基于熒光猝滅原理的海洋原位溶解氧傳感器及定量標(biāo)定算法

袁達(dá)，馮現(xiàn)東，張云燕，吳丙偉

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所 山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室國家海洋監(jiān)測設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266061)

溶解氧是海水中最重要的測量參數(shù)之一，是衡量海水水質(zhì)優(yōu)劣、水體被污染程度的重要指標(biāo)，也是水體自凈能力研究、海洋生態(tài)環(huán)境評估和海洋科學(xué)實驗的重要依據(jù)[1]。隨著我國工業(yè)建設(shè)、現(xiàn)代化進(jìn)程和海洋開發(fā)活動的高速發(fā)展，受生產(chǎn)活動而導(dǎo)致的海洋污染日益嚴(yán)重，海洋突發(fā)性污染災(zāi)害逐年增加，生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。我國海岸帶、河口和海灣生態(tài)系統(tǒng)均受到了不同程度的破壞，海洋環(huán)境的污染已嚴(yán)重破壞近海的水質(zhì)、生物和漁業(yè)資源，因此對海洋溶解氧進(jìn)行在線、原位、瞬時、高靈敏度、高穩(wěn)定性的檢測是保護(hù)和改善海洋生態(tài)環(huán)境的手段[2]。

發(fā)達(dá)國家在溶解氧傳感器探測技術(shù)方面的研究起步較早，基于Clark型的電化學(xué)傳感器[3-4]和基于熒光猝滅效應(yīng)的光學(xué)溶解氧傳感器[5-7]均比較成熟，并已得到廣泛應(yīng)用，代表產(chǎn)品有挪威安德拉公司的Oxygen Optode 4531型光學(xué)溶解氧傳感器，美國IN-situ RDO PRO光學(xué)溶解氧傳感器，美國哈希公司HACH LDOTM熒光法無膜溶解氧分析儀，美國YSI公司的YSI Pro ODO光學(xué)溶解氧測量儀等，這些在線監(jiān)測儀器成熟度高并已得到廣泛應(yīng)用，但是價格相對較高，而且只能用于普適性海域溶解氧的原位監(jiān)測，不完全符合中國的環(huán)境條件、更無法用于易生物附著近岸惡劣海域和高鹽差、高濁度的復(fù)雜大型河口海域溶解氧的原位測量[8]。國內(nèi)海洋溶解氧業(yè)務(wù)化監(jiān)測大多數(shù)采用國外的設(shè)備和技術(shù)，海洋溶解氧在線監(jiān)測儀器市場完全被國外壟斷。國內(nèi)的海洋溶解氧原位監(jiān)測研究起步較晚，在國家相關(guān)課題的支持下，一批研究所、高校均進(jìn)行了溶解氧原位測量技術(shù)的研究[9]，雖然取得了一些進(jìn)展，但技術(shù)與應(yīng)用均與國際一流水平有很大的差距[10]，普遍存在長期在線監(jiān)測可靠性和穩(wěn)定性差的缺點，導(dǎo)致我國始終無法打破國外溶解氧在線監(jiān)測技術(shù)壟斷。無論國外還是國內(nèi)的溶解氧傳感器，雖然在實驗室內(nèi)都能夠取得比較準(zhǔn)確的結(jié)果，但是由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性、多變性，導(dǎo)致其原位監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高，特別是海岸帶、河口和海灣等環(huán)境惡劣海域環(huán)境因子復(fù)雜且多變，儀器的測量準(zhǔn)確度更差，完全不能滿足業(yè)務(wù)化監(jiān)測單位對于數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求[11]。這種非實時、斷續(xù)的檢測模式很難對海洋溶解氧進(jìn)行及時、有效的監(jiān)測，無法形成長期連續(xù)、大規(guī)模的海洋溶解氧資料，更不能滿足海洋環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警對數(shù)據(jù)的需求[13]。本文針對海水溶解氧監(jiān)測對于長時續(xù)、高精度、環(huán)境適應(yīng)性高的需求，研發(fā)了基于熒光壽命反演算法的海水溶解氧高精度原位監(jiān)測傳感器，解決目前傳感器存在的雜散光干擾、電路漂移等測量問題，提高了測量精度。

