[发明专利]一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量方法及装置

说明书

本发明属于海洋监测技术领域，公开了一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量装置及方法，装置包括氧敏感膜、光学检测模块、信号调制解调模块、信号处理模块、系统控制模块、通信模块、电源管理模块。本技术方案可以快速、实时测量水体中溶解氧的含量，不消耗样品，无污染，稳定高效，可远程在线原位监测。

技术领域

本发明专利涉及海洋监测技术领域，尤其涉及一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量装置及方法。

背景技术

氧元素与人们的生产生活息息相关，溶解氧的测定在水产养殖、造纸、冶金、化工炼油、污水处理以及医药生物等方面都有重要应用。传统的溶解氧测量技术主要有滴定碘量法、电化学方法以及模拟锁相放大方法。由于碘量法需大量消耗样品，不能实现远程监测，而采用电化学方法制成的传感器则存在易被污染，需经常清洗，不稳定且易失效等固有缺陷。模拟锁相放大技术虽然可以很好的检测出淹没在强噪声背景中的微弱溶解氧信号,但却对参考信号的相位有着严格的要求。因为要达到输出直流信号与被测信号的幅值成正比的前提条件是保证输入信号和参考信号的频率相同,相位差为0,因为有用信号与参考信号之间的初相位差不同的情况下会对乘法器和低通滤波器的输出造成很大的影响。初始相差为0时锁相放大器的直流输出信号才能真正反映实际信号的变化,而其他情况下的检测效果并不理想，测得的溶解氧参数与实际有较大差异。这就需要在参考信号和被测信号间加入移相电路以保证两者的相位差为0,但实时准确的调节相位差为0却有很多困难。因此，本文设计了一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术问题，提供一种适合溶解氧含量的测量装置及方法。

一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量装置，包括氧敏感膜、光学检测模块、信号调制解调模块、信号处理模块、系统控制模块、通信模块、电源管理模块。

氧敏感膜是溶解在水中氧气含量检测模块，氧敏感膜由两个部分组成，一是用于被猝灭的荧光物质，二是用于均匀分散固定荧光物质的载体。

光学检测模块由产生激发光、参比光以及荧光信号检测模块等组成。激发光由蓝光LED产生，参比光由红光LED产生，激发的荧光信号由光电二极管接收并传送给后续模块。

信号调制解调模块和信号处理模块是本设计的核心模块。其中信号调制解调模块主要用来产生LED驱动信号，驱动两个LED分时发出一定频率的光，相应地光电二极管接收到相同频率的波动信号。信号调制解调模块在内部会产生两个通道的参考信号，两通道信号相位相差90°，分别与光电二极管测得的信号相乘，根据两正弦信号相乘积化和差公式可得出解调后信号。

信号处理模块主要将信号调制解调模块解调出来的原始信号进行数据的加工处理，经过模块内部的标定算法、补偿修正算法等计算出当前测试样品或环境中的溶解氧含量。

系统控制模块主要负责接收通信模块传送过来的指令并执行，执行完成相应指令后返回一定的执行结果反馈值。该模块可以控制信号调制解调模块、信号处理模块以及电源管理模块。

通信模块主要负责将信号处理模块计算所得的溶解氧含量数值转换成常用的通信模式，并将其他外部设备发送的指令转换成本装置可执行指令，方便本装置与常用多种通信模式的不同设备连接。

电源管理模块主要负责为本发明的上述各模块供电并管理各模块的分时通断电，以降低功耗，包括光电检测模块的LED调制电源，信号调制解调模块的驱动信号和参考信号产生电路，信号处理模块的信号相乘电路，通信模块的通信转换电路等。

一种基于双通道锁相放大技术的溶解氧测量方法，利用90°移相器，使得两路乘法器参考信号相差90°，计算测得溶解氧含量。

计算方法为：

荧光信号分别与两个正交参考信号相乘，并且参考信号与荧光信号频率相同，相乘后的两个信号分别通过低通滤波器滤除高频分量，得到两个差频分量：