基于荧光法的溶解氧传感器研制及试验摘要: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0~20mg/L，响应延迟小于2s，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:TP212.6；S951文献标志码:A:202005-SA004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.Citation:GUHao,WANGZhiqiang,WUHao,激ANGYongnian,GUOYa.Afluorescencebaseddissolvedoxygensensor[J].SmartAgriculture,2020,2(2):48-58.1引言水中溶解氧浓度的测量在农业、工业、环保等行业都具有及其重要的意义。例如在水产养殖中，利用溶解氧传感器可以实时测量养殖水域的溶解氧浓度，实现提前增氧操作，降低由于缺氧而产生鱼类“浮头”现象，极大提高水产养殖的安全性。除此之外，由于水中溶解氧含量是进行水质监测的一项重要指标，溶解氧传感器还可以用于对污水进行监测和有效处理[1]。市面上流通的溶解氧传感器大致有碘量法溶解氧传感器、电化学法溶解氧传感器、分光光度法溶解氧传感器以及荧光淬灭溶解氧传感器[2]四类，其中除基于荧光淬灭原理的传感器外，其他溶解氧传感器均不适合在线持续测量溶解氧浓度，不能满足水产养殖在线使用需求[3-5]。当前国外在溶解氧的检测方面一般采用基于荧光淬灭效应的溶解氧测量仪，如瑞士DMP公司的MICROXI型的溶解氧测量仪、美国OXYMON氧气测量系统等，此类设备测量方便、快速，并可实现在线测量。而国产的溶氧传感器大部分是基于电流测量法，在检测速度和便捷性方面与国外传感器还有一定的差距；其他少量基于荧光法的溶解氧传感器价格也非常昂贵，大约2000~5000元人民币，农民负担不起。通常可能约1.33ha的池塘只安装一个溶解氧传感器，由于池水流动性差可能导致溶解氧在大面积的池塘范围内分布不均，大大增加了水产养殖的风险。同时现有的溶解氧传感器往往安装使用步骤繁琐，部件损坏后更换维护困难且维护成本高，难以在水产养殖物联网中大规模推广。总的来说，尽管目前中国在溶解氧传感器方面做了一些研究和开发，但溶解氧传感器仍是水产养殖领域众所周知的难点。因此，研制低成本、易维护的荧光淬灭型溶解氧传感器具有极为重要的意义。2荧光淬灭溶解氧传感器测量原理及材料制备2.1荧光淬灭溶解氧传感器测量原理水中的氧气是一种淬灭剂，与荧光发生淬灭作用后会降低荧光的强度，缩短荧光的寿命。由于检测荧光强度受光路、电路以及周围环境的影响较大，所以本研究采用检测荧光寿命的方式来计算溶解氧的浓度[6]。查阅资料可知[7-9]，荧光与溶解氧的浓度满足Stern-Volmer方程，如公式（1）所示。（1）其中，I0、I分别为溶液中氧浓度为0mg/L和饱和时的荧光强度；τ0、τ分别为溶液中氧浓度为0mg/L和饱和时的寿命,s；[O2]为溶解氧的浓度,mg/L；KC是一个定值，称为Stem-Volmer常数。由公式（1）可知，只要通过标定计算得到荧光淬灭系数KC，利用每次测量得到的当前环境中的荧光寿命，即可计算得到当前环境中的氧气浓度。荧光寿...