基于熒光猝滅原理的海洋原位溶解氧傳感器及定量標定算法

袁達，馮現東，張云燕，吳丙偉

(齊魯工業大學(山東省科學院) 山東省科學院海洋儀器儀表研究所 山東省海洋環境監測技術重點實驗室國家海洋監測設備工程技術研究中心，山東 青島 266061)

溶解氧是海水中最重要的測量參數之一，是衡量海水水質優劣、水體被污染程度的重要指標，也是水體自凈能力研究、海洋生態環境評估和海洋科學實驗的重要依據[1]。隨著我國工業建設、現代化進程和海洋開發活動的高速發展，受生產活動而導致的海洋污染日益嚴重，海洋突發性污染災害逐年增加，生態環境持續惡化。我國海岸帶、河口和海灣生態系統均受到了不同程度的破壞，海洋環境的污染已嚴重破壞近海的水質、生物和漁業資源，因此對海洋溶解氧進行在線、原位、瞬時、高靈敏度、高穩定性的檢測是保護和改善海洋生態環境的手段[2]。

發達國家在溶解氧傳感器探測技術方面的研究起步較早，基于Clark型的電化學傳感器[3-4]和基于熒光猝滅效應的光學溶解氧傳感器[5-7]均比較成熟，并已得到廣泛應用，代表產品有挪威安德拉公司的Oxygen Optode 4531型光學溶解氧傳感器，美國IN-situ RDO PRO光學溶解氧傳感器，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光學溶解氧測量儀等，這些在線監測儀器成熟度高并已得到廣泛應用，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測，不完全符合中國的環境條件、更無法用于易生物附著近岸惡劣海域和高鹽差、高濁度的復雜大型河口海域溶解氧的原位測量[8]。國內海洋溶解氧業務化監測大多數采用國外的設備和技術，海洋溶解氧在線監測儀器市場完全被國外壟斷。國內的海洋溶解氧原位監測研究起步較晚，在國家相關課題的支持下，一批研究所、高校均進行了溶解氧原位測量技術的研究[9]，雖然取得了一些進展，但技術與應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測可靠性和穩定性差的缺點，導致我國始終無法打破國外溶解氧在線監測技術壟斷。無論國外還是國內的溶解氧傳感器，雖然在實驗室內都能夠取得比較準確的結果，但是由于海洋環境的復雜性、多變性，導致其原位監測數據準確度不高，特別是海岸帶、河口和海灣等環境惡劣海域環境因子復雜且多變，儀器的測量準確度更差，完全不能滿足業務化監測單位對于數據質量的要求[11]。這種非實時、斷續的檢測模式很難對海洋溶解氧進行及時、有效的監測，無法形成長期連續、大規模的海洋溶解氧資料，更不能滿足海洋環境監測和預警對數據的需求[13]。本文針對海水溶解氧監測對于長時續、高精度、環境適應性高的需求，研發了基于熒光壽命反演算法的海水溶解氧高精度原位監測傳感器，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，當氧敏感膜的熒光物質受到藍光照射時，熒光物質的電子從基態躍遷到激發態，當從激發態回復到基態時，能量差以釋放紅光的形式表現出來。當氧分子同熒光物質接觸時，發光基團會轉移部分被激發的能量到與之相碰撞的氧分子上，使發出紅光的強度減弱、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穩定性、更長的使用壽命、更強的抗干擾能力，因此本文采用調制解調測量熒光壽命衰減的方法來測量溶解氧含量。

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

2 系統方案設計

2.1 系統整體設計

光學溶解氧傳感器主要包括：熒光測量、調制解調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據進行處理，根據校準補償算法進行計算，完成在線監測；通信模塊將分析完成的數據通過RS485接口發送給上位機。光學溶解氧傳感器樣機模塊和整機機械結構示意圖分別如圖2、圖3所示。

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

圖3 樣機機械結構示意圖Fig.3 Mechanical structure diagram of the prototype

2.2 熒光測量、調制解調模塊

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

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

1—藍光LED打開；2—紅光LED打開；3—兩個燈全部關閉。圖4 藍光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 ℃，響應時間0.5 s。通過導熱硅脂，將熱敏電阻封在加工的不銹鋼導熱外殼內，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，通過廠家給出的轉換公式轉換成實際溫度值，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，由表1可查得。

表1 熱敏電阻溫度系數

2.4 信號處理、通訊模塊

信號處理、通信模塊主要功能為產生調制信號送給光電檢測模塊、通過數字正交鎖相放大檢測技術分析處理光電檢測模塊測得的熒光和參比光信號，將分析完成的數據通過RS485接口發送給上位機。

本傳感器設計了基于數字正交鎖相放大檢測技術的調制-解調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，增強了系統微弱電信號的檢測能力，提高了信噪比，提高了光學法的測量精度和原位測量的抗干擾能力。首先將激發光源調制成一定頻率的光，通過照射傳感膜激發相同頻率的熒光，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，通過數字鎖相放大電路實現互相關檢測解調，解調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定性。數字正交鎖相放大檢測技術原理圖如圖5所示。

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

根據系統設計方案，本傳感器選用現場可編程邏輯門陣列(field programmable gate array，FPGA)作為數字正交鎖相放大處理器。光電檢測電路輸出的信號經過前置放大濾波電路、數字放大電路等傳送給AD采樣電路，FPGA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，通過與協處理器連接的引腳發送給協處理器。系統協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計算得到的原始數據通過溫度修正模型、復雜環境因子干擾補償校準算法計算出真實的溶解氧含量，并將最終數據通過通信模塊發送給上位機。

