基于荧光法的溶解氧传感器研制及试验

分类：论文范文 发表时间：2020-09-03 09:59

　　摘要: 溶解氧含量的测量对水产养殖具有极其重要的意义，但目前中国市面上的溶解氧传感器存在价格昂贵、不能持续在线测量及更新部件维护困难等问题，难以在水产养殖物联网中大规模推广和发挥作用。本研究基于荧光淬灭原理，利用水中溶解氧浓度与荧光信号相位差的关系进行低成本、易维护溶解氧传感器的研发。首先利用自制备溶氧敏感膜，经激发光照射后产生红色荧光，该荧光寿命可由溶解氧浓度调节；然后利用光信号敏感器件设计光电转化电路实现光信号感知；再以STM32F103微处理器作为主控芯片，编写下位机程序实现激发光脉冲产生，利用相敏检波原理以及快速傅里叶变换（FFT）计算激发光与参照光的相位差，进而转化为溶解氧浓度，实现溶解氧的测量。荧光探测部分与系统主控部分采用分离式设计思想，利用屏蔽排线直接插拔连接，便于传感器探测头的拆卸、更换、维护以及实现远距离在线测量。经测试，本溶解氧传感器的测量范围是0~20 mg/L，响应延迟小于2 s，溶氧敏感膜使用寿命约1年，可以实时不间断地对溶解氧浓度进行测量。同时，本传感器具有测量方便、制作成本低、体积小等特点，为中国水产养殖低成本溶解氧传感器的研发与市场化奠定了良好的基础。

　　关键词: 溶解氧传感器；荧光淬灭；水产养殖；STM32微处理器；溶氧敏感膜

　　1 引 言

　　水中溶解氧浓度的测量在农业、工业、环保等行业都具有及其重要的意义。例如在水产养殖中，利用溶解氧传感器可以实时测量养殖水域的溶解氧浓度，实现提前增氧操作，降低由于缺氧而产生鱼类“浮头”现象，极大提高水产养殖的安全性。除此之外，由于水中溶解氧含量是进行水质监测的一项重要指标，溶解氧传感器还可以用于对污水进行监测和有效处理[1]。市面上流通的溶解氧传感器大致有碘量法溶解氧传感器、电化学法溶解氧传感器、分光光度法溶解氧传感器以及荧光淬灭溶解氧传感器[2]四类，其中除基于荧光淬灭原理的传感器外，其他溶解氧传感器均不适合在线持续测量溶解氧浓度，不能满足水产养殖在线使用需求[3-5]。

　　2 荧光淬灭溶解氧传感器测量原理及材料制备

　　2.1　荧光淬灭溶解氧传感器测量原理

　　水中的氧气是一种淬灭剂，与荧光发生淬灭作用后会降低荧光的强度，缩短荧光的寿命。由于检测荧光强度受光路、电路以及周围环境的影响较大，所以本研究采用检测荧光寿命的方式来计算溶解氧的浓度[6]。查阅资料可知[7-9]，荧光与溶解氧的浓度满足Stern-Volmer方程，如公式（1）所示。

　　2.2　荧光材料制备

　　荧光材料（荧光敏感膜）是影响光学溶解氧传感器测量效果的关键因素之一，但在市面上价格昂贵。为降低生产成本，本研究中采用自制备的荧光材料，制备过程如下：①考虑膜基体的稳定性和荧光发光效率，将聚二甲基硅氧烷与四乙氧基硅氧烷混合；②加入四苯基铂卟啉，超声30 min；③80℃下回流8 h；④取上述混合液均匀滴涂或旋涂于聚酯片上，75℃下固化48 h，冷却至室温形成。此方法自制备的荧光膜成本可压缩至当前市面上的荧光膜价格的20%以内。

　　3 传感器系统设计

　　3.1　系统总体设计

　　本传感器系统的总体设计框图如图1所示，采用STM32F103系列微控制器为控制核心[10,11]。

　　整个系统分为探测头和主控制板两部分。探测头部分主要由LED驱动模块、光电转化模块、温度测量模块以及I-V转换模块构成，其中LED驱动模块用于驱动LED发光二极管产生参照光和激发光脉冲光波，激发光为中心波长为450 nm的蓝色光，照射到自制的荧光材料上产生红色荧光[12,13]。参照光为中心波长700 nm的红色光，参照光与红色荧光为同频率、同初始相位的矩形脉冲波形，经过的光路和电路结构基本相同，减小测量误差。I-V转换电路由AD8606芯片及其外围电路组成，实现电流信号到电压信号的转换并对电压信号进行一定倍数的放大。温度测量模块由DS18B20芯片及其外围电路组成，DS18B20采用一线制结构，节约了探测头的空间。主控制板部分为系统的核心，主要由电源管理模块、RS485通信模块、时钟模块、温度采集模块以及荧光采集模块组成。其中电源管理模块为系统提供稳定的电源，时钟模块为微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）提供运行需要的频率，温度采集模块读取DS18B20数据并将其转化为温度数据，荧光采集模块读取荧光信号并进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）以获取参照光与激发荧光的相位差。

　　3.2　MCU主控制芯片

　　本设计采用STM32F103微处理器作为MCU控制芯片。STM32F103属于32位ARM微控制器，内核是Cortex-M3，经过倍频后最高可达72 MHz的工作频率，在无存储器等待周期的情况下可达1.25 DMips/MHz，并集成了Timer、CAN、ADC、SPI、I2C、UART和DAC等多种外设功能。芯片含有高达64个引脚，并具有较高的数据传输速率，在嵌入式开发方面有较多应用。还包含2个12位模数转换器，多达16个转换通道1µs转换时间，电平转换范围为0~3.6 V，满足本系统设计的ADC采样频率和通道数目的要求[14-16]。

　　参考文献：

　　[1] 李新成, 林德峰, 王胜涛, 等.基于物联网的水产养殖池塘智能管控系统设计[J].水产学杂志, 2020, 33(1): 81-86.LI X,LIN D,WANG S,et al.A control system of an aquaculture pond based on Internet of Things[J].Chinese Journal of Fisheries, 2020, 33(1): 81-86.

　　[2] 房景辉, 邹健, 刘毅, 等. 基于物联网技术的水质监测系统中不同溶解氧传感器应用效果初探[J]. 山东农业科学, 2016, 48(4): 134-138.FANG J, ZOU J, LIU Y, et al. Preliminary study on application effect of different dissolved oxygen sensors in online water environment monitoring system based on the Internet of Things[J]. Shandong Agricultural Sciences, 2016, 48(4): 134-138.

　　[3] 高亚. 基于荧光猝灭法的溶解氧传感器研制[D].杭州: 浙江大学, 2018.GAO Y. Development of dissolved oxygen sensor based on fluorescence quenching principle[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2018.

　　作者顾浩 1, 王志强 1, 吴昊 2, 蒋永年 3, 郭亚 1*

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