【摘 要】
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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。本论文主要工作如下:（1）基于荧光淬灭原理的溶解氧传感器光路结构与硬件电路设计与研究。光路结构设计采用中心波长460nm的
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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。本论文主要工作如下:（1）基于荧光淬灭原理的溶解氧传感器光路结构与硬件电路设计与研究。光路结构设计采用中心波长460nm的蓝色LED作为激发光光源,中心波长660nm的红色LED作为参照光光源,光纤进行导光,光电二极管接收光信号。硬件电路以STM32H743VIT6作为主控核心,完成了电源管理电路、LED驱动电路、光电转换电路、放大滤波电路、温度测量电路和无线通信电路等六个关键电路模块的设计。最终对光路与电路进行测试,接收到的激发光信号与荧光信号较强,噪声小,信号波形与驱动LED的正弦波同频率,室温下对自来水进行测试,荧光信号与激发光信号相位差在30°左右,相位差明显。（2）基于荧光淬灭原理的溶解氧传感器软件设计与开发。对溶解氧传感器进行DAC驱动、ADC采集、温度采集、快速傅里叶变换计算、溶解氧浓度计算和无线通信等六个主要模块的下位机程序设计,完成对溶解氧传感器的控制与溶解氧浓度和温度采集。最后进行上位机程序设计完成对测量数据的可视化与持久化,实现溶解氧浓度的远程监测功能。（3）基于荧光淬灭原理的溶解氧传感器标定。通过设计两点法标定实验得到无氧水中相位差与温度的关系、饱和溶氧水中相位差与温度的关系,并结合标准大气压下溶解氧浓度与温度的关系,建立溶解氧浓度与相位差和温度的计算模型。最后将自制溶解氧传感器测量结果与化学碘量法测量结果进行比较,自制溶解氧传感器误差在0.3mg/L以内,传感器经过12天的连续测量,溶解氧传感器测量值最大相差0.15mg/L,稳定性好,并且具有较好的可逆性。经测试,本溶解氧传感器的测量范围是0-20mg/L,测量误差在0.3mg/L以内,响应延迟小于2s,溶解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,测量结果稳定性好。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奠定了良好的基础。
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