1 測量原理

光學(xué)溶解氧傳感器的測量原理是熒光猝滅，如圖1 所示。測量時，當(dāng)氧敏感膜的熒光物質(zhì)受到藍(lán)光照射時，熒光物質(zhì)的電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，當(dāng)從激發(fā)態(tài)回復(fù)到基態(tài)時，能量差以釋放紅光的形式表現(xiàn)出來。當(dāng)氧分子同熒光物質(zhì)接觸時，發(fā)光基團(tuán)會轉(zhuǎn)移部分被激發(fā)的能量到與之相碰撞的氧分子上，使發(fā)出紅光的強度減弱、時間縮短。因此通過熒光猝滅原理來測量溶解氧的含量分為兩種方法：(1)通過檢測熒光強度的猝滅衰減變化測量溶解氧；(2)通過測量熒光壽命的猝滅衰減變化測量溶解氧。由于基于熒光壽命檢測的溶解氧測量方法具有更好的光學(xué)穩(wěn)定性、更長的使用壽命、更強的抗干擾能力，因此本文采用調(diào)制解調(diào)測量熒光壽命衰減的方法來測量溶解氧含量。

圖1 光學(xué)溶解氧傳感器原理示意圖Fig.1 Schematic of the optical dissolved oxygen sensor

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

光學(xué)溶解氧傳感器主要包括：熒光測量、調(diào)制解調(diào)模塊用于實時采集水體的溶解氧信號；溫度測量、采集模塊用于實時采集水體的溫度信號；信號處理、控制系統(tǒng)用于控制熒光測量模塊的工作，并將熒光測量模塊和溫度測量模塊傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)校準(zhǔn)補償算法進(jìn)行計算，完成在線監(jiān)測；通信模塊將分析完成的數(shù)據(jù)通過RS485接口發(fā)送給上位機。光學(xué)溶解氧傳感器樣機模塊和整機機械結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 樣機模塊示意圖Fig.2 Schematic of the prototype module

圖3 樣機機械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Mechanical structure diagram of the prototype

2.2 熒光測量、調(diào)制解調(diào)模塊

熒光測量、調(diào)制解調(diào)模塊主要是控制激發(fā)光發(fā)光二極管(LED)照射溶解氧傳感膜產(chǎn)生熒光，通過光電二極管檢測所產(chǎn)生熒光信號的相位值；然后激發(fā)光LED關(guān)閉，打開參比光LED，通過光電二極管檢測所產(chǎn)生的參比光信號的相位值。

根據(jù)溶解氧傳感器工作原理，系統(tǒng)通用單片機(MCU)控制器分時控制藍(lán)光LED、紅光LED亮滅，激發(fā)出的熒光通過高透光光學(xué)窗后，由高靈敏度的光電二極管接收，將光信號轉(zhuǎn)換為交流電信號，再通過I/V轉(zhuǎn)換電路，放大濾波電路，信號整形調(diào)理電路，最后將數(shù)據(jù)通過AD采樣傳輸給MCU。光電二極管輸出的接收到藍(lán)光LED、紅光LED分時控制波形圖如圖4所示。

1—藍(lán)光LED打開；2—紅光LED打開；3—兩個燈全部關(guān)閉。圖4 藍(lán)光LED、紅光LED分時控制波形圖Fig.4 Time-sharing control waveform of blue and red LEDs

2.3 溫度測量、采集模塊

溫度測量探頭主要是測量傳感器周圍海水的實時溫度，對傳感器測得的溶解氧信號進(jìn)行溫度補償校正。測溫元件選擇高精度的熱敏電阻，熱敏電阻精度±0.05 ℃，測溫范圍-40～105 ℃，響應(yīng)時間0.5 s。通過導(dǎo)熱硅脂，將熱敏電阻封在加工的不銹鋼導(dǎo)熱外殼內(nèi)，組成了溫度測量探頭，具有靈敏度較高、工作溫度范圍寬、體積小、穩(wěn)定性好、過載能力強的特點。

熱敏電阻通過電阻分壓的方式測量溫度，采集到的信號為分壓電阻電壓信號，通過廠家給出的轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換成實際溫度值，熱敏電阻溫度T計算公式如下：

(1)

