本发明专利技术提供了一种溶解氧浓度检测系统及检测方法，系统包括微控制单元、光源驱动电路、第三模拟开关、参考光光源、激发光光源、荧光膜、滤光片、光电二极管、信号处理器、开关乘法器和模数转换器；整个检测系统由微控制单元通过光源驱动电路和第三模拟开关控制激发光光源和参考光光源。光电二极管接收到光信号经过电流转电压放大以及带通滤波器电路转换得到信号S1，S1通过开关乘法器得到信号S3，再通过偏移电路和模数转换器转换为数字信号送到微控制单元中进行运算最后求出光信号的相位，进而求出溶解氧浓度。本申请提供的溶解氧浓度检测系统及检测方法，通过电路开关乘法器加正交分解方法求解荧光信号相位和幅值，算法简单、成本低。成本低。成本低。
【技术实现步骤摘要】
一种溶解氧浓度检测系统及检测方法
[0001]本专利技术涉及溶解氧浓度检测
，尤其涉及一种溶解氧浓度检测系统以及检测方法。
技术介绍
[0002]水中的溶解氧测量在电厂、污水处理、养殖等领域都有广泛的应用，测量溶解氧分为原电池电极法和荧光法，其中荧光法因为其灵敏度高，耗材更换方便，寿命长等优点应用越来越广泛。
[0003]荧光法的基本原理是将一定宽度和特定波长如的脉冲激发光照射在荧光膜上，荧光膜会发出特定波长的荧光，氧气会对荧光产生淬灭作用，所以溶解氧浓度会影响荧光的强度和荧光的保持时间。
[0004]荧光膜在使用过程中会发生衰减，导致相同的溶解氧浓度下得到荧光强度会发生变化，但荧光信号下降的时间常数不会发生变化，测量荧光信号的时间常数就能排除荧光膜衰减带来的荧光强度变化干扰，大大延长了荧光膜的使用寿命。测量荧光膜的时间常数使用正弦信号驱动激发光光源，使其发出正弦变化的激发光，在光电二极管接收到荧光信号也是正弦信号，因为时间常数存在，使得接收到的信号与驱动信号有一个相位差，检测这个相位差就表征了时间常数，也表征了溶解氧浓度。
[0005]目前通常的方法是通过对光电二极管接收信号进行模数转换器(ADC)采样，然后进行对数据进行傅里叶变换，得到荧光信号的相位。此方法对ADC采样率要求高，对处理CPU要求高算法复杂，成本较高。因此我们提出一种新的求解荧光信号相位和溶解氧浓度的系统及方法。
技术实现思路
[0006]为解决上述问题，本专利技术提供了一种溶解氧浓度检测系统及检测方法。
[0007]为实现上述技术效果，本专利技术的技术方案为：一种溶解氧浓度检测系统，包括微控制单元(MCU)、数模转换器(DAC)、光源驱动电路、第三模拟开关、参考光光源、激发光光源、荧光膜、滤光片、光电二极管、信号处理器、开关乘法器和模数转换器(ADC)。
[0008]所述数模转换器与所述微控制单元连接，所述微控制单元用于控制检测系统运行，其通过所述光源驱动电路和所述第三模拟开关驱动所述激发光光源和所述参考光光源；所述激发光光源和所述参考光光源均为发光二极管(LED)，所述激发光光源用于发出特定波长的激发光，照射在所述荧光膜上；所述参考光光源发出的参考光的波长与所述荧光膜发出的荧光波长相等，用于避免所述荧光膜发出荧光；所述滤光片对所述荧光膜发出的光信号进行过滤，所述光电二极管用于接收所述滤光片过滤后的光信号，所述信号处理器用于对所述光电二极接收的光信号进行电流转电压放大以及带通滤波器电路处理，所述开关乘法器接收所述信号处理器的信号，并对其进一步处理，所述开关乘法器包括1倍放大电路、
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1倍放大电路、第二模拟开关和低通滤波器电路；所述模数转换器通过偏移电路与所述
开关乘法器连接，且与所述微控制单元连接，所述模数转换器将模拟信号转换成数字信号送到所述微控制单元中进行运算以求出荧光相位，然后再求得溶解氧浓度。
[0009]在一些实施例中，所述荧光膜的激发波长为390
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407nm，荧光波长为650nm。
