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一种基于数字信号处理器的温度补偿测量系统光纤氧气传感器C. Stehning and G. HolstMax-Planck-Institute for Marine Microbiology, Celsiusstr. 1,28359 Bremen, Germany摘要光纤传感器microoptodes提供了新的信号处理方法，所有信号的产生和处理完全基于一个快速，低成本的数字信号处理器。

这个新技术实现了新的功能，如可以同时多频测量，以解决不同的发光信号中的分析参数。

举个例子，一个混合的传感器可以被同时应用到测量温度和氧气浓度，温度信息被用来补偿温度效应对氧测量的影响。

同时还有一个进一步的好处，最近的改进指标化学和纤维尖端的制备也会产生一个发光信号电平，可以检测出一个足够高的发光信号电平而不是一个普通的光电二极管的光电倍增管。

因此，小型探测器和高度集成的DSP构成的便携的手持测量设备可以满足更高的校准要求。

关键词:光纤传感器，microoptode，发光寿命，氧测量，温度补偿，相位调制，数字信号处理器1.简介作为一个关键参数，如海洋沉积物中的氧分布，通常是由氧含量入手测量。

如果需要一个高空间分辨率的测量环境，则需要采用微电极或光纤氧气传感器。

氧含量的测量是基于荧光寿命这个指标，显示器特定的背景荧光叶绿素等物质会对反应敏感的测量器材有不小的影响。

为了克服这些影响，对于抗扰的讨论就显得极其重要。

这就需要一个多频分析的测量系统，以解决衰减时间内的发光信号。

此外，配备混合传感器用以同时检测多个分析参数。

2.理论如果用氧的动态淬灭作为传感原理，分析氧浓度[ % O2 ]和可衡量的一个给定的荧光衰减时间τ之间关系可以最好的方法就应该是这个Stern-Volmer方程两位点模型：0是指在τ发光寿命在没有氧气，F 1、F 2是两个分数强发光影响元件，和K SV1，SV2是淬火系数K描述各组成部分的氧敏感性。

在实际应用，它通常可以假设为一个组件不能被氧气猝灭（K 2 = 0）。

这将产生一个实验修改方程：方程（1）和（2）忽略了温度对衰减时间的影响。

对温度对氧光极的依赖性已经在[ 7 ]的讨论，但是没有关于温度模型描述氧光极的应用。

因此，我们使用的实验数据作为起点。

我们测量了氧浓度和[%O2]的衰减时间之间的关系不同的氧浓度，并在8个不同的温度下重复测量。

结果是如下所示：图1：图1：不同氧浓度和温度下的衰减时间由温度变化引起的重大转变是可见的。

关于温度的方法假设见方程2中系数的温度依赖性：研究了温度和方程2中的参数之间的关系，我们在图1中通过曲线拟合修改后的Stern-V olmer方程（式2），并依次绘制拟合参数的变化与温度的关系曲线：图2：0在不同温度下的头图3：不同温度下的f1图4：在不同温度下的k 1通过他们的高相关系数r²验证，τ0（t）和2（t），证实至少在实验温度检查范围内，可以表示为一个线性关系。

K SV1（T）表现出明显的分散，但也可以充分描述的线性关系。

因此，所有三个参数的温度依赖性用线性回归方程4中的表达。

0的τ值（T），F 1（T）和K SV1（T）在一个给定的温现在被计算，和氧浓度的校正值，可以实现从测量τ通过重新排列公式2：在环境条件下的温度补偿的氧测量的结果如下所示：图5：图5：温度补偿的影响3.为氧气和温度传感制备混合光极要补偿氧测量过程中的温度变化，必须仔细考虑光纤尖端温度的精确传感。