其中，Rt為實際溫度下的電阻值，R25為25 ℃下的電阻值，a、b、c、d為溫度系數(shù)，由表1可查得。

表1 熱敏電阻溫度系數(shù)

2.4 信號處理、通訊模塊

信號處理、通信模塊主要功能為產(chǎn)生調(diào)制信號送給光電檢測模塊、通過數(shù)字正交鎖相放大檢測技術(shù)分析處理光電檢測模塊測得的熒光和參比光信號，將分析完成的數(shù)據(jù)通過RS485接口發(fā)送給上位機。

本傳感器設(shè)計了基于數(shù)字正交鎖相放大檢測技術(shù)的調(diào)制-解調(diào)明場熒光壽命檢測方案，有效地避免了模擬鎖相電路存在的同頻困難、噪音大、溫度漂移等問題，增強了系統(tǒng)微弱電信號的檢測能力，提高了信噪比，提高了光學(xué)法的測量精度和原位測量的抗干擾能力。首先將激發(fā)光源調(diào)制成一定頻率的光，通過照射傳感膜激發(fā)相同頻率的熒光，然后輸入待測的微弱熒光周期信號與頻率相同的參考信號，通過數(shù)字鎖相放大電路實現(xiàn)互相關(guān)檢測解調(diào)，解調(diào)后得到的信號可以消除噪聲的影響，信號幅值較大，而且輸出信號具有良好的信噪比，從而使微弱信號檢測精度能得到很大程度的提高，有效地提高了儀器的抗干擾能力和穩(wěn)定性。數(shù)字正交鎖相放大檢測技術(shù)原理圖如圖5所示。

圖5 數(shù)字正交鎖相放大檢測技術(shù)原理圖Fig.5 Schematic of digital orthogonal phase-locked magnification detection technology

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，本傳感器選用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)作為數(shù)字正交鎖相放大處理器。光電檢測電路輸出的信號經(jīng)過前置放大濾波電路、數(shù)字放大電路等傳送給AD采樣電路，F(xiàn)PGA通過AD采集電路采集到檢測到的熒光信號或參比光信號，然后通過內(nèi)部正交鎖相算法可以計算出檢測到的熒光信號或參比光信號的幅值、相位，通過與協(xié)處理器連接的引腳發(fā)送給協(xié)處理器。系統(tǒng)協(xié)處理器集成浮點處理器(FPU)和浮點運算單元(DSP)指令，主要將FPGA計算得到的原始數(shù)據(jù)通過溫度修正模型、復(fù)雜環(huán)境因子干擾補償校準(zhǔn)算法計算出真實的溶解氧含量，并將最終數(shù)據(jù)通過通信模塊發(fā)送給上位機。

3 熒光壽命與溶解氧濃度定量校準(zhǔn)

本文針對溶解氧傳感器氧敏感膜的特性隨著溫度變化而改變，造成傳感器測定數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，影響儀器的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性的問題，設(shè)計了水體溫度、溶解氧濃度標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生實驗裝置，構(gòu)建了一個合理、準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型描述測量影響因素對測定數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)補償，結(jié)合溫度參數(shù)建立熒光壽命與溶解氧濃度定量分析校正算法模型，實現(xiàn)了在多變的海洋環(huán)境中溶解氧的準(zhǔn)確測量。

圖6 校準(zhǔn)實驗裝置示意圖Fig.6 Schematic of the experimental calibration device

3.1 設(shè)計校準(zhǔn)實驗裝置

在校準(zhǔn)實驗過程中精準(zhǔn)控制環(huán)境條件是保證校正結(jié)果的關(guān)鍵，本文專門設(shè)計了水體溫度、溶解氧濃度標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生實驗裝置，有利于精確調(diào)節(jié)環(huán)境條件，可以提高校準(zhǔn)的精度。校準(zhǔn)實驗裝置如圖6所示，包括帶水溫控制裝置的低溫恒溫槽、帶攪拌功能的標(biāo)定裝置、氧氣瓶、氮氣瓶、2個減壓閥、3個質(zhì)量流量控制器、安全閥、待校準(zhǔn)溶解氧傳感器和參比溶解氧傳感器；帶攪拌功能的校準(zhǔn)裝置內(nèi)置鼓氣氣泡石，內(nèi)部盛滿超純水，且校準(zhǔn)裝置整體置于低溫恒溫槽中；校準(zhǔn)裝置上設(shè)有氣體入口、氣體出口和取樣口，氣體出口連接安全閥；氮氣瓶和氧氣瓶分別通過管路依次經(jīng)過減壓閥、質(zhì)量流量控制器、氣體出入連接至鼓氣氣泡石；待校準(zhǔn)溶解氧傳感器和參比溶解氧傳感器通過校準(zhǔn)裝置頂部開口浸入標(biāo)準(zhǔn)裝置中的水體里。