[0010]在一些实施例中，所述数模转换器集成在所述微控制单元中。
[0011]本申请还提供了一种溶解氧浓度检测方法，包括以下步骤：
[0012](a)微控制单元通过数模转换器发出正弦信号S0，将其送入光源驱动电路并控制第三模拟开关点亮激发光光源，驱动所述激发光光源产生正弦变化的激发光，所述激发光照射在荧光膜上，使所述荧光膜发出荧光信号，所述荧光信号经滤光片过滤后，被光电二极管接入到信号处理器，在所述信号处理器中进行电流转电压放大以及带通滤波器电路处理，获取到荧光正弦信号S1，其中S0＝Asin(wt)，
[0013]其中，A是所述光源驱动电路的幅值，B是所述荧光正弦信号S1的幅值，w是频率由正弦信号S0确定，是所述荧光正弦信号S1的相位，由信号处理器带来的固定相移与氧气浓度引起的荧光相位确定，
[0014](b)所述荧光正弦信号S1经开关乘法器处理后得到信号S3，所述开关乘法器包括1倍放大电路，
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1倍放大电路，第二模拟开关和低通滤波器电路；
[0015](c)所述信号S3通过偏移电路调整电压后，再通过所述模数转换器转换为数字信号，送入到所述微控制单元中进行运算，可求得相位和荧光信号幅值B；
[0016](d)所述微控制单元控制所述第三模拟开关(9)将所述正弦信号S0送入光源驱动电路，点亮参考光光源，驱动所述参考光光源产生发出参考光，所述参考光的波长是荧光膜发出的荧光波长，照射在所述荧光膜上可避免所述荧光膜发出荧光；得到的相位即为由信号处理器带来的固定相移经计算可以得到荧光相位经计算可以得到荧光相位
[0017](e)求得时间常数τ和溶解氧浓度与荧光相位关系的比例系数K；其中，f为所述激发光的频率；K＝(τ0/τ1
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1)/[O2]，τ0为在无氧环境下的时间常数；τ1为在已知浓度[O2]的溶解氧环境下的时间常数；
[0018]将比例系数K和τ0存储在所述微控制单元中，再通过测量未知溶解氧浓度下的的荧光相位计算出所述未知溶解氧浓度下的时间常数τ，从而反算出溶解氧的浓度。
[0019]在一些实施例中，所述微控制单元通过数模转换器发出一路与所述正弦信号S0频率相位相同的方波信号S_ref0，发出一路与所述正弦信号S0频率相同相位滞后90度的方波信号S_ref90；所述开关乘法器的信号S_Ref由所述微控制单元通过第一模拟开关在所述S_Ref0与所述S_Ref90两个信号中选择，之后经过所述开关乘法器处理，能够获取到0度开关乘法结果S3_0和90度开关乘法结果S3_90；
[0020]可求得相位荧光信号幅值B＝sqrt(S3_0^2+S3_90^2)/0.6366。
[0021]在一些实施例中，当所述第一模拟开关选择S_Ref0作为开关乘法器的输入信号时，S_Ref＝S_Ref0，其中C是所述方波信号S_Ref的幅值，是常数1，即此时S3计作S3_0；
[0022]当所述第一模拟开关选择S_Ref90作为所述开关乘法器输入时，S_Ref＝S_Ref90，此时S3计作S3_90。
[0023]在一些实施例中，所述开关乘法器处理的过程为：所述微控制单元控制所述第一模拟开关接入所述方波信号S_ref0或所述方波信号S_ref90，使所述信号S_Ref控制所述第二模拟开关在所述1倍放大电路和
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1倍放大电路之间切换，得到的信号S2经所述低通滤波电路处理后得到所述信号S3。
[0024]在一些实施例中，所述激发光的波长范围为390
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470nm，所述参考光的波长为650nm。
[0025]在一些实施例中，所述步骤(c)中，所述信号S3通过所述偏移电路调整为正电压。