原则上，修改后的microoptode可以用于在附近的氧传感器的前端的额外的温度测量值，但是更多实际应用同时测量混合光极感温度和氧浓度时。

这个这种传感器的结构如图6所示：这两个指标是固定的作为颗粒在纤维尖端的指标矩阵。

温度指示（a）钌（该公司，雷根斯堡，德国）和固定在一个polyacrylnitrite矩阵在一种方法中制备的钌复合物是不可接触氧的。

因此，它几乎是只对温度敏感。

氧指示剂（b）是铂卟啉基（该公司，雷根斯堡，德国）对二者同样敏感，因为温度和氧的变化都会变化。

因此，第一测量步骤是通过发光的纤维尖端温度的测定温度传感粒子的衰减时间。

然后计算出的氧浓度计算的氧传感颗粒的衰减时间，使用的温度信息来校准方程参数2。

4.解决双指数衰减的数字解决方案应用混合传感器时，产生的主要困难是解决个体的衰减时间，τ2、τ1两光极贡献的总荧光信号。

在本章中，封闭形对于τ2、τ1分辨率方法有两种。

第一种方法是基于Prony方法，，可以应用于在时域上测量的总发光的脉冲响应。

第二种方法是基于一种方法通过格雷戈里奥韦伯1980 提出了能够应用于相调制技术是使用，使用多个调制频率使τ2、τ1参数从荧光体组合的传递函数在频率域中确定。

4.1采用Prony法测一个时间域的双指数衰减分辨率当用一个短脉冲激发时，脉冲响应信号可以被看作是每个发光体发光的衰减指数：从采样的脉冲响应计算τ1和τ2，四样品F（0）…F（3）必须假设第一个样品，氟（0），是采取在开始的衰变（吨= 0）和所有样品的等距间隔由于固定采样率F样本，两系数1和2αα可以计算。

对于τ1和τ2的解决方案是由公式8来的：对于一个测量系统的实现，采样的脉冲响应揭示了几个缺点。

一个短脉冲的产生需要一个高的系统带宽，同时快速的数模转换器可能有必要根据不同的荧光体的衰减时间调整。

此外，脉冲响应在噪声环境中，当使用光电二极管探测微弱的环境时，该方法往往会失败发光信号。

为了克服这些限制，相位调制技术更方便使用在microoptode测量装置。

4.2采用相位调制技术在频域分辨率双指数衰减与相位调制技术的发光激发使用正弦调制光信号[s(t)]:发光信号[a（T）]然后被迫以相同的频率ωmod运动，但相位偏移与振幅减小：直流分量[方程10中直流]通常被忽视，其作为响应信号主要是通过高通滤波器来抑制背景光耦合进入光纤。

如果一个发光体存在衰减时间，可以根据测得的相移或从响应的振幅使用左或右式11部分信号计算得到。

如果两个发光体具有不同的衰减时间并且非常活跃，如在上面所描述的混合传感器的得到的信号是每个发光体的频率响应的总和。

这会再次产生具有相同的频率作为激励信号的正弦调制信号：这是考虑到应用公式13从测量计算的发光寿命τ重一个总值，0和Θ会完全服从此式，不允许因为个体活动时间影响而提高的频率响应信号存在。

要确定的频率响应，测量的相位角的个体活动时间解调因子为0 /秒，0 /秒的不同调制频率是必要的。

假设的衰减时间保持不变，测量可以连续地完成。

但更有利的方法是同时应用两个频率，并分析采样响应信号的频率使用一个复杂的FFT（快速傅里叶变换）算法域：相位调制技术：时间信号（图7）和频域在这个例子中，两个调制频率f MOD1 = 3kHz和F = 21kHz模型已应用同时。