3 熒光壽命與溶解氧濃度定量校準

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，造成傳感器測定數據產生誤差，影響儀器的準確度、穩定性的問題，設計了水體溫度、溶解氧濃度標準發生實驗裝置，構建了一個合理、準確的數學模型描述測量影響因素對測定數據的校準補償，結合溫度參數建立熒光壽命與溶解氧濃度定量分析校正算法模型，實現了在多變的海洋環境中溶解氧的準確測量。

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

3.1 設計校準實驗裝置

在校準實驗過程中精準控制環境條件是保證校正結果的關鍵，本文專門設計了水體溫度、溶解氧濃度標準發生實驗裝置，有利于精確調節環境條件，可以提高校準的精度。校準實驗裝置如圖6所示，包括帶水溫控制裝置的低溫恒溫槽、帶攪拌功能的標定裝置、氧氣瓶、氮氣瓶、2個減壓閥、3個質量流量控制器、安全閥、待校準溶解氧傳感器和參比溶解氧傳感器；帶攪拌功能的校準裝置內置鼓氣氣泡石，內部盛滿超純水，且校準裝置整體置于低溫恒溫槽中；校準裝置上設有氣體入口、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過減壓閥、質量流量控制器、氣體出入連接至鼓氣氣泡石；待校準溶解氧傳感器和參比溶解氧傳感器通過校準裝置頂部開口浸入標準裝置中的水體里。

3.2 溫度傳感器校準

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模型的建立至關重要。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，以經過計量校準的水銀溫度計測定值為真值，對溫度進行校準，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系數達到1，通過擬合公式對傳感器溫度示值進行線性校準。如表2所示，傳感器溫度示值經過校準后，準確度可達到±0.1 ℃，滿足溶解氧傳感器的使用需求。

圖7 溫度校準模型Fig.7 Temperature calibration model

表2 溫度校準數據

續表2 單位：℃

3.3 熒光壽命與溶解氧濃度定量標定模型

由于傳統的兩點標定法(無氧水和飽和溶解氧水)存在準確度不高，校正結果不能在較大溶解氧濃度與標準值保持高度一致和沒有消除溫度的影響等顯著問題。本文以碘量法為標準建立溶解氧標準曲線，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的熒光壽命，建立熒光壽命與溶解氧濃度定量標定模型。本標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裝置，使水體獲得多個溶解氧濃度，記錄待標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準值計算待標定溶解氧傳感器的溫度定量標定系數。不同溫度下傳感器相位和溶解氧含量的關系曲線見圖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，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定系數。

所以，本文采用多項式標定方法建立熒光相位與溶解氧濃度定量標定模型，選定4個標定溫度(10、25、30、35 ℃)，首先設定恒溫水浴溫度為10 ℃，待溫度穩定后開始試驗，通過質量流量控制器調節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，待標定裝置內參比溶解氧傳感器示值及待標定溶解氧傳感器信號值達到穩定后，記錄待標定溶解氧傳感器相位值和水體溫度值，標定裝置內水體溶解氧濃度由碘量法分析獲得。完成溫度1實驗以后，依次進行其他3個溫度的實驗。根據標定實驗中獲取的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定系數，形成溶解氧傳感器標定算法模型(見圖9和表3)。

圖9 10、25、30、35 ℃傳感器相位和溶解氧含量的關系曲線Fig.9 Relationship curves between sensor phase and dissolved oxygen content at 10，25，30 and 35 ℃

通過實驗數據得到10、25、30、35 ℃下溶解氧傳感器相位與溶解氧濃度的關系式：

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與溫度的關系計算獲得溫度系數，見表3。

表3 溶解氧傳感器溫度標定系數

4 儀器在海洋現場環境中的應用

為了考察本文研制的海水光學溶解氧傳感器在實際復雜海洋環境中的工作情況，在山東省科學院海洋儀器儀表研究所科學實驗站附近海域對表層溶解氧進行測量，并與安德拉公司的4531型溶解氧傳感器和YSI公司的EXO型多參數水質儀進行了對比。為期1個月的海上現場連續實驗結果如圖10所示。

圖10 連續1個月的海上現場實驗結果Fig.10 Results of one month's field trials at sea

針對海試后期3臺溶解氧傳感器數據的差異，進行了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確度較好，YSI多參數水質儀溶解氧探頭數據發生了漂移，準確度最差。

表4 海洋現場比對數據及準確度(平均相對誤差)計算結果

5 結論

本文研制的海水光學溶解氧傳感器具有自主知識產權，能夠應用于浮標、潛標、魚排、海床基或者臺站等各種固定式或者移動式平臺，實現海水溶解氧原位、快速、準確的檢測。該傳感器基于調制-解調數字正交鎖相放大技術，有效地提高了儀器的抗干擾能力和穩定性，獲得了更高的測量準確度；采用多項式標定模型，有效地避免了環境因子的干擾，提高了在多變的海洋環境中的測量準確度。該型傳感器通過后續的優化與產業化，可以為我國海洋溶解氧監測提供自主的觀測儀器，提高我國海洋溶解氧的業務化監測能力。