溶解氧传感器

简介

这是一款arduino兼容的溶解氧传感器，用于测量水中的溶解氧含量，反应水质状况。可应用于水产养殖、环境检测、自然科学等领域的水质检测。
俗话说，“养鱼先养水，好水养好鱼。”良好的水质，对水生物非常重要。溶解氧 (Dissolved Oxygen) 就是反应水质好坏的重要参数之一。水中的溶解氧值一旦过低，会造成水生物呼吸困难，对其生存造成威胁。
我们推出了一款arduino兼容的溶解氧传感器，用于测量水中的溶解氧含量，反应水质状况，可应用于水产养殖、环境检测、自然科学等领域的水质检测。本产品简单易用，因此DIY一套溶解氧检测仪不再是有难度的门槛。
本产品的溶解氧电极为原电池型电极，无需极化时间，随用随测。填充液与感应膜可更换，维护成本低；信号转接板具有工作电压宽、连线方便、即插即用等特点，可方便的接入到现成的控制系统中使用。
该产品简单易用、兼容性强、代码开源、配套资料详细，可快速应用到所需场景中，为你的水生物守住“生命之源”！

技术规格

溶解氧电极

  • 电极类型：原电池
  • 检测范围：0~20mg/L
  • 温度范围：0~40℃
  • 响应时间：90秒达到98%全响应（25℃）
  • 压力范围：0~50PSI
  • 流动条件：0.3 mL/s
  • 电极芯寿命：1年（正常使用情况下）
  • 维护时间：视水质状况，对于浑水，通常1~2个月需更换膜帽；对于清水，通常4~5个月需更换膜帽。电极填充液建议每个月更换一次。
  • 线缆长度：2米
  • 连线接口：BNC

信号转接板

  • 供电电压：3.3~5.5V
  • 输出电压：0~3.0V
  • 电极接口：BNC
  • 信号接口：Gravity接口 (PH2.0-3P)
  • 板子尺寸：42mm * 32mm

引脚说明

溶解氧传感器信号转接板管脚定义

标号 名称 功能描述
1 A 模拟信号输出端（0~3.0V）
2 + 电源输入正极(3.3~5.5V)
3 - 电源输入负极
4 BNC 溶解氧电极连线接口

使用教程

本教程将演示如何使用这款溶解氧传感器。配套的电极处于精密电化学传感器，请仔细阅读本教程，注意步骤与细节。

⚠警告

  • 使用新的溶解氧电极前，位于电极头部的膜帽需要加入0.5mol/L氢氧化钠溶液作为电极的填充液。该溶液碱性较强，请带好防水手套后操作。如不慎滴到皮肤上，请用大量清水冲洗。
  • 膜帽上透明的氧渗透膜为敏感元件，请注意保护，不能用指甲或者其他尖锐物体碰触。
  • 溶解氧电极在测量过程中需要耗氧，故测量的时候，需要轻轻搅拌液体，使得溶解氧均匀分布在液体中。但不能剧烈搅拌，以免产生气泡影响测量！

准备材料

  • 硬件
    • 溶解氧电极(含膜帽) x1
    • 0.5mol/L氢氧化钠溶液 x1
    • Arduino UNO控制板 x1
    • 溶解氧传感器信号转接板 x1
    • Gravity 3P模拟连接线 x1
  • 软件

准备电极

使用全新的溶解氧电极之前，需要在膜帽（位于电极头部）中加入0.5mol/L氢氧化钠溶液，作为电极的填充液。如果电极使用有一段时间后，误差明显增大时，需要更换填充液。下面将详细说明如何给溶解氧电极添加填充液。

拧开电极的膜帽盖，倒入0.5mol/L氢氧化钠溶液到膜帽盖中，倒入量大概为膜帽内部容积的三分之二，然后使电极方向与水平面方向垂直，把膜帽套到电极上再拧紧，以溢出一点氢氧化钠溶液为佳。

  • 在套上加有填充液的膜帽并拧紧时，电极尽量与水平面垂直，否则会出现不均匀，导致气泡产生。
  • 加入填充液时，不能把膜帽加满，否则套到电极上时，会溢出很多填充液；也不可太少，没加够填充液会导致膜帽内部产生气泡。故倒入三分之二左右，膜帽拧紧后，以溢出一点氢氧化钠溶液- 为佳。
  • 膜帽上溢出的氢氧化钠溶液，请用吸水纸吸干。
  • 开封过的氢氧化钠溶液瓶，需尽快密封好，防止空气中的二氧化碳对其产生影响。


