[发明专利]一种高精度的溶氧仪系统与专用SoC

说明书

本发明属于传感测量仪器技术领域，具体为一种溶氧仪系统与专用SoC。本发明的溶氧仪系统包括发射模块（RDO、FIR、电流域DAC）、传感模块（荧光膜、滤光片和溶解氧溶液）、接收模块（PD、TIA、PGA和模拟锁相放大模块）、信号处理与控制模块。本系统利用RDO和FIR以及DAC产生正弦电流信号驱动红光和蓝光LED，产生的荧光被PD接收转换为电流信号，经过TIA转换为电压信号，经过PGA转换为差分信号；通过模拟锁相放大模块，输出信号经过PGA、滤波器之后，消除谐波并达到ADC的最大范围输入；经过ADC转换为数字信号送入CPU后由CORDIC算法计算出角度。本发明溶氧仪系统能够降低对荧光膜的要求，提高精度，消除噪声对角度计算的影响。

技术领域

本发明属于传感测量仪器技术领域，具体涉及一种溶氧仪系统与专用SoC。

背景技术

溶解氧是指水或其他液体中的游离氧和非复合氧，参与各种生化和生理活动。水中溶解氧含量是水质的重要指标，测量溶解氧含量是评估水质净化的重要因素。溶氧仪在生物医学、食品生产、工农业生产等诸多领域中起着至关重要的作用。研究实时准确测量溶解氧含量的技术具有现实意义。

溶解氧的测定方法主要有碘滴定法、电化学法和光学法。传统的碘滴定法和电化学法由于其固有结构和分析方法的特点，存在着系统面积大、精度低等缺陷。光学法溶解氧传感器利用荧光猝灭原理，优点是面积小、不消耗氧气、具有较高的抗干扰能力。虽然荧光猝灭传感器的维护频率较低，易于进行连续的在线检测，但要实现准确检测仍有一定难度。现有的基于荧光猝灭原理的溶解氧检测技术，例如时域直接检测荧光寿命，在整体的精度和实时性上不能满足不同应用的实际要求。

在实际生产和应用中，溶解氧浓度的变化是一个连续动态过程。因此，一种高精度的实时溶解氧检测方法与系统是至关重要的。目前研发的一些基于荧光猝灭原理的溶氧仪所使用的荧光膜各不相同且性能参差不齐，一旦荧光膜出现问题，更换起来比较麻烦。因此目前急需一种高精度、能适应不同荧光膜的溶氧仪芯片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度的溶氧仪与专用SoC。

本发明提供的高精度溶氧仪系统，其结构参加图1所示；由如下四个模块组成：发射模块、传感模块、接收模块、信号处理和控制模块；其中：

所述发射模块，用于产生正弦电流，去驱动红光LED和蓝光LED，同时产生同频正交信号用于接收模块的混频，其构成包括：RDO（数字递归振荡器）、FIR（有限长单位冲激响应滤波器）、电流域DAC（数模转换器）以及开关；RDO产生阶梯数字正弦波经过FIR滤波之后由电流域DAC转换成模拟正弦电流信号，由开关选择所驱动的LED。

上述结构的发射模块产生的正弦电流信号的频率可调，只需要改变主时钟频率，就可以改变产生的正弦电流信号频率，并且产生正交性很好的正交载波信号。

所述传感模块，由荧光膜、滤光片和溶解氧溶液组成；所述荧光膜置于溶解氧溶液当中，用于吸收LED发出的光并激发出荧光；所述滤光片置于荧光膜和光电二极管之间，用于滤除其他光。这里利用的是荧光猝灭原理：蓝光LED发出的光经过荧光膜产生红色荧光，产生的红色荧光与原本蓝光存在与溶氧量有关相移，红光LED发出的光经过荧光膜产生固定相移，使用红光参考可以抵消光路和电路的相移的影响。

所述接收模块，由PD（光电二极管）、直流消除型TIA（跨阻放大器）、PGA（可编程增益放大器）和模拟锁相放大模块，以及ADC（模数转换器）组成；其中，所述PD用于吸收传感模块产生的荧光并转化为电流信号，经过TIA转化为电压信号，经过PGA和模拟锁相放大模块解调成与相移相关的直流信号，由ADC转换为数字信号。接收模块使用直流消除型TIA可以自动消除PD的直流电流对TIA线性度的影响，提高接收精度。