一种用于在线溶氧仪的正弦信号相位差测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于在线溶氧仪的正弦信号相位差测量装置及方法，装置包括信号驱动模块、荧光膜、荧光接收模块、编解码器和信号处理器，本方法提出了基于最小二乘法理论与FFT理论相结合的低信噪比同频正弦信号相位差检测的有效方法。本发明主要用于荧光法在线溶氧仪中两路微弱同频正弦信号相位差的测量，从而更加精确计算出溶解氧的浓度。同时，本发明可以将由硬件电路和外界干扰引起的不需要的相位差消除掉。本发明的优点在于精度高、抗干扰能力强、实时性强、数据量少等，适应于荧光法在线溶氧仪的荧光与激发光相位差的计算。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在线溶氧仪的相位差测量领域，具体涉及一种用于在线溶氧仪的正弦 信号相位差测量装置及方法。 一种用于在线溶氧仪的正弦信号相位差测量装置及方法
【背景技术】
[0002] 溶解氧的测定在环境保护、水产养殖业、生物医学、制药、食品发酵等领域有着十 分重要的意义。传统的检测方法如碘量法、电化学法等操作复杂，无法进行实时检测，设备 维护复杂，而荧光法在线溶氧仪克服了这些缺点，操作方便，精度高，实时性好，维护简单。
[0003] 荧光法在线溶氧仪检测溶解氧浓度是用了一个探头，水中氧气浓度与包裹在探头 外面的荧光膜接触，在氧气的存在下，当有蓝光照射到荧光膜上时，会发生猝灭反应产生荧 光信号，因此这个荧光信号的强度或者延迟直接与水中溶解氧浓度有关。
[0004] 荧光法检测溶解氧浓度有两种方法，荧光强度法和相位延迟法，传统方法为荧光 强度法，这种方法对荧光强度的检测比较复杂，而且往往无法检测到外界干扰对于荧光强 度的影响，误差比较大，硬件电路和外界干扰都可能硬气相位的偏移。
[0005] 设计一种新相位差测量方法，能够消除相位偏移，提高检测精度，成为了现有技术 发展的方向。
【发明内容】
[0006] 发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供一种用于在线溶氧仪的正弦信 号相位差测量装置及方法，加入了参考红光，理工最小二乘法检测单一频率信号的相位差 方法，解决了现有技术的不足。
[0007] 技术方案：一种用于在线溶氧仪的正弦信号相位差测量装置，其特征在于，包括信 号驱动模块、荧光膜、荧光接收模块、编解码器和信号处理器；其中，信号驱动模块包括激发 蓝光装置和参考红光装置；信号处理器包括相位差处理单元；
[0008] 信号驱动模块控制激发蓝光装置发送激发蓝光信号，激发蓝光信号照射在荧光膜 上，荧光膜使激发蓝光信号发生荧光猝灭成为荧光信号Vi ;荧光接收模块接收到荧光信号 '后，通过编解码器将荧光信号 ' 转化成数字信号并传送到信号处理器；信号处理器根据 最小二乘法对激发蓝光信号和荧光信号 ' 求出蓝光相位差；
[0009] 同时，信号驱动模块控制参考红光装置发送参考红光信号V2，参考红光信号V 2照 射在荧光膜上，反射出反射红光信号；荧光接收模块收到红光信号，通过编解码器将红光信 号转换成数字信号并传送到信号处理器中；信号处理器根据最小二乘法对参考红光信号V 2 和反射红光信号求出红光相位差。
[0010] 该方法包括以下步骤：最小二乘法与FFT算法结合，求取相位差；对得到的角速度 为ω的连续荧光信号％和参考红光信号％按照时间间隔Λ取Μ段长度为N的信号，得 到：
[0011] vm(i) = s [i+ (m-1) ] +n [i+ (m-1) ] (i = 0, 1, 2,. . . , N-l ；m = 1, 2,. . . , M)
[0012] (1)
[0013] 式中：
[0014] vm(i)为信号第m段的第i个取样点的信号幅值；
[0015] s为单频正弦信号幅值；
[0016] η为1?斯白噪声；
[0017] 对vm⑴进行离散傅里叶变换得：Vm(k) = Sm(k)+Nm(k) (2)
[0018] 式中：
[0019] Vm(k)为vm⑴的傅里叶变换；
[0020] Sm(k)为正弦信号s的傅里叶变换；Nm(k)为高斯白噪声η的傅里叶变换；
[0021] k = 0,1，2...，Ν-1 ;
[0022] 公式⑵中，Sj/() = 1U- + f(A) (3)
[0023] 当 N》M 时，有[S;:⑷I / |·5'α)| S 警 (4)
[0024] 式中：
[0025] \为^ = ;
【权利要求】
1. 一种用于在线溶氧仪的正弦信号相位差测量装置，其特征在于，包括信号驱动模块、 荧光膜、荧光接收模块、编解码器和信号处理器；其中，信号驱动模块包括激发蓝光装置和 参考红光装置；信号处理器包括相位差处理单元； 信号驱动模块控制激发蓝光装置发送激发蓝光信号，激发蓝光信号照射在荧光膜上， 荧光膜使激发蓝光信号发生荧光猝灭成为荧光信号A;荧光接收模块接收到荧光信号' 后，通过编解码器将荧光信号Vi转化成数字信号并传送到信号处理器；信号处理器根据最 小二乘法对激发蓝光信号和荧光信号 ' 求出蓝光相位差； 同时，信号驱动模块控制参考红光装置发送参考红光信号v2，参考红光信号v2照射在 荧光膜上，反射出反射红光信号；荧光接收模块收到红光信号，通过编解码器将红光信号转 换成数字信号并传送到信号处理器中；信号处理器根据最小二乘法对参考红光信号％和反 射红光信号求出红光相位差。
2. -种用于在线溶氧仪的正弦信号相位差测量方法，其特征在于，该方法包括以下步 骤：最小二乘法与FFT算法结合，求取相位差；对得到的角速度为ω的连续荧光信号％和 参考红光信号V 2按照时间间隔Λ取Μ段长度为Ν的信号，得到：
2Re (V/ -Vk，）ReSpIm (V/ -Vk，）ImSi = [ I Vi 12-1 Vk 12] + [ I Ni 12-1 Nk 12] (7) 式中： k = 2, 3，···，Μ ; Re和Im分别表示实部和虚部； 对上式（M-1)个方程采用最小二乘法求解实部和虚部，这样求解期望信号Si是均方误 差最小意义下的解； 将上式写为矩阵形式：A · S = V+ ε (8) 式中：
v= [iViin2, ivjm·，ivjm ε = [InJ^InJ2, 1^1^^312..... InJ^InJ2]1； 得出期望信号Si的最小二乘解为：S = A+V，式中A+表示矩阵A的Moore-Penrose广义 逆；求得期望信号Si后，求得信号的相位为P = tan
【文档编号】G01N21/64GK104101585SQ201410340194
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】陈熙源, 张真真, 赵伟洪, 黄浩乾, 刘丙圣 申请人:东南大学