CN100437088C - 多波长分光态二氧化碳自动监测装置 - Google Patents

Abstract

多波长分光态二氧化碳自动监测装置，涉及一种二氧化碳监测装置，尤其是涉及一种基于长光程液芯波导管的多波长分光态二氧化碳自动监测系统装置。提供一种功耗低，适合海洋现场使用环境，对水体或大气中的二氧化碳分压进行实时高精度自动监测的多波长分光态二氧化碳自动监测装置。设有光源总成、传感器总成、连接光源总成与传感器总成的光纤跳线C和连接传感器总成与光电检测放大器的光纤跳线D。光源总成设有发射光源、3片窄带干涉滤光片和3片聚焦透镜。传感器总成的内部为空心筒状形式，在空心筒两端的圆形壁上沿空心筒的轴心钻有两个用于穿过并固定传感器的核心部件—TEFLON AF2400管的小孔。

Description

多波长分光态二氧化碳自动监测装置

技术领域

本发明涉及一种二氧化碳监测装置，尤其是涉及一种基于长光程液芯波导管的多波长分光态二氧化碳自动监测系统装置。

背景技术

二氧化碳分压(pCO₂)和溶解氧(DO)是水环境中与生态状况联系紧密的两个重要指标，指示着生态系统中净生产力和呼吸作用的强度、水体受污染程度以及适于生物生长的状况。与此同时，由于CO₂是导致全球变暖的主要温室气体，与CO₂相关的研究是全球气候变化的研究热点。我国已启动的陆地生态系统的碳循环研究，并正在酝酿与海洋碳循环相关的研究计划，也急需发展对水中与空气中的二氧化碳分压(pCO₂)进行精确监测的传感器技术。

pCO₂的测定有滴定法、库仑法、气相色谱法以及目前被广泛使用的非色散红外法，但由于相关仪器功耗大且无法定时自动定标的原因，以及通常仪器设计的目标环境为实验室条件的缘故，难以满足展现大洋水中pCO₂微小变化和长期浮标监测的需要。

过去的十几年中，随着新型、廉价光学波导纤维的成功研制，也随着化学和生物等领域对传感器需求的增长，光纤化学传感技术得到了飞速发展。CO₂光纤化学传感器的一般原理是：样品中离子态或自由态的CO₂通过选择性透过膜进入光纤探头导致指示剂溶液pH值变化而使其中原有的敏感试剂发出荧光或引起透射光强度的变化，信号经光纤传导至检测器测量，此类传感器亦称为基于指示剂的光纤化学传感器。大部分传感器均将比色或荧光试剂封装在光导纤维的末端，用来封装试剂的膜起保护试剂、选择性透过样品等作用，样品的浓度可以简单地通过光强变化来定量。

采用聚四氟乙烯管-TEFLON AF2400型液芯波导系统进行液体样品的光谱研究具有相当高的探测灵敏度，主要是由于TEFLON AF2400特有的低光折射率1.29，低于绝大多数液体样品的折射率甚至是水(1.33)，所以液芯波导(LWCC)系统在液体样品的光谱研究中既作为吸收(比色)池，又作为理想的光纤存在，理想状态下光是以全反射折线光程的形式在TEFLON AF2400管中进行传播的，损耗仅取决于液芯介质损耗而无通常的漫射损耗，因而可利用来构建较一般吸收池长得多的吸收光程的光谱分析系统，以获得高的检测分辨率。近两年来，在弱信号领域拉曼光谱中，TEFLON AF2400亦获得了重点的研究与应用。

基于光谱分析与分光吸收类仪器的技术与检测方法若简单照搬应用于TEFLON AF2400液芯波导系统对CO₂浓度进行检测，则存在如下不适应现场环境的因素：

a.光源功耗较大或寿命较短。常用的钨灯、氘灯、氙灯、非半导体激光光源等，消耗电功率约为十瓦到数十瓦，钨灯、氘灯、氙灯的寿命为几百到2千小时。

b.采用单光源全光谱吸收，进而分离吸收分光光谱的技术，光学部件较为复杂，分离度与分光中心波长的准确度依赖光学传输部件的机械固定程度高，检测误差大且易受海洋环境盐雾、湿气及颠簸震动的影响，无法在海洋环境中长期稳定可靠地工作；采用单光源预分单色光束吸收技术存在可移动光学部件较多的问题且当需要对多波长吸收分光进行分析时，建立不同单色分光之间的时延太长，无法做到同步检测多单色光谱，分析值存在时延误差。

