一种多通道光学溶解氧测量方法技术

本发明专利技术公开了一种多通道光学溶解氧测量装置及测量方法，该装置包括密封外壳，以及设置于密封外壳内部的激发光源模块、荧光产生模块、多通道荧光接收模块、信号处理单元、数据采集与控制单元，设置于密封外壳外部的计算机处理单元，多通道荧光接收模块包括三个相同的荧光接收通道，三个荧光接收通道的荧光接收角度分别为与荧光产生模块所在平面成45度、60度、90度，且三个荧光接收通道位于同一平面，相互隔离。本发明专利技术采用多个荧光接收通道，提高了荧光的接收效率，另外，利用每两个通道的荧光强度比值，实现该比值与氧浓度间的对应关系，克服了现有的基于荧光强度检测法易受光源不稳所带来测量误差的劣势，使得溶解氧测量结果更加准确。

【技术实现步骤摘要】
一种多通道光学溶解氧测量方法
本专利技术涉及一种多通道光学溶解氧测量装置及测量方法，属于溶解氧测量

技术介绍
随着光学传感器的发展，荧光分析与测量技术已广泛应用于水体中溶解氧浓度的检测，基于荧光猝灭机理的光学溶解氧测量方法逐渐替代了传统的碘量法和氧电极法，对水中溶解氧浓度的检测在工农业、医学及环境监测领域等方面都具有重要的意义。然而，在许多现有的技术中，如中国的一篇专利技术(公开号：CN1731154A)、一篇技术(公开号：CN2014788947U)，二者都采用了基于荧光强度的测量方法来测定水体中溶解氧浓度，这将会带来由于光源波动等因素而产生的误差，降低了系统灵敏度以及测量结果的准确性。而基于荧光寿命的测量的方法虽然在测量精度上有了提高，但测量过程相对复杂，测量时间较长。此外，基于荧光强度的测量方法多数是采用单通道的光学接收结构，是通过产生的荧光强度与溶解氧浓度呈相应的线性关系来直接实现对溶解氧测量，由于光源强度的变化，无疑会增加测量误差，造成系统测量精度不高。而且，激发产生的荧光是一种散射光，单通道的光学接收结构本身也会降低荧光的接收效率，从而带来溶解氧浓度测量范围较小的劣势，也不利于溶解氧测量系统的实用化发展。进一步的，对于溶解氧的测量也有使用光纤来实现激发光传输和荧光接收若采用激光作为激励光，由于能量较高，这将会大大缩短荧光敏感膜的寿命，而采用发光二极管(LED)，需考虑激励光源和荧光如何高效地耦合进入光纤，即便使用带尾纤输出的LED光源，无疑也会带来成本上的增加。同时，光纤式溶解氧测量装置多数是一种分立探测的结构，导致整个测量系统的集成度不高。最后，许多现有的技术中，当采用基于荧光强度的方法测量溶解氧时，在采集荧光信号至数据分析、处理及线性拟合过程中，采用的方法精度不是很高，如最小二乘法，对于溶解氧浓度的检测不仅需要高精度的数据处理电路，而且也需要良好的数据处理、线性拟合方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种多通道光学溶解氧测量装置及测量方法，提高了荧光的接收效率，克服了现有基于荧光强度检测法因光源不稳所带来的测量误差，使得溶解氧测量结果更加准确，提高了测量装置的长期可靠性。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种多通道光学溶解氧测量装置，包括密封外壳，以及设置于密封外壳内部的激发光源模块、荧光产生模块、多通道荧光接收模块、信号处理单元、数据采集与控制单元，还包括设置于密封外壳外部的计算机处理单元，所述多通道荧光接收模块包括三个相同的荧光接收通道，每个荧光接收通道内沿荧光射来的方向依次设置有带通滤波片、光聚焦透镜、光电探测器，三个荧光接收通道的荧光接收角度分别为与荧光产生模块所在平面成45度、60度、90度，且三个荧光接收通道位于同一平面，相互隔离；所述激发光源模块产生激发光射向荧光产生模块，荧光产生模块接收激发光并产生荧光，该荧光分别射向三个荧光接收通道，并在每个荧光接收通道内依次经带通滤波片、光聚焦透镜后由光电探测器接收，光电探测器、信号处理单元、数据采集与控制单元、计算机处理单元依次连接。优选的，所述激发光源模块包括光源发生器、光源调制电路、光源驱动电路，所述光源调制电路、光源驱动电路分别与光源发生器连接，光源调制电路、光源驱动电路还分别与数据采集与控制单元连接。优选的，所述荧光产生模块包括水密玻璃片、氧荧光敏感膜、荧光增敏剂，所述水密玻璃片镶嵌于密封外壳的底部，其中一个表面位于密封外壳的内部，另一个表面与外界接触，且与外界接触的表面依次涂覆有氧荧光敏感膜和荧光增敏剂。优选的，所述信号处理单元包括前置放大器、滤波整形电路以及精密有效值转换电路，所述前置放大器的输入端与各通道光电探测器的输出端连接，输出端经滤波整形电路连接精密有效值转换电路的输入端，精密有效值转换电路的输出端与数据采集与控制单元连接。优选的，所述密封外壳的材质为不锈钢或防水高分子材料。一种测量方法，利用如上所述多通道光学溶解氧测量装置实现，利用三个荧光接收角度分别为45度、60度、90度的荧光接收通道分别接收产生的荧光，得到三个荧光信号，将三个荧光信号分别转化为三个电信号，计算荧光接收角度为45度对应的电信号与角度为60度对应的电信号的比值、荧光接收角度为60度对应的电信号与角度为90度对应的电信号的比值、荧光接收角度为45度对应的电信号与角度为90度对应的电信号的比值，得到三个比值，利用RBF神经网络算法对这三个比值进行数据融合，得到被测溶解氧浓度值。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术多通道光学溶解氧测量装置及测量方法，构建了三个荧光接收通道，通过测量两两通道之间的荧光强度值之比来实现对溶解氧浓度的精准测量，有效地降低光源强度变化对溶解氧测量结果的影响，降低了测量误差。2、本专利技术多通道光学溶解氧测量装置及测量方法，采用了有效的算法，如神经网络算法实现对三个两两通道之间的比值数据的融合处理，降低了氧浓度测量的不确定性。3、本专利技术多通道光学溶解氧测量装置及测量方法，采用多通道数据融合技术，使得溶解氧测量结果更加准确，提高了溶解氧测量装置的长期可靠性。附图说明图1是本专利技术多通道光学溶解氧测量装置的结构示意图。图2是本专利技术多通道光学溶解氧测量装置的工作流程图。图3是本专利技术三个输出特性曲线的测试结果图。图4是本专利技术采用的RBF三层前向神经网络结构图。图5是本专利技术三个输出特性曲线数据融合后得到的校准曲线图。其中：1为光源发生器；2为光源驱动电路；3为光源调制电路；4为激发光；5为水密玻璃片；6为氧荧光敏感膜；7为荧光增敏剂；8为荧光；9为光隔离板；10为带通滤光片；11为光聚焦透镜；12为光电探测器；13为信号处理单元；14为数据采集与控制单元；15、计算机处理单元；16、密封外壳。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。如图1所示，为本专利技术一种多通道光学溶解氧测量装置的一个优选实施例。该测量装置主要包括以下几个部分：用于产生激发光4的激发光源模块、用于接收激发光并产生荧光8的荧光产生模块、多通道荧光接收模块、信号处理单元、数据采集与控制单元、计算机处理单元，另外还有一密封外壳。本实施例中的激发光源模块，包括光源发生器1、光源驱动电路2、光源调制电路3。优选的，光源发生器为高亮度蓝色发光LED，波长范围为455-468nm，通过光源调制电路3使得输出光的波长为460nm，光源驱动电路2为光源提供稳定的功率输出。光源驱动电路2、光源调制电路3同数据采集与控制单元14电连接。本实施例中的荧光产生模块，包括涂覆于水密玻璃片5其中一表面的氧荧光敏感膜6，以及均匀涂覆于氧荧光敏感膜表面的荧光增敏剂7，水密玻璃片5其中的一表面与外界接触，另一面被封装在壳体内下壁，并实现良好地密封安置。优选的，水密玻璃片5采用石英材质组成，莫氏硬度为9.0、抗压强度20Mpa，透光率达到95％。优选的，本实施例中的氧荧光敏感膜6是以钌络合物为荧光敏感材料，通过溶胶-凝胶技术制备，荧光敏感材料可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多通道光学溶解氧测量装置，其特征在于：包括密封外壳，以及设置于密封外壳内部的激发光源模块、荧光产生模块、多通道荧光接收模块、信号处理单元、数据采集与控制单元，还包括设置于密封外壳外部的计算机处理单元，所述多通道荧光接收模块包括三个相同的荧光接收通道，每个荧光接收通道内沿荧光射来的方向依次设置有带通滤波片、光聚焦透镜、光电探测器，三个荧光接收通道的荧光接收角度分别为与荧光产生模块所在平面成45度、60度、90度，且三个荧光接收通道位于同一平面，相互隔离；所述激发光源模块产生激发光射向荧光产生模块，荧光产生模块接收激发光并产生荧光，该荧光分别射向三个荧光接收通道，并在每个荧光接收通道内依次经带通滤波片、光聚焦透镜后由光电探测器接收，光电探测器、信号处理单元、数据采集与控制单元、计算机处理单元依次连接。