接线图

电极的填充液加入完毕后，需要进行一次校准。在校准前，请按照下图所示的接线图连接：电极接到信号转接板的BNC接口上，信号转接板接到arduino主控板的模拟口上。

校准电极

为保证精度，初次使用的电极，或者使用了一段时间的电极，需要进行校准。

  • 单点校准：只校准单一温度下饱和溶解氧，适用于温度变化不大时测量
  • 两点校准：校准不同温度下饱和溶解氧，可以进行温度补偿计算，适用于宽温度范围测量

校准程序

将示例程序复制到Arduino IDE中，选择对应的开发板和端口上传
上传成功后打开串口监视器，设置波特率为115200，进行后续校准步骤

#include <Arduino.h>

#define VREF    5000//若ADC参考电压不为5V，请根据实际情况修改VREF
#define ADC_RES 1024//若ADC分辨率不为1024，请根据实际情况修改ADC_RES

uint32_t raw;

void setup()
{
    Serial.begin(115200);
}

void loop()
{
    raw=analogRead(A1);
    Serial.println("raw:\t"+String(raw)+"\tVoltage(mv)"+String(raw*VREF/ADC_RES));
    delay(1000);
}

单点校准

只校准单一温度下饱和溶解氧对应电压，适用于温度变化不大的测量。

获得饱和溶解氧电压有两种方法，将润湿的探头暴露在空气中，操作方便，精度较低；或将探头浸入饱和氧水中，操作复杂，精度较高。

暴露空气法
  1. 按步骤准备好电极
  2. 将探头在纯净水中润湿，并抖落多余的水珠
  3. 把探头暴露在空气中，保持适当空气流动（不要使用电风扇吹）
  4. 待输出电压稳定后，记录电压，即为当前温度下的饱和电压
饱和氧水法
  1. 按步骤准备电极
  2. 准备一杯纯净水，使用下列其中一种方法制作饱和氧水。
    • 方法A：使用搅拌器、打蛋器，连续高速搅拌10分钟，使溶解氧达到饱和
    • 方法B：使用气泵向水中连续充气十分钟，使溶解氧达到饱和
  3. 停止搅拌或充气，待气泡散尽后将溶解氧探头放入
  4. 放入探头后，保持均匀慢速搅拌，避免产生任何气泡。
  5. 待输出电压稳定后，记录温度和电压

两点校准

  1. 准备两杯纯净水，一杯放入冰箱中冷藏，一杯加热至稍温热，温度应控制在0-40℃之间，否则可能损坏探头。
  2. 取其中一杯，使用下列其中一种方法制作饱和氧水
    • 方法A：使用搅拌器、打蛋器，连续高速搅拌10分钟，使溶解氧达到饱和
    • 方法B：使用气泵向水中连续充气十分钟，使溶解氧达到饱和
  3. 停止搅拌或充气，待气泡散尽后将溶解氧探头放入
  4. 放入探头后，保持均匀慢速搅拌，避免产生任何气泡。
  5. 待输出电压稳定后，记录温度和电压
  6. 对另一杯水进行同样的测量，记录温度和电压

示例程序

请先进行校准，根据校准结果修改程序再上传

#include <Arduino.h>

#define DO_PIN A1

#define VREF 5000    //若ADC参考电压不为5V，请根据实际情况修改VREF
#define ADC_RES 1024 //若ADC分辨率不为1024，请根据实际情况修改ADC_RES

#define TWO_POINT_CALIBRATION 0 //单点校准设置为0，两点校准设置为1

#define READ_TEMP (25) //填写当前水温℃，如果有温度传感器可以填相应获取温度的函数

//单点校准只需要填写CAL1_V和CAL1_T
#define CAL1_V (1600) //单位为mv
#define CAL1_T (25)   //单位℃
//两点校准需要填写CAL2_V与CAL2_T，CAL1是高温校准点，CAL2是低温校准点
#define CAL2_V (1300) //单位为mv
#define CAL2_T (15)   //单位℃

const uint16_t DO_Table[41] = {
  14460, 14220, 13820, 13440, 13090, 12740, 12420, 12110, 11810, 11530,
  11260, 11010, 10770, 10530, 10300, 10080, 9860, 9660, 9460, 9270,
  9080, 8900, 8730, 8570, 8410, 8250, 8110, 7960, 7820, 7690,
  7560, 7430, 7300, 7180, 7070, 6950, 6840, 6730, 6630, 6530, 6410
};

uint8_t Temperaturet;
uint16_t ADC_Raw;
uint16_t ADC_Voltage;
uint16_t DO;

int16_t readDO(uint32_t voltage_mv, uint8_t temperature_c)
{
#if TWO_POINT_CALIBRATION == 0
  uint16_t V_saturation = (uint32_t)CAL1_V + (uint32_t)35 * temperature_c - (uint32_t)CAL1_T * 35;
  return (voltage_mv * DO_Table[temperature_c] / V_saturation);
#else
  uint16_t V_saturation = (int16_t)((int8_t)temperature_c - CAL2_T) * ((uint16_t)CAL1_V - CAL2_V) / ((uint8_t)CAL1_T - CAL2_T) + CAL2_V;
  return (voltage_mv * DO_Table[temperature_c] / V_saturation);
#endif
}