c.分光吸收值的幅值离散性在200～800μatm的二氧化碳分压全程检测范围内较大，受限于单光源发光光谱强度在不同波长的均匀分布(不同波长的发射光强无法单独调整)，其中一个分光吸收值可能超越总体预先设定观测检测限，无法保证同时高精度观测与分析多波长分光吸收值，比色剂浓度难以同时界定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功耗低，适合海洋现场使用环境，对水体或大气中的二氧化碳分压(pCO₂)进行实时高精度自动监测的多波长分光态二氧化碳自动监测装置。

本发明的另一目的在于建立一种与常规分光吸收类仪器不相同的多单色光源技术与分析方法的实用模型，而这种实用模型具有少的机械与光学传输部件，结构相对简单，且具有很高的采集数据分辨率与灵敏度，以及长时间工作的稳定性。

本发明设有光源总成与传感器总成，以及连接光源总成与传感器总成的光纤跳线，记为C，连接传感器总成与光电检测放大器的光纤跳线，记为D。

光源总成设有：

发射光源，选自3只超高亮度发光二极管，发射光强均大于2500mcd，中心波长分别为432、620和740nm，分别对应于指示剂-缓冲溶液体系对高浓度CO₂的敏感的酸态吸收、对低浓度CO₂的敏感的碱态吸收以及对200～800μatm全程检测限内的CO₂浓度不敏感态；

3片窄带干涉滤光片，分别设置于发光二极管前端，并分别对应于相对的发光二极管的发射光谱的中心波长；

3片聚焦透镜，分别设置于3片窄带干涉滤光片前，经窄带干涉滤光片限宽与修正后的单色光束由聚焦透镜聚焦并汇聚于焦点处。

传感器总成的内部为空心筒状形式，在空心筒两端的圆形壁上沿空心筒的轴心钻有两个用于穿过并固定传感器的核心部件--TEFLON AF2400管的小孔，在小孔与TEFLON AF2400管壁的结合处涂敷环氧树脂胶，沿空心筒轴心安装的TEFLON AF2400管被固定并形成传感器总成的两个套接的、相互隔绝的管状通道，其内通道为TEFLON AF2400管通道，为指示剂-缓冲溶液的存储与更换流通渠道；外通道为空心筒，是海水或气体样的流通通道，内、外通道均由输入端口与输出端口与外部连接。

RMMA光纤跳线C，两端各露出裸芯，一端裸芯的末梢置放于聚焦透镜的焦点处，用于引入三单色光束；另一端用于插入传感器核心部件TEFLON AF2400管内，432nm、620nm以及740nm的三单色光束经由光纤跳线C引入TEFLON AF2400液芯波导管中。

PMMA光纤跳线D，一端露出的裸芯插入传感器核心部件TEFLON AF2400管的另一端，用于将经传感器核心部件TEFLON AF2400液芯波导吸收管内的液态样品吸收后的单色光引出，并经光纤跳线D导入光电检测放大器供检测。

光源总成的3片窄带干涉滤光片分别设置于发光二极管前端，并分别对应于相对的发光二极管的发射光谱的中心波长，光束穿过窄带干涉滤光片后其光谱的半波宽度从原来的大约50nm降为约10nm，即Δfn≈10nm，从而使光束的光谱符合分析级单色光的要求。具体应用中Δfn(432nm)＝8，Δfn(620nm)＝8，Δfn(740nm)＝9；

3片聚焦透镜分别设置于3片窄带干涉滤光片前，经窄带干涉滤光片限宽与修正后的单色光束由聚焦透镜聚焦并汇聚于焦点处。具体应用中焦点位于聚焦透镜前28.3mm处，准确设计与制作的3片聚焦透镜的焦点为空间的同一点。