模拟衰减时间在τ 1 = 3，2 = 20µτµS.激励响应信号而在F样本= 48kHz采样率7显示样品。

通过一个光谱计算1024点FFT快速傅立叶变换，如图8所示。

复杂的FFT算法产生一个数组包含实数和虚数部分的光谱组件在采样信号的采样频率高达½。

如果激励信号被认为是将输入信号，和发光的输出信号，在荧光体的传递函数频率域便可以使用公式14确定：我是从计算FFT算法得到的数据数组的索引。

它们之间的关系的频率是由方程15给出的:应该指出的是，只有使用公式15计算离散频率，出才能现在H （我）数据阵列。

应使用频率网格中的调制频率，才能产生精确的结果。

如果此时只有一个发光体，衰减时间的计算可以用公式16：如果有两个不同的发光体存在，两个衰减时间的测定是通过种不同调制谱传递函数的前四阶矩的计算频率。

零，甚至时刻出现从一个线性组合的虚构部分的在给定的调制频率的频谱，而奇数时刻产生的线性组合的在给定的调制频率的频谱的实部：参数P我用公式18得出，计算之间的比值的无量纲数应用调制频率，我和一个参考频率，可以自由选择：确定的时刻在式18中，然后用于计算对称函数Θ1和Θ：最后τ1和τ2解决方案由方程22给出：在这一章中提出的频域方法是非常有效的，在嘈杂的环境中，因为只有匹配的调制频率的噪声的频谱部分的测量的影响。

此外，封闭的形式的数值计算是简单的，可以进行符合数据聚合法。

在F样本= 48kHz 采样率时，FFT 1024的样本采集需要约22毫秒，而FFT和进一步的计算是在几百行范围内进行的，现代的DSP是纳秒级别的。

因此，快速测量需要附加平均移动的噪声抑制滤波器。

5.测量系统混合光极的测量系统示意图在图9中给出：图9测量系统的功能单元[a]光电装置[b]混合microoptode[c]液晶显示[d]数据/程序存储器DA转换器驱动一个蓝色LED（λ= 470nm）上产生调制的激发光光信号。

的激发光，然后由一个波长选择性反射镜的光纤。

发射光信号显示一个增加的波长，由于斯托克斯频移把镜子变成一个检测器集成前置放大器的二极管。

额外的放大阶段和过滤器被设置在一个模拟信号调理板，还持有光学块。

处理后的信号，然后输入到一个AD转换器。

傅立叶变换的数字化信号，分辨率的衰减时间，以及计算的温度和氧气浓度是一个浮点DSP执行（ADSP21061、模拟设备公司，美国）。

最后的氧浓度，然后在液晶显示器上显示，并存储在非易失性数据存储器。

图10显示了数字信号处理器板的设置和模拟信号的照片与安装光电板块的条件：图10：DSP板，光电模块和模拟电路图11：混合容器与应用传感器为了避免对发光体的传递函数测量的影响，确定相电子电路的频率特性是必要的。

因为这个原因，使用一个传感器虚拟荧光薄片与亚纳秒的衰减时间和类似的光谱特性的应用十分必要。

图11显示用于调节温度和氧气浓度的双层玻璃混合容器。

外循环中充满了一个固定的温度，而内循环中包含的盐水通过一个批处理的气体混合物冲洗。

一种气体混合泵被用来设置固定氧/氮复合物。

图12显示了完整的实验装置的照片：图12：精确的温度和气体的复合设定7.结果与讨论两次衰变氧气和温度感测的颗粒通过混合传感器的发光信号显示在图13和14：图13与图14分辨率的衰败时间π1与π2测量在不同温度下的氧气浓度解决的衰减时间τ2氧敏颗粒显示由公式2确定的典型曲随温度升高的校正曲线的特征偏移。

不幸的是，解决温度传感器的τ衰减时间1显示在高的理想曲线的偏氧浓度区域存在着显著误差。

为了探讨可能的原因，我进行了一个MATLAB仿真。

研究结果在图15所示的模拟完成了一个现实的信号-噪声比（信噪比）揭示了同样的偏差和负氧含量高（低τ2），测得的发以前的数据。

因此，偏差似乎是固有的现有噪声条件。

一个可能的原因是，τ1和τ2必须被视为紧密间隔的寿命为2τ低于近似极20号决议µ紧密间隔的寿命在嘈杂的环境下是一个困难的任务此外，与增加的温度和氧气浓度的降低，由于发光总强度的发光猝灭。