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
}

void loop()
{
  Temperaturet = (uint8_t)READ_TEMP;
  ADC_Raw = analogRead(DO_PIN);
  ADC_Voltage = uint32_t(VREF) * ADC_Raw / ADC_RES;

  Serial.print("Temperaturet:\t" + String(Temperaturet) + "\t");
  Serial.print("ADC RAW:\t" + String(ADC_Raw) + "\t");
  Serial.print("ADC Voltage:\t" + String(ADC_Voltage) + "\t");
  Serial.println("DO:\t" + String(readDO(ADC_Voltage, Temperaturet)) + "\t");

  delay(1000);
}

上传完成后，打开串口监视器，设置波特率为115200，可以看到如下输出结果

Temperaturet:	25	ADC RAW:	215	ADC Voltage:	1049	DO:	5413	
Temperaturet:	25	ADC RAW:	214	ADC Voltage:	1044	DO:	5387	
Temperaturet:	25	ADC RAW:	214	ADC Voltage:	1044	DO:	5387	
Temperaturet:	25	ADC RAW:	213	ADC Voltage:	1040	DO:	5362	
Temperaturet:	25	ADC RAW:	213	ADC Voltage:	1040	DO:	5362
  • Temperaturet 温度
  • ADC RAW ADC原始读数
  • ADC Voltage ADC原始数据转换为电压值，单位mv
  • DO 溶解氧读数，单位μg/L，转换为常见的mg/L单位需要除以1000

校准原理

当温度固定时，电压与溶解氧浓度成线性关系。由于电极生产时的细微差异，需要先校准饱和溶解氧对应的电压，即可获得准确的数据。

但是饱和溶解氧受温度变化影响大，实际测量中也不可能长时间保持温度不变，因此需要考虑温度变化导致的溶解氧和饱和电压变化，并进行相应计算，提高精度。

饱和电压与温度大致关系如下图所示，需要测量两个不同温度下的饱和溶解氧电压，得到温度补偿曲线。
标准大气压下温度与饱和溶解氧对应关系已知，即可通过测量温度确定当前温度饱和溶解氧浓度和对应电压，进而计算溶解氧。

Mind+(基于Scratch3.0)图形化编程

  1. 下载及安装软件。下载地址：https://www.mindplus.cc 详细教程：Mind+基础wiki教程-软件下载安装
  2. 切换到“上传模式”。 详细教程：Mind+基础wiki教程-上传模式编程流程
  3. “扩展”中选择“主控板”中的“Arduino Uno”。 "扩展"“传感器”中搜索选择“模拟DO计”。详细教程：Mind+基础wiki教程-加载扩展库流程
  4. 进行编程，程序如下图：
  5. 菜单“连接设备”，“上传到设备”
  6. 程序上传完毕后，打开串口即可看到数据输出。详细教程：Mind+基础wiki教程-串口打印

常见问题

Q1. 如何配制饱和氧水？

  • A. 一般情况下，往蒸馏水里充空气冒泡20分钟。这样就会使空气与氧气在水中达到饱和，从而制出了100%的溶氧校准标液。

Q2. 如何配置无氧水？

  • A. 一般情况下，往蒸馏水里加亚硫酸钠直至亚硫酸钠饱和，消耗掉水中的氧气，从而制得无氧水。

Q3. 电极不使用了，如何保存？

  • A.
  • 短期(过夜或者一周): 装配好的电极应该存放在去离子水或蒸馏水中，防止填充液蒸发。任何不用的时候需要把它从仪器设备上拔下来。
  • **长期:**将电极的膜帽拧下来，用去离子水或蒸馏水冲洗电极芯（阴极：白金，阳极：铅）和膜帽组件。再用吸水纸将所有部件吸干。膜帽也可以放置电极上，但是它必须被存放在无填充液的状况下，以防止电极正极的消耗。把所有部件安全地保存在原有的电极盒里。

Q4. 如何配制电极填充液（氢氧化钠溶液（NaOH）,浓度为0.5mol/L）？

  • A. 在使用本传感器前，可能需要配置氢氧化钠溶液（NaOH）, 浓度为0.5mol/L，且每100mL氢氧化钠溶液中，添加1~2滴甘油。此溶液作为电极填充液，需要加入电极中，电极才能使用。如无法购买或配置好氢氧化钠溶液，本产品将不能正常使用！

Q5. 常见的故障有哪些？怎么处理？ |

  • A. 如果电极在无氧水中的读数不在零或不是非常接近零，请对电极芯头部（阴极）抛光。如果电极读数不在正常读数范围，或者电极读数漂移，请检测膜帽上的薄膜。如果膜帽上的薄膜有可看得见的破裂、穿孔、或污染，请更换膜帽。

更多问题及有趣的应用，可以 访问论坛 进行查阅或发帖。

温度 饱和溶解氧 对照表

更多资料

DFshopping_car1.png DFRobot商城购买链接

回到顶部