传感器总成的内部为空心筒状形式，空心筒长120mm，筒径为8mm。沿空心筒轴心安装的TEFLON AF2400管被固定并形成传感器总成的两个套接的、相互隔绝的管状通道中。通常在应用中，内通道的输入端与恒量脉冲泵的输出口连接(恒量脉冲泵的输入口串接试剂袋或纯水袋)，内通道的输出端与废液回收袋连接。外通道的输入端口与水泵或气泵连接，外通道的输出端口为出水或出气口；

传感器核心部件TEFLON AF2400管可以是一根长150mm的空心管(两端各露出传感器总成空心筒两端的圆形壁约10mm)，内径0.6mm，外径0.81mm。管壁具有可渗透气体的性质且它的光折射率约为1.29，小于水的折射率1.33及绝大部分溶液的折射率。432nm、620nm和740nm的单色光经管内注满的指示剂-缓冲溶液进行传输时，仅发生符合吸收光度定义的改变而无逸出光损耗。TEFLON AF2400管6在传感过程中是以全反射折线光程形式传播光束的，所以吸收光程大于管长，作为液芯波导吸收管具有极高的检测灵敏度。

实用中，RMMA光纤跳线C的两端各露出20mm长度、直径为0.5mm的裸芯。一端裸芯的末梢准确置放于聚焦透镜的焦点处，用于引入三单色光束；另一端用于方便地插入内径为0.6mm的传感器核心部件TEFLON AF2400管内。而PMMA光纤跳线D的一端露出20mm长度、直径为0.5mm的裸芯，插入传感器核心部件TEFLON AF2400管的另一端，用于将经传感器核心部件TEFLON AF2400液芯波导吸收管内的液态样品吸收后的单色光引出，并经光纤跳线D导入光电检测放大器供检测。

由于TEFLON AF2400管具有的波导性质，近二、三年获得了部分科研单位与大专院校研究机构的关注，在许多领域进行了尝试与研究，但多局限于简单地对现成光学仪器的外围结构进行改进的实验室学术研究。采用TEFLON AF2400液芯波导系统，应用分光吸收法对CO₂分压进行检测的完整的新技术实用模型未见提及与报道，使用单位仍然沿用成熟的非色散红外法对CO₂分压进行检测。本发明的应用可开辟CO₂分压实用检测技术的另一条有效途径，与现有技术相比，本发明的显著优点是：

1)精度高，响应速度快，能免校正长期自动运行。容易开发出无人值守条件下的自动监测系统，如应用于海洋大型浮标对海洋表层的水、气CO₂进行长期自动监测。

2)独立的分光光源体系，可单独调整不同分光光源的发光功率，解决不同分光吸收值幅值离散性较大而无法实时同步检测的问题，指示剂-缓冲溶液调制匹配容易。

3)光学部件简单，不需要转动与不断调整，可实施紧固工艺，无机械因素带来的检测误差。

4)低功耗，整个完整的检测系统功耗可控制在6瓦以内，大大低于使用非色散红外法对CO₂进行检测的仪器，更适应野外现场环境使用条件。

附图说明

图1为基于TEFLON AF2400液芯波导管的二氧化碳自动监测系统与光源环路控制原理图。在图1中，各部分的标记如下：

分析系统A：窄带光源总成，B：传感器总成，C：光纤跳线，D：光纤跳线；

部件：A1：高亮度发光二极管，A2：窄带干涉滤光片，A3：聚焦透镜，B1：TEFLON AF2400波导管；

1：恒量脉冲泵，2：试剂袋，3：空白纯水袋，4：废液回收袋，5：海水泵或气体泵，6：被吸收光检测放大器，7：微处理器，8：反比例控制光源功率的控制与驱动电路。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明可与检测和微处理器控制系统及辅助技术电路组成一种能提供在无人值守的情况下长期对水体或大气中的二氧化碳分压(pCO₂)进行实时高精度自动监测的检测系统。本发明包括：

1)窄带光源总成A，发射光源采用超高亮度的发光二极管A1，一共3只，发射光强均大于2500mcd，中心波长分别为432nm、620nm和740nm。超高亮度的发光二极管是近十年来发展最快的光源，具有高效与低功率损耗的特点，其使用寿命为常用光源的100倍以上。它同时具有发射光谱窄带的特性，通常情况下半波宽度约为50nm，虽然它还未达到化学分析级的标准。

