基于熒光猝滅原理的溶解氧濃度檢測系統的設計

青島理工大學，山東青島 266000

一、引言

通過化學反應或生化作用而溶解入水體的氧氣稱為溶解氧(DissolvedOxygen，DO)。海水中的溶解氧含量是衡量海水水質狀況以及海水自凈能力的重要指標，也是海洋生態環境評估、海洋科學實驗和資源勘探的重要依據。

海洋中的溶解氧濃度的大小與海洋溫度變化、鹽度、生物活動和環流運動等具有密切關系。海洋中的氧氣主要來源于大氣的溶解和海洋中的藻類和浮游類植物光合作用的釋放，氧在海水中的溶解度雖然不大，但卻具有舉足輕重的作用。在20℃標準大氣壓條件下，純水中的溶解氧含量約為9mg/L，當海水中的溶解氧含量低于4mg/L，大部分魚類就會出現呼吸困難等問題，這對海洋生命活動和海洋養殖造成重要影響。

目前，對于溶解氧的主要的測量方法包括碘量法、電極法、熒光猝滅法等。其中，碘量法是實驗室純化學的檢測方法，測量準確度高，但是耗時長，操作繁瑣，而且無法滿足在線測量的要求。電極法是根據氧氣和電極發生氧化還原反應所產生電流的大小來測定溶解氧的方法，其缺點包括電極易老化、測定過程消耗氧氣、測量前需要標定，需定期更換電極膜等。熒光猝滅法是基于熒光猝滅原理來測溶解氧的方法，熒光猝滅效應會引起熒光強度的衰減和熒光壽命的縮短，因此可以通過測定熒光強度的大小或熒光壽命的長短來測定溶解氧含量。由于熒光猝滅法具有較好的光化學穩定性和重現性，也具有精度高、可實時監測等優點，因此成為目前的主流技術和研究重點。

二、基本原理

熒光猝滅原理指的是由于激發光照射而吸收能量從而變為躍遷態的熒光物質與氧發生熒光猝滅效應，從而導致熒光強度的衰減和熒光壽命的縮短[1]。

對于熒光發光過程，用一個短脈沖光δ(t)激發樣品后，發光強度隨時間按指數規律衰減為：

該線性系統所描述的系統函數為：

假設激發光為正弦調制光為：

則激發的熒光為激發光與系統函數的卷積為：

穩定狀態下為：

從式（5）可知熒光信號相對于激發信號表現為強度的衰減和相位的滯后，而且可以推知：

其中，φ—熒光信號滯后的相位；

τ—熒光壽命；

f—激發信號與熒光信號的頻率。

熒光強度和熒光壽命與溶解氧濃度的關系可用Stern-Volmer方程表示：

其中，τ0—溶解氧濃度為0時的熒光壽命；

τ—某溶解氧濃度所對應的熒光壽命；

K—溶解氧濃度系數；

[O]—溶解氧濃度[2]。

由式（6）、式（7）可知，測量熒光信號滯后相位即可計算出溶解氧濃度。

三、系統設計

一種基于熒光壽命法的水體溶解氧濃度檢測系統包括壓控振蕩器、單片機、光源、熒光物質、信號處理電路及光電檢測器等。通過由74LS74D設計的相位差檢測電路來進行對滯后相位的檢測，并利用單片機進行采樣信號的數據采集，然后使用鎖存器將相位差進行鎖定，最終結合數字電路將相位差信息送入單片機。由于所設計的相位差檢測電路與前后模塊的配合性以及系統原理的優越性，本系統具有較高的信噪比、精度和靈敏度。

1、系統結構及檢測原理

系統硬件主要由熒光光學系統、光電探測、相敏檢測、數據采集與處理等模塊組成。

壓控振蕩器輸出某個振蕩頻率的正弦調制信號，信號分成兩路，其中一路作為調制信號，驅動光源發出中心波長為465nm的激發光，并照射在高靈敏度熒光物質上，產生中心波長為650nm的熒光，熒光依次透過透鏡和窄帶濾光片后被光電探測器接收，光電接收器所探測到的熒光信號經過I/V轉換、放大后送入相位差檢測電路，另一路信號經移相后作為參考信號直接送入檢測電路，檢測電路輸出熒光信號與參考信號的相位差正弦波信號，然后，經過數字電路的處理和提取后，將最終相位差數字量送入單片機[3]。另外需要將激發信號或參考信號接入單片機的計數端口對信號頻率進行采集。壓控振蕩器屬于頻率可控信號發生器，接入直流電壓信號對其輸出信號進行調頻。

