[发明专利]基于荧光寿命法的水体溶解氧浓度检测系统及方法

说明书

技术领域

    本发明涉及环境监测技术领域，具体涉及一种基于荧光寿命法的水体溶解氧浓度检测系统及方法。

背景技术

    荧光法溶解氧检测技术由于具有精度高，响应快，不消耗氧等优点，可实现水体溶解氧浓度的实时原位在线监测，成为目前的主流技术和研究热点。溶解氧与荧光物质发生荧光猝灭效应，引起荧光强度的衰减和荧光寿命的缩短，荧光猝灭过程可由Stern-Volmer方程表示如下：，其中，I₀和₀为溶解氧浓度为零时的荧光强度和荧光寿命，I和为溶解氧某浓度的荧光强度和荧光寿命，K为溶解氧浓度系数，[O₂]为溶解氧浓度。因此，可以通过测量荧光强度或荧光寿命来实现溶解氧浓度的检测。目前常用的溶解氧浓度检测技术是通过荧光强度的方法，由于荧光强度易受光源波动、老化及外界杂散光的影响，在一定程度上影响了测量的精度和检测系统的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于荧光寿命法的水体溶解氧浓度检测系统及方法，由于荧光寿命是荧光信号的本征参量，可克服荧光强度法的上述缺点。通过巧妙设计锁相环相敏检测电路，同时实现光源激发和荧光寿命的精确测量，从而实现水体溶解氧浓度的高精度实时在线监测。

本发明的技术方案如下：

一种基于荧光寿命法的水体溶解氧浓度检测系统，包括有光源、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器以及单片机，所述光源的前方光路上依次设有与水样接触的荧光物质、由透镜和窄带滤光片组成的光学系统以及光电探测器。其特征在于：所述的压控振荡器输出具有固有振荡频率的方波信号后分成两路，其中一路作为调制信号，驱动光源发出中心波长465nm的光，并照射在荧光物质上产生波长650nm的荧光，荧光依次通过透镜和窄带滤光片后由光电探测器接收，所述的光电探测器探测到荧光信号并由后续电路进行放大、滤波和整形后送入所述的鉴相器；所述压控振荡器输出的另一路方波信号为参考信号，送入所述的鉴相器，所述的鉴相器输出参考信号与荧光信号的相位差脉冲，经环路滤波器后变为直流电压信号输出到所述的压控振荡器，作为压控振荡器的电压控制信号；所述的鉴相器、环路滤波器以及压控振荡器组成锁相环相敏检测电路，所述的单片机控制锁相环相敏检测电路。

一种基于荧光寿命法的水体溶解氧浓度检测方法，其特征在于：其具体包括以下步骤：

压控振荡器输出具有固有振荡频率的方波信号后分成两路，其中一路作为调制信号，驱动光源发出中心波长465nm的光，并照射在荧光物质上产生波长650nm的荧光，荧光依次通过透镜和窄带滤光片后由光电探测器接收，光电探测器探测到滞后相位为的荧光信号并由后续电路进行放大、滤波和整形后送入鉴相器；压控振荡器输出的另一路方波信号为参考信号，送入鉴相器；

将荧光信号和参考信号通过数字鉴相器鉴相，鉴相器输出荧光信号和参考信号的相位差脉冲，脉宽为 ，

再经过环路滤波器得到直流电压信号：         （1）

将上述直流电压信号送入压控振荡器作为压控振荡器的电压控制信号，压控振荡器输出频率在作用下产生频移：(为常数)          （2）

由（1）、（2）两式可得荧光寿命值为：        （3）

由（3）式和，可计算得出溶解氧浓度为：

                                    （4）

其中,为溶解氧浓度为零时锁相环的锁定频率，为某溶解氧浓度时锁相环的锁定频率，为VCO固有振荡频率。通过标定确定系数K的值，即可由（4）式进行溶解氧浓度的计算。

K如何通过标定确定？锁相环锁定频率如何得到？

其中，锁相环锁定频率和通过单片机测量锁相环锁定后VCO的输出频率得到；只需测量一次便可用作一个固定常数，而则在每次测量中都要重新测定。

K的确定过程为：采用设计的溶解氧测量装置，将传感头放入含满水的海绵中，此时认为测量的是饱和溶解氧。通过跳线选择单片机的PWM调制恒流工作的LED，用锁相放大器测得荧光信号和参考信号的相位差，选择从15℃～30℃，依次在各个温度下进行测量，得到对应的相位差，由                                               ， ，分别计算出对应的荧光寿命值。将计算得到的荧光寿命值与标准饱和溶解氧浓度值（真实溶解氧浓度）进行线性分析，结果如图3所示。