为使入射传感器的光束带宽达到分析级标准(≤10nm)，在每颗超高亮度的发光二极管的前端各固定放置了对应于其发射光中心波长的窄带干涉滤光片A2，使穿过窄带干涉滤光片后的光束半波宽度降到分析级的水平。具体指标为：fn＝432nm，Δfn＝8；fn＝620nm，Δfn＝8；fn＝740nm，Δfn＝9。

选用的3只超高亮度的发光二极管A1沿光源发射方向中心轴线的光发散角为12.5度，采用焦距为28.3mm的聚焦透镜A3固定于窄带干涉滤光片A2前，则经窄带干涉滤光片A2限宽与修正后的单色光束将在聚焦透镜A3前2.83cm处产生焦点F。

为使3束单色光集聚于同一焦点F，在同一平面上以焦点F为始点作3条直线通孔(

)，相邻直线通孔间的角度为15度，每条直线通孔上距离焦点28.3mm处各安装1片聚焦透镜A3，然后继续延伸并按次序安装窄带干涉滤光片A2和相对应的超高亮度的发光二极管A1。

将1根裸芯直径为0.5mm的PMMA光纤跳线C一端的末端准确置于焦点上并予以固定。

将所有的超高亮度的发光二极管A1、窄带干涉滤光片A2、聚焦透镜A3与光纤跳线C的末梢全部安装与固定在称为“窄带光源总成”的黑色ABS塑料模块A内。

经“窄带光源总成”产生的432nm、620nm和740nm的单色光最终全部经由PMMA光纤跳线C接收、传输并导入传感器基础核心部件TEFLON AF2400管B1中。

2)传感器总成B，采用的PMMA光纤跳线对432nm、620nm和740nm的单色光具有平坦的传输特性与低的介质损耗。把连接“窄带光源总成B”的PMMA光纤跳线C的另一端，裸露出长约20mm的裸芯，直接插入TEFLON AF2400管B1内的一端，将由“窄带光源总成”产生的单色光简单且十分有效地引入传感器，同时留下的裸芯与TEFLON AF2400管B1内径的差异间隙，作为更换缓冲溶液的注入(出)口。采用同样的方法，用另一根相同的光纤跳线D，连接TEFLON AF2400管B1的另一端和光电检测放大器6。

传感器总成分为沿TEFLON AF2400管B1形成的两个空心的管状内、外通道BT1和BT2并相互隔绝。内通道BT1为指示剂-缓冲溶液的更换流通渠道，内与TEFLON AF2400管内相通，外经接口与恒量脉冲泵1、试剂袋2(或空白纯水袋3)、废液回收袋4相连。在设定的定时时间间隔周期启动恒量脉冲泵1，将对TEFLON AF2400管B1内的指示剂-缓冲溶液进行自动更新。外通道BT2为海水或气体样品的流通通道，经海水泵或气体泵5抽取的水样或气样由接口流入传感器总成并与TEFLON AF2400管B1外壁产生充分接触，携带的CO₂分压含量渗透到TEFLON AF2400管B1内与碳酸盐体系的缓冲溶液发生水合、离解、显色等反应。

在6s时间内，依次开启432nm、620nm和740nm的单色光(每个单色光打开时间为2s)，光电检测放大器6依次检测到经连接光纤传导来的相对应的经液芯波导吸收池吸收后的单色光，微处理器7把它们作为三通道的原始检测数据予以保留、存储以备处理。

经海水泵或气体泵5抽取的水样或气样流经TEFLON AF2400管B1外壁，样品中的CO₂透过管壁渗透到指示剂，和指示剂溶液充分混合，并在一定时间内和外部CO₂达到平衡且存在平衡关系式：

[H⁺]³+([Na⁺]-K_a C_HIn/(K_a+[H⁺]))[H⁺]²-(K₁K_hpCO₂+k_w)[H⁺]-2K₁K₂K_hpCO₂＝0

其中，K₁、K₂分别为碳酸的一级和二级离解平衡常数，K_h为亨利常数，K_a为指示剂离解平衡常数，C_HIn是指示剂的总浓度，[Na⁺]是指示剂溶液中Na⁺离子的浓度，K_w是水的离解平衡常数。由上述平衡关系式可得出指示剂溶液中H+浓度和样品中pCO₂的关系；可见，只要测定指示剂溶液的pH值，理论上就可由各平衡常数计算样品的pCO₂。