3.2 溫度傳感器校準(zhǔn)

溶解氧傳感器中傳感膜的特性會隨著溫度的變化而改變，溫度越高，傳感膜熒光強度越弱，因此，精確測出水體的溫度對于溶解氧校準(zhǔn)模型的建立至關(guān)重要。本文針對熱敏電阻計算公式所得溫度與實際溫度存在較大差別的問題，以經(jīng)過計量校準(zhǔn)的水銀溫度計測定值為真值，對溫度進(jìn)行校準(zhǔn)，提高溫度的測量精度。如圖7所示，溶解氧傳感器溫度示值與溫度真值的相關(guān)系數(shù)達(dá)到1，通過擬合公式對傳感器溫度示值進(jìn)行線性校準(zhǔn)。如表2所示，傳感器溫度示值經(jīng)過校準(zhǔn)后，準(zhǔn)確度可達(dá)到±0.1 ℃，滿足溶解氧傳感器的使用需求。

圖7 溫度校準(zhǔn)模型Fig.7 Temperature calibration model

表2 溫度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

續(xù)表2 單位：℃

3.3 熒光壽命與溶解氧濃度定量標(biāo)定模型

由于傳統(tǒng)的兩點標(biāo)定法(無氧水和飽和溶解氧水)存在準(zhǔn)確度不高，校正結(jié)果不能在較大溶解氧濃度與標(biāo)準(zhǔn)值保持高度一致和沒有消除溫度的影響等顯著問題。本文以碘量法為標(biāo)準(zhǔn)建立溶解氧標(biāo)準(zhǔn)曲線，針對溫度的影響，通過研究不同溫度、溶解氧濃度條件下熒光物質(zhì)的熒光壽命，建立熒光壽命與溶解氧濃度定量標(biāo)定模型。本標(biāo)定方法是通過在不同的水體溫度條件下，依次將不同氧含量的混合氣體通入校準(zhǔn)裝置，使水體獲得多個溶解氧濃度，記錄待標(biāo)定溶解氧傳感器的相位值和水體的溫度值，并取水樣以碘量法測定溶解氧標(biāo)準(zhǔn)值計算待標(biāo)定溶解氧傳感器的溫度定量標(biāo)定系數(shù)。不同溫度下傳感器相位和溶解氧含量的關(guān)系曲線見圖8。

圖8 不同溫度下傳感器相位和溶解氧含量的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between sensor phase and dissolved oxygen content at different temperatures

由圖8可知，每個溫度點下，溶解氧濃度與溶解氧熒光相位、溫度間具有以下關(guān)系：

ρO2=C0+C1P+C2P2+C3P3+C4P4，

(2)

式中：ρO2為水體中溶解氧濃度，μmol·L-1；P為儀器相位值；C0、C1、C2、C3、C4為溫度的系數(shù)，與溫度符合Cx=Cx0+Cx1t+Cx2t2+Cx3t3,式中：x= 0，1，2，3，4；t為溫度，℃；C00，C01，…，C42，C43為傳感器溫度定量標(biāo)定系數(shù)。

