顾浩等：基于荧光法的溶解氧传感器研制及试验（2020年第2期）
引文格式
顾浩, 王志强, 吴昊, 蒋永年, 郭亚. 基于荧光法的溶解氧传感器研制及试验[J]. 智慧农业（中英文）, 2020, 2 (2): 48-58.
GU Hao, WANG Zhiqiang, WU Hao, JIANG Yongnian, GUO Ya. A fluorescence based dissolved oxygen sensor[J]. Smart Agriculture, 2020, 2 (2): 48-58. (in Chinese with English abstract)
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基于荧光法的溶解氧传感器研制及试验
（1.江南大学 物联网工程学院/轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏无锡 214122；2.江苏省互联网农业发展中心，江苏南京 210017；3.江苏中农物联网科技有限公司，江苏宜兴 214200）
摘要: 溶解氧含量的测量对水产养殖具有极其重要的意义，但目前中国市面上的溶解氧传感器存在价格昂贵、不能持续在线测量及更新部件维护困难等问题，难以在水产养殖物联网中大规模推广和发挥作用。本研究基于荧光淬灭原理，利用水中溶解氧浓度与荧光信号相位差的关系进行低成本、易维护溶解氧传感器的研发。首先利用自制备溶氧敏感膜，经激发光照射后产生红色荧光，该荧光寿命可由溶解氧浓度调节；然后利用光信号敏感器件设计光电转化电路实现光信号感知；再以STM32F103微处理器作为主控芯片，编写下位机程序实现激发光脉冲产生，利用相敏检波原理以及快速傅里叶变换（FFT）计算激发光与参照光的相位差，进而转化为溶解氧浓度，实现溶解氧的测量。荧光探测部分与系统主控部分采用分离式设计思想，利用屏蔽排线直接插拔连接，便于传感器探测头的拆卸、更换、维护以及实现远距离在线测量。经测试，本溶解氧传感器的测量范围是0~20 mg/L，响应延迟小于2 s，溶氧敏感膜使用寿命约1年，可以实时不间断地对溶解氧浓度进行测量。同时，本传感器具有测量方便、制作成本低、体积小等特点，为中国水产养殖低成本溶解氧传感器的研发与市场化奠定了良好的基础。
关键词: 溶解氧传感器；荧光淬灭；水产养殖；STM32微处理器；溶氧敏感膜
文章图片
图1 系统总体设计框图
Fig. 1 Block diagram of system overall design
图2 电源模块电路设计
Fig. 2 Design of power module circuit
图3 485接口电路设计
Fig. 3 Design of 485 interface circuit
图4 LED驱动电路设计
Fig. 4 Design of LED drive circuit
图5 光电转换模块电路
Fig. 5 Photoelectric conversion module circuit
图6 传感器电路实拍图
Fig. 6 Pictures of sensor circuit
图7 下位机程序设计总体流程图
Fig. 7 Overall flow chart for the lower computer program
图8 饱和溶液氧气浓度与温度拟合图
Fig. 8 Fitting curve of oxygen concentration vs. temperature in saturated dissolved oxygen solution
图9 饱和溶氧水相位差正切与温度拟合图
Fig. 9 Tangent of phase difference between saturated dissolved oxygen solution and temperature fitting diagram
图10 无氧水相位差正切值与温度拟合图
Fig. 10 Tangent values of phase difference of oxygen-free water and temperature fitting diagram
来源：《智慧农业（中英文）》2020年第2期