由上述关系式作为本发明系统的原始检测数值分析的理论基础，具体的标定(参数与系数的确定)过程是：对已经充满空白液体(纯水)的TEFLON AF2400管B1，测得432nm、620nm和740nm的分光光度值作为空白检测值并予以保留；建立不同CO₂分压浓度的标准气体并注入已经充满指示剂-缓冲溶液的TEFLON AF2400管外层通道中，待完全响应后(2min)，测得432nm、620nm和740nm的分光光度值。由空白检测值与标样检测值、指示剂-缓冲体系的水合离解平衡方程及多波长分光光度法计算方程得出传感器对应于CO₂标样的响应值，然后通过检测不同浓度CO₂标样建立标准工作曲线。

由微处理器定时器控制的超高亮度的发光二极管光源，每2min打开1次，每次6s每光源2s。时间与时序的安排既保证了响应时间，又保证了实时性。

在图1中还给出相关的检测与微处理器控制系统及辅助技术电路，其组成和原理如下：

具有固定增益的高分辨率硅光电检测放大器6用于对经吸收池样品吸收后输出的单色光进行光电转换并进行检测放大。应用的采样电阻即可变增益电阻的典型值为1G欧姆，配合的光电转换器件为S1226-44BQ型硅光电二极管(Hamamatsu Corp.Japan)，可获得稳定的低至10^-6Lx光照度的检测下限。本发明在检测过程中与量程自动扩展的转换过程中并未对这个1G欧姆做任何阻值的改变，所以光电检测放大器6的增益是固定的，前置输入回路仅为串联有采样电阻的一个环路，环路数达到最小。因此，合理应用电子制作工艺制造的光电检测放大器部件对光信号的检测灵敏度可达到或接近硅光电二极管噪声等效功率的检测限。

本发明作为一种能提供在无人值守的情况下长期对水体或大气中的二氧化碳分压(pCO₂)进行实时高精度自动监测的检测系统，虽然采用了消除同步检测多波长幅值离散性大的不利因素的技术与参比检测值替代方案，即可控制与可单独调整的多光源分光技术与不敏感态740nm分光光源，使得系统在一段较长的时间内是免须校正的。但随着系统使用时间的延长，TEFLON AF2400管内壁将附着指示剂-缓冲溶液中的杂质及本身的结晶附着与沉积，它会使TEFLON AF2400管壁的反射光形式发生变化，结果使得光束通过TEFLON AF2400液芯波导池时损耗增加，输出光信号下降，偏离了建立的标准工作曲线。同时由于传感器安装平台(如浮标)的机械振动、碰撞等也可能使光路发生细微改变，造成各波长之间的信号强度比例发生改变，从而使传感器的响应偏离安装前建立的标准工作曲线。下列提供的辅助设施与技术，可校正这种偏离。

a.额外提供的空白试剂(纯水)。它存储在空白试剂袋3中，在系统连续使用一段较长时间后，由微处理器7自动启动恒量脉冲泵(试剂泵)1抽入TEFLON AF2400管B1中，用于重新标定空白检测值。

b.应用一种“反比例控制光源功率的吸收光检测量程自动扩展电路”，它能通过反比例改变光源功率达到自动扩展吸收光检测量程的目的。可有效检测因结晶或沉淀、或其他任何因素造成的使光电检测放大器落入临界截止状态(如上述发生的光的额外吸收与逸出损耗)或临界饱和状态的信息，并自动恢复光电检测放大器重新工作于放大区。