所以，本文采用多項式標(biāo)定方法建立熒光相位與溶解氧濃度定量標(biāo)定模型，選定4個標(biāo)定溫度(10、25、30、35 ℃)，首先設(shè)定恒溫水浴溫度為10 ℃，待溫度穩(wěn)定后開始試驗，通過質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)氧氣瓶和高純氮氣瓶的氣體流量比例，依次將配比不同的組合氣體通入標(biāo)定裝置中，獲得多個溶解氧濃度梯度的水體；氧飽和度保持在 0～120%之間，在每個溶解氧濃度梯度，待標(biāo)定裝置內(nèi)參比溶解氧傳感器示值及待標(biāo)定溶解氧傳感器信號值達(dá)到穩(wěn)定后，記錄待標(biāo)定溶解氧傳感器相位值和水體溫度值，標(biāo)定裝置內(nèi)水體溶解氧濃度由碘量法分析獲得。完成溫度1實驗以后，依次進(jìn)行其他3個溫度的實驗。根據(jù)標(biāo)定實驗中獲取的4個溫度下多組溶解氧傳感器相位值、水溫和溶解氧濃度真值來計算傳感器的溫度標(biāo)定系數(shù)，形成溶解氧傳感器標(biāo)定算法模型(見圖9和表3)。

圖9 10、25、30、35 ℃?zhèn)鞲衅飨辔缓腿芙庋鹾康年P(guān)系曲線Fig.9 Relationship curves between sensor phase and dissolved oxygen content at 10，25，30 and 35 ℃

通過實驗數(shù)據(jù)得到10、25、30、35 ℃下溶解氧傳感器相位與溶解氧濃度的關(guān)系式：

35 ℃：y=3.43×10-4p4-6.53×10-2p3+4.73p2-1.58×102p+2.12×103，

(3)

30 ℃：y=3.28×10-4p4-6.33×10-2p3+4.67p2-1.60×102p+2.21×103，

(4)

25 ℃：y=3.51×10-4p4-6.89×10-2p3+5.18p2-1.80×102p+2.53×103，

(5)

10 ℃：y=4.30×10-4p4-8.81×10-2p3+6.91p2-2.53×102p+3.75×103。

(6)

通過每個溫度點下方程系數(shù)與溫度的關(guān)系計算獲得溫度系數(shù)，見表3。

表3 溶解氧傳感器溫度標(biāo)定系數(shù)

4 儀器在海洋現(xiàn)場環(huán)境中的應(yīng)用

為了考察本文研制的海水光學(xué)溶解氧傳感器在實際復(fù)雜海洋環(huán)境中的工作情況，在山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所科學(xué)實驗站附近海域?qū)Ρ韺尤芙庋踹M(jìn)行測量，并與安德拉公司的4531型溶解氧傳感器和YSI公司的EXO型多參數(shù)水質(zhì)儀進(jìn)行了對比。為期1個月的海上現(xiàn)場連續(xù)實驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 連續(xù)1個月的海上現(xiàn)場實驗結(jié)果Fig.10 Results of one month's field trials at sea

針對海試后期3臺溶解氧傳感器數(shù)據(jù)的差異，進(jìn)行了2 d的對比實驗，每天上午09:00—11:30間隔30 min采集海水樣品，共采集12組，通過碘量法獲得表層海水溶解氧濃度真值，與3臺溶解氧傳感器測量值比對。3臺儀器的準(zhǔn)確度(平均相對誤差)如表4所示，本文研制溶解氧傳感器與安德拉傳感器準(zhǔn)確度較好，YSI多參數(shù)水質(zhì)儀溶解氧探頭數(shù)據(jù)發(fā)生了漂移，準(zhǔn)確度最差。

表4 海洋現(xiàn)場比對數(shù)據(jù)及準(zhǔn)確度(平均相對誤差)計算結(jié)果

5 結(jié)論

本文研制的海水光學(xué)溶解氧傳感器具有自主知識產(chǎn)權(quán)，能夠應(yīng)用于浮標(biāo)、潛標(biāo)、魚排、海床基或者臺站等各種固定式或者移動式平臺，實現(xiàn)海水溶解氧原位、快速、準(zhǔn)確的檢測。該傳感器基于調(diào)制-解調(diào)數(shù)字正交鎖相放大技術(shù)，有效地提高了儀器的抗干擾能力和穩(wěn)定性，獲得了更高的測量準(zhǔn)確度；采用多項式標(biāo)定模型，有效地避免了環(huán)境因子的干擾，提高了在多變的海洋環(huán)境中的測量準(zhǔn)確度。該型傳感器通過后續(xù)的優(yōu)化與產(chǎn)業(yè)化，可以為我國海洋溶解氧監(jiān)測提供自主的觀測儀器，提高我國海洋溶解氧的業(yè)務(wù)化監(jiān)測能力。