2、電路設計

針對熒光信號的特點，設計了如圖2所示的相位差檢測電路，將作為參考信號的源信號和較之源信號發生了移相的熒光信號進行比對，可使整個系統快速穩定地鎖定，準確測出熒光信號滯后相位。本設計摒棄了傳統的過零電壓法和數字計數法等相位差檢測方法，有更好的穩定性和精度，并且擴大了信號頻率的可調范圍。

采用74LS74D觸發器將兩個輸入信號轉化為方波信號。如圖2所示，采用了兩個D觸發器，第一個觸發器以源信號正弦波作為時鐘信號，第二個觸發器以移相后的信號作為時鐘信號。由于是邊沿觸發，故得到了相位差波形為正弦波。

壓控振蕩器由74HC4046和外圍RC振蕩電路組成，可以輸出頻率穩定的方波，如圖3所示。VCOOUT固有頻率由R3和C1確定，R4確定VCOOUT頻率的變化范圍，添加穩壓二極管D1可有效增大頻率變化范圍，并且還可以改善VCOOUT壓頻特性。由于溶解氧濃度由0%～100%變化，因此鎖相時VCOOUT頻率范圍為16～88 kHz，考慮到實際水質測量情況，VCOOUT固有頻率可取40～50kHz。

移相器為三個DQ觸發器74LS74組成的數字移相器，如圖4所示。

由式（2） 得：

系統標準偏差為：

3、數據采集與處理

數據采集以及處理模塊由單片機和相關外圍電路組成。單片機采用ADμC841單片機，它具有豐富的外圍資源和精確的時間間隔計數器TIC[4]。通過TIC精確定時，計數器T2計數，可實現準確測量鎖相環鎖定頻率，然后通過計算程序計算得出熒光壽命和溶解氧濃度，并最終通過顯示屏顯示。相關電路圖如圖5所示。

四、實驗結果與分析

該基于熒光猝滅原理的溶解氧檢測系統使用穩定性很高的熒光物質，故只需進行1次2點標定，不需要進行多次標定。標定時，在1L水中加入1mg無水Na2SO3并進行攪拌，靜置幾分鐘后，待水中溶解氧消耗完畢，濃度為0，此時即為溶解氧零點，溶解氧飽和點取20℃時的飽和點9.1mg/L，繼而完成標定。將測量系統放入吸滿水的海綿中( 此時視為飽和點) ，在不同溫度下，分別測量熒光壽命和溶解氧值，并與該溫度下飽和溶解氧標準值比對，然后進行線性相關分析[5]。熒光壽命的測量結果如圖6所示。

由圖6可知，當溶解氧濃度7.5～10.1mg化時，熒光壽命的變化范圍為69～76μs，而且與標準溶解氧濃度有較好的線性相關性，相關系數為0.99286。根據熒光壽命計算出的溶解氧濃度結果如表1和圖7所示。

表1 不同溫度下測量溶解氧值與標準溶解氧值

實驗結果表明：該溶解氧檢測系統測量值與標準值基本一致，線性相關系數為0.99286，標準偏差為0.0023，相對誤差小于1.5%，斜率為1.0187，具有較好的一致性。

實驗測量過程中，系統的穩定性較好，響應時間小于30s，靈敏度較高，滿足實時在線監測需要。

五、結論

本文在研究基于熒光猝滅法的檢測原理的基礎上，設計了相應的相位檢測電路，完成了相關數字及模擬電路的設計，并對系統進行了相關的測試及實驗。結果表明: 該系統精度高、穩定性好、響應快，具備對水體溶解氧的原位、實時、在線監測的能力和要求。同時，本設計也為測量具有相似熒光特性或性質的物理量提供了參考和思路。