参见图1，“反比例控制光源功率的吸收光检测量程自动扩展技术”采用以下部件组成。

微处理器系统7，采用PIC16F77单片机。微处理器系统设有A/D转换器、检测数值上/下限判别电路、检测数值N倍乘运算电路和上限/下限溢出脉冲发生器。其中，A/D转换器输入端接光电检测放大器的检测数值模拟信号输出端。用于1)将硅光电检测放大器输出的光电检测数值进行A/D转换；2)对检测数值的上/下限进行判别；3)当检测数值超越上限值或下限值时，生成上限溢出脉冲或下限溢出脉冲，由相应I/O口输出；4)检测数值上/下限判别电路同时控制检测数值N倍乘运算电路：当检测数值未发生上/下限溢出时，关闭N倍乘运算功能，检测数值未经乘法运算而直接输出；当检测数值发生上限溢出时，开启N倍乘运算功能，检测数值须经N倍乘法运算后才输出(此状态即N倍量程的扩展状态)；当检测数值在N倍量程的扩展状态下发生下限溢出，则再度关闭N倍乘运算功能，检测数值恢复直接输出而不再进行N倍乘法运算(即回到量程未扩展的状态)。

微处理器对上述数值运算的控制具有“记忆”的功能，即未发生数值溢出时，先前的数值运算法则将持续进行下去。仅当发生数值溢出时(生成溢出脉冲时)，数值运算法则才发生相应的改变并继续保持改变后的数值运算法直到产生新的数值溢出。

反比例控制光源功率的控制与驱动电路8，具有：

1)三路量程自动扩展记忆电路，由移位寄存器(可采用MN4194集成电路)与输出缓冲门组成。移位寄存器右移输入端接微处理器上限溢出脉冲输出端，移位寄存器左移输入端接微处理器下限溢出脉冲输出端。当微处理器产生上限溢出脉冲时，移位寄存器的输出状态发生逻辑状态为“1”的右移变化；当微处理器产生下限溢出脉冲时，移位寄存器的输出状态发生逻辑状态为“1”的左移变化；当微处理器未产生任何溢出脉冲时，移位寄存器的输出状态保持不变。从而自动与微处理器系统的检测数值N倍乘运算电路同步工作在或者为量程未扩展的状态，或者为N倍量程的扩展状态，且同样具有“记忆”的功能。

移位寄存器的输出状态经输出缓冲门控制电子开关的导通或断开，本发明中当发生N倍量程的扩展时，电子开关是导通的；当量程未被扩展时，电子开关是断开的。

2)脉冲宽度占空比例整定电路，由时基电路组成，典型应用为时基集成电路NE555。在电子开关断开的情况下，即量程未扩展状态，它产生基准脉冲，其脉冲占空比例通常为50％(预先设定)。当发生量程扩展时，电子开关导通，可精确调整的电阻网络并入决定脉冲占空比的RC充电电路(时基集成电路的外围电路)，使得RC充电时间变短，从而改变了生成脉冲在脉冲周期中的占空比例。精确调整经电子开关接入的电阻网络，可使生成脉冲的占空比为原基准脉冲占空比的N分之，即原基准脉冲的占空比例为50％时，电子开关的导通则使得下级脉冲占空比/脉冲发生器产生的脉冲的占空比例变为1/N×50％。

3)光源功率控制电路，用于在频率脉冲作用下，提供具有良好工作稳定性的光源的脉冲驱动，其输入端接脉冲占空比/脉冲发生器的输出端，输出端接光源(发光二极管或激光二极管)，电路组成为具有良好温度稳定性的负反馈型共集电极功率驱动电路。组成电路提供给光源的脉动直流电流大小几乎不受使用环境温度与光源负载大小的影响，而仅取决于设计上对负反馈元件的给定。因而，在光源的脉动直流电流工作点恒定的情况下，发光二极管或激光二极管光源的发光功率与驱动脉冲的脉冲占空比呈线性的正比例关系。利用这种线性的比例关系实施对光源的反比例控制，即实现了当光电检测量程需要扩展时对光源发光功率的反比例控制功能。

由上述a，b，c单元组成的“反比例控制光源功率的控制与驱动电路8”具有功能完全相同的三个组成电路，分别对432nm、620nm和740nm中心波长的LED光源进行独立的光源功率的反比例控制，彼此之间互不干扰，因而可仅用一个固定增益的高分辨率硅光电检测放大器实现实时三路吸收光检测量程的N倍自动扩展。它们的区分与处理是由微处理器系统7进行控制的。