【技术特征摘要】
1.一种多通道光学溶解氧测量方法，利用一种多通道光学溶解氧测量装置实现，所述多通道光学溶解氧测量装置包括密封外壳，以及设置于密封外壳内部的激发光源模块、荧光产生模块、多通道荧光接收模块、信号处理单元、数据采集与控制单元，还包括设置于密封外壳外部的计算机处理单元；所述多通道荧光接收模块包括三个相同的荧光接收通道，每个荧光接收通道内沿荧光射来的方向依次设置有带通滤波片、光聚焦透镜、光电探测器，三个荧光接收通道的荧光接收角度分别为与荧光产生模块所在平面成45度、60度、90度，且三个荧光接收通道位于同一平面，相互隔离；所述激发光源模块产生激发光射向荧光产生模块，荧光产生模块接收激发光并产生荧光，该荧光分别射向三个荧光接收通道，并在每个荧光接收通道内依次经带通滤波片、光聚焦透镜后由光电探测器接收，光电探测器、信号处理单元、数据采集与控制单元、计算机处理单元依次连接；其特征在于：利用三个荧光接收角度分别为45度、60度、90度的荧光接收通道分别接收产生的荧光，得到三个荧光信号，将三个荧光信号分别转化为三个电信号，计算荧光接收角度为45度对应的电信号与角度为60度对应的电信号的比值、荧光接收角度为60度对应的电信号与角度为90度对应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：常建华，朱成刚，孔春霞，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32