0 引言

水中溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)浓度是评价水质的一项重要指标，是水质常五项之一，通过溶解氧检测设备能够实现对水中溶解氧的实时监测，再结合氢离子浓度指数(Pondus Hydrogenii，PH)值、余氯含量、浑浊度等其它的监测参数可以迅速得到当前水质[1-2].不仅如此，溶解氧的测定在酿酒工艺，造纸工艺，冶金工艺以及生物医学方面也都具有重要的应用.传统的溶解氧浓度检测方法有滴定碘量法[3]和电化学的方法，其中国内市场上普遍以电极法溶解氧传感器为主，这种溶解氧检测方法检测过程中需要消耗一定的氧气，同时检测精度偏低，面对污水等场景无法实现有效测量[4].随着光学原理同电子技术的结合，使用以荧光淬灭法为基础的光学方法对溶解氧浓度的检测受到国内外企业和高校的广泛关注和研究[5-6].

荧光淬灭法是一种对淬灭剂浓度进行测定的荧光测定方法，它是利用某种淬灭物质对另一种荧光物质的荧光淬灭作用而建立起来的[7-8]，被广泛用于生物学[9]、医学[10]和海洋探索[11]等领域来实现对此种淬灭物质浓度的间接测量.荧光淬灭法用于溶解氧浓度检测时，通常采用较低波长的光源作为激发光，根据检测出的荧光物质的荧光寿命或荧光强度可以计算出淬灭物质的浓度.其检测过程不仅不需要消耗氧气，而且还具有光化学稳定性强，重现性好，延迟低，精度高，寿命长等优点[12]，适用于长期水体溶解氧浓度的实时检测.

2009年，荧光检测方法由美国材料与检测协会确认为一种水中溶解氧标准检测方法，并且在美国哈希公司以及其他研究学者的推动下经过多次改进[13-15].2013年，FENG W等[16]采用荧光淬灭法方法设计溶解氧传感器，通过相位差检测技术实现对荧光寿命进行检测，针对如何避免电路或光路引入的相位偏移影响检测精度的问题提出了采用双光源的光路及电路设计，应用离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)计算相位，根据所得相位差值计算荧光寿命.2015年，LI F M等[17]改进光学结构，并针对检测结果偏差提出了温度校准、压力校准、盐度校准以及光源衰减补偿，光路及电路结构复杂，数据主要放在个人计算机(Personal Computer，PC)的上位机部分进行处理.2018年，涂梦迪等[18]提出了一种时域荧光寿命的溶解氧检测方法，测量荧光淬灭曲线上两点信号强度，由强度比直接计算荧光寿命并反演得到溶解氧浓度.此方法对荧光强度要求高，易受到光强衰减以及杂散光干扰等影响，方法检测精度为0.5mg/L，检测精度较低.还有一些学者提出采用方波作为调制信号激发光源，通过锁相环电路计算相位差的方法[19]，这种方法简化了电路设计，但是检测精度同样较低，不能适用高标准的应用环境[20].综合而言，检测方法普遍存在光路及电路结构复杂的现象，因此需要设计一种新型溶解氧浓度检测方法，能够在简化检测过程的同时实现快速且精确的溶解氧浓度检测.

本文提出了一种单光源频域荧光寿命的溶解氧检测方法，对原有双光源检测方法进行方法改进，采用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)产生固定相位和频域的调制正弦信号，通过单路光源的光学部分驱动激发光信号并产生荧光信号，然后对经过电路处理后的荧光信号进行采样并进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)，获取接收荧光信号的相位.根据不同溶解氧浓度下氧敏感荧光膜的荧光寿命不同，对所得相位做差后利用相位差同荧光寿命之间的关系计算荧光寿命变化量，最后反演斯特恩·沃尔默(Stern-Volmer)方程得到荧光寿命比值同溶解氧浓度之间的关系，计算出水体溶解氧浓度值.

1 基于荧光淬灭法的频域法测量装置

整体测量装置设计如图1所示，设计采用FPGA作为主控芯片，最小系统包括存储程序的外部闪存Flash、复位电路以及联合测试工作组(Joint Test Action Group, JTAG)程序编程接口.主控芯片内部直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer, DDS)产生固定初始相位和频率的正弦调制信号驱动激发光，通过快速傅里叶变换的方式对信号相位进行检测，其中数模转换器(Digital to Analog Converter，DAC)和模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)采用24位分辨率的芯片，保证输出信号和采样信号均具有足够的分辨率，有助于提升检测精度.采用电流驱动发光二极管(Light Emitting Diode，LED)作为激发光源，线性控制激发光源强度，避免出现电压驱动中存在的低压截止等现象.光电二极管(Photo Detector，PD)接收后的微弱荧光信号处理电路包括固定增益放大，可变增益放大、滤波以及电压跟随器，保证对信号的有效采集.鉴于温度是溶解氧浓度检测重要影响因素，设计PT100作为温度传感器对温度进行检测.采样后的荧光信号在FPGA内部进行包括FFT在内的数据处理，处理后所得结果连同温度检测结果以数据包形式通过RS422协议发送至PC上位机做进一步处理.

文章来源：《大气与环境光学学报》 网址: http://www.dqyhjgxxb.cn/qikandaodu/2021/0205/328.html