一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统技术方案

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。本发明专利技术精度高、检测速度快、实时性强。

On-line dissolved oxygen measurement system based on fluorescence quenching method

【技术实现步骤摘要】
一种基于荧光淬灭法的在线式溶解氧测量系统
本专利技术涉及传感器检测
，具体涉及一种在线式的水中溶解氧测量系统。
技术介绍
水中溶解氧浓度的含量是评价水质的一项重要指标，是水质常五项之一，通过溶解氧检测设备能够实现对水中溶解氧的实时监测，再结合PH值、浊度等其它的监测参数可以快速得到水质状况，进而及时开展相关整治工作。不仅如此，溶解氧的测定在酿酒工艺，造纸工艺，冶金工艺以及生物医学方面也都具有着重要的应用。传统的溶解氧测量技术主要有滴定碘量法和电化学的方法，其中滴定碘量法是一种典型的化学检测方法，它不但需要消耗一定含量的样品溶解氧，而且其程序繁琐，耗时长，无法满足在线测量的要求。而采用电化学的方法制成的传感器则存在容易被污染，需要经常更换清洗，具有不稳定且容易失效等缺陷。相比之下，荧光淬灭法具有很好的光化学稳定性，重现性，无延迟，精度高，寿命长等优点，进而可以对水中的溶解氧进行实时的检测。因此，水质检测要求的提升使得人们对使用荧光淬灭法进行溶解氧含量检测更加青睐。在国内，很多的企业研究所或者高校都进行了一定该方面的理论研究和实验测试，但是能够系统的完成产品研发以及做出高分辨率、快速响应的商品化仪器在国内还较少，同样使用荧光淬灭法原理，然而最终检测精度却有所不同，因此研究采用何种设计和算法完成相位差测量成为了设计一种高精度溶解氧传感器的关键部分。
技术实现思路
为了解决检测溶解氧含量精度低、检测过程繁琐、检测周期长等问题，本专利技术提供了一种在线式的高精度溶解氧检测系统，为了实现精度上提高，采用了荧光淬灭法检测方法配合FFT相位差技术进行检测，并采用24位高精度AD/DA进行信号的产生和采集；为了减少检测时间，采用XILINX公司的FPGA，利用其并行结构的特点对算法进行并行计算。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：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。进一步，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。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(150摄氏度)进行隔离，以实现高温水溶解氧含量检测；所述的PD溶氧膜(1012)采用启盘科技有限公司自制溶氧膜PyxisPd，同OceanOptics荧光膜等成品对比具有一致的灵敏度水平和更高的耐温特性，适用场景更为丰富；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；所述电源模块(1001)用于对溶解氧采集和主控模块(1000)进行供电；所述的串口模块(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；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。所述计算机(1100)包括参数设定单元(1101)、数据处理单元(1102)、数据显示本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈朋，赵智，韩洋洋，丁宝进，梁荣华，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33