线性曲线，对相位差进行修正。修正后的相位代入式(9)，求出氧分压；然后查表找到该温度下的氧的饱和溶解度，求出当前氧浓度。

3.3.2 盐度影响

水中氧的溶解度随着含盐量的增加而减少，总盐量在35 g/kg以下时，二者呈线性关系。根据HJ 506—2009标准中附表A.1—1 (氧中溶解度与水温和含盐量的函数关系)，校正公式如下

式中 [O2]为当前测量的氧浓度，Δρ(O2)s为水中含盐量每增加1 g/kg时，溶解氧的修正值，ρ(O2)为氧的饱和溶解度，Sal为含盐量。

3.4 响应速度测试

在室温(25 ℃)下，准备两种溶液，一种是饱和空气溶氧水，另一种是加入无水亚硫酸钠试剂制备的无氧水。将本设计的溶解氧传感器(TEXT sensor)和参比仪器(9030M)同时快速交替放置到两种水样中，记录测量的溶解氧值，结果如图5所示。从图5中可以看出，无论是测量饱和水还是无氧水，两种仪器具有较好的一致性。从无氧水到饱和水的交替，TEXT Sensor测量用时少于9030M，根据测量时间计算，节约了约2.8 s。从饱和水到无氧水的交替，TEXT Sensor测量用时同样少于9030M，根据测量时间计算节约了约4.5 s。同时可以证明，自主研发的溶氧膜在响应速度上优于国外溶氧膜。

图5 响应速度对比测试

3.5 稳定性测试

在海水养殖中，传感器需要长期工作在养殖池中以监测含氧量。同样，实验配置了饱和水和无氧水，传感器分别放置两种溶液中连续工作12 h，测试结果如图6所示。测量值的波动在0.2 mg/L范围内，仪器的稳定性良好。

图6 稳定性测试结果

4 结 论

本文提出了一种基于相关检测算法检测荧光寿命的双光源结构的溶解氧传感器。双光源结构可以避免外界环境造成的相移误差，结合荧光猝灭原理，利用相关算法求出相位差检测荧光寿命。由于高浓度存在背离Stern-Volmer方程的情况，利用多项式运算法则进行纠正，拟合相位差与氧分压的四次方曲线。同时分析了温度、盐度对溶解氧测量信号的影响，提出了校正方法。另外，针对测量的准确性、响应速度、稳定性做了大量实验。实验表明：与9030M溶解氧测定仪对比，测量误差小于0.1 mg/L，其响应速度优于9030M，长期工作时测量波动小于0.2 mg/L。