[0026]本专利技术的有益效果是：
[0027]本专利技术提供了一种溶解氧浓度检测系统以及工作方法，检测系统包括微控制单元、光源驱动本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种溶解氧浓度检测系统，其特征在于，包括微控制单元(1)、数模转换器、光源驱动电路(2)、第三模拟开关(9)、参考光光源(6)、激发光光源(4)、荧光膜(5)、滤光片(8)、光电二极管(7)、信号处理器(10)、开关乘法器(3)和模数转换器(11)；所述数模转换器与所述微控制单元(1)连接，所述微控制单元(1)用于控制检测系统运行，其通过所述光源驱动电路(2)和所述第三模拟开关(9)驱动所述激发光光源(4)和所述参考光光源(6)；所述激发光光源(4)和所述参考光光源(6)均为发光二极管，所述激发光光源(4)用于发出特定波长的激发光，照射在所述荧光膜(5)上；所述参考光光源(6)发出的参考光的波长与所述荧光膜(5)发出的荧光波长相等，以避免所述荧光膜(5)发出荧光；所述滤光片(8)对所述荧光膜(5)发出的光信号进行过滤，所述光电二极管(7)用于接收所述滤光片(8)过滤后的光信号，所述信号处理器(10)用于对所述光电二极管(7)接收的光信号进行电流转电压放大以及带通滤波器电路处理；所述开关乘法器(3)可接收所述信号处理器(10)的信号，并对其进一步处理，所述开关乘法器(3)包括1倍放大电路(31)、
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1倍放大电路(32)，第二模拟开关(33)和低通滤波器电路(34)；所述模数转换器(11)通过偏移电路(12)与所述开关乘法器(3)连接，且与所述微控制单元(1)连接，所述模数转换器(11)将模拟信号转换成数字信号送到所述微控制单元(1)中进行运算以求出荧光相位，然后再求得溶解氧浓度。2.根据权利要求1所述的溶解氧浓度检测方法，其特征在于，所述荧光膜的激发波长为390
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407nm，所述荧光波长为650nm。3.根据权利要求1所述的溶解氧浓度检测方法，其特征在于，所述数模转换器集成在所述微控制单元(1)中。4.一种溶解氧浓度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)微控制单元(1)通过数模转换器发出正弦信号S0，将其送入光源驱动电路(2)并控制第三模拟开关(9)点亮激发光光源(4)，驱动所述激发光光源(4)产生正弦变化的激发光，所述激发光照射在荧光膜(5)上，使所述荧光膜(5)发出荧光信号，所述荧光信号经滤光片(8)过滤后，被光电二极管(8)接入到信号处理器(10)，在所述信号处理器(10)中进行电流转电压放大以及带通滤波器电路处理，获取到荧光正弦信号S1，其中S0＝Asin(wt)，其中，所述A是所述光源驱动电路(2)的幅值，所述B是所述荧光正弦信号S1的幅值，所述w是频率由所述正弦信号S0确定，所述是所述所述荧光正弦信号S1的相位，所述由信号处理器带来的固定相移与溶解氧浓度引起的荧光相位确定，(b)所述荧光正弦信号S1经开关乘法器处理后得到信号S3，所述开关乘法器(3)包括1倍放大电路(31)，
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1倍放大电路(32)，第二模拟开关(33)和低通滤波器电路(34)；(...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓欢，陈小祥，魏伟，
申请(专利权)人：常州罗盘星检测科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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