显然，若微处理器预先设定的上、下限值分别代表光电检测放大器的线性区域与饱和区域、线性区域与截止区域的临界点，则当检测数值大于上限值时，固定增益的光电检测放大器已经工作在饱和区，让光源发光功率依N比例减小，可使检测工作点“下拉”回到光电检测放大器的线性区域；当检测数值小于下限值时，光电检测放大器已经工作在截止区，让光源发光功率恢复原来的强度，可使检测工作点“上拉”回到光电检测放大器的线性区域。

因此，确切地说，应用上述部件组成的“反比例控制光源功率的光检测量程自动扩展电路”是一种自动地进行检测数值的判别然后让脱离光电检测放大器检测线性放大区域的工作点自动回到线性放大区域的智能技术应用，但它最大的特点是运用了“虚拟”技术。在N倍量程自动扩展的转换过程中，光电检测放大器的线性区域并未被真正向上延伸了N倍而是始终保持原设计的线性区域不变，但我们在理论上可以把N倍量程的延伸直线视为“虚线线性区域”、技术上认为检测放大器的线性检测能力是无限的，检测到实际检测数值然后应用N倍率进行等效换算获得精确的等效结果。

综上所述，本发明是一种不同于广泛使用的非色散红外光度法对水体或大气中的二氧化碳分压(pCO₂)进行检测的技术。传感器基础核心部件是TEFLON AF2400(DuPont Company，USA)管，管中注满了指示剂-缓冲溶液，组成可选择性渗透气体的液芯波导管。它既作为比色池又作为液芯波导光纤传导检测光，所以可建立比通常分光光度仪吸收(比色)池长得多的吸收光程以获得高的检测灵敏度。采用的技术与检测方法除匹配其特殊性外，充分考虑了海洋浮标环境的使用条件，所以与常规分光光度仪的检测技术相比较有很大的不同且系统的功耗极低。

Claims (10)

1、多波长分光态二氧化碳自动监测装置，其特征在于设有光源总成、传感器总成、连接光源总成与传感器总成的光纤跳线C和连接传感器总成与光电检测放大器的光纤跳线D；

光源总成设有：

发射光源，选自3只超高亮度发光二极管，发射光强均大于2500mcd，中心波长分别为432、620和740nm，分别对应于指示剂-缓冲溶液体系对高浓度CO₂的敏感的酸态吸收、对低浓度CO₂的敏感的碱态吸收以及对200～800μatm全程检测限内的CO₂浓度不敏感态；

3片窄带干涉滤光片，分别设置于发光二极管前端，并分别对应于相对的发光二极管的发射光谱的中心波长；

3片聚焦透镜，分别设置于3片窄带干涉滤光片前，经窄带干涉滤光片限宽与修正后的单色光束由聚焦透镜聚焦并汇聚于焦点处；

传感器总成的内部为空心筒状形式，在空心筒两端的圆形壁上沿空心筒的轴心钻有两个用于穿过并固定传感器的核心部件--TEFLON AF2400管的小孔，在小孔与TEFLON AF2400管壁的结合处涂敷环氧树脂胶，沿空心筒轴心安装的TEFLON AF2400管被固定并形成传感器总成的两个套接的、相互隔绝的管状通道，其内通道为TEFLON AF2400管通道，为指示剂-缓冲溶液的存储与更换流通渠道；外通道为空心筒，是海水或气体样的流通通道，内、外通道均由输入端口与输出端口与外部连接；

光纤跳线C的两端各露出裸芯，一端裸芯的末梢置放于聚焦透镜的焦点处，用于引入三单色光束；另一端用于插入传感器核心部件TEFLON AF2400管内，432nm、620nm以及740nm的三单色光束经由光纤跳线C引入TEFLON AF2400管中；

光纤跳线D的一端露出的裸芯插入传感器核心部件TEFLON AF2400管的另一端，用于将经传感器核心部件TEFLON AF2400管内的液态样品吸收后的单色光引出，并经光纤跳线D导入光电检测放大器供检测。

2、如权利要求1所述的多波长分光态二氧化碳自动监测装置，其特征在于光源总成的3片窄带干涉滤光片分别设置于发光二极管前端，并分别对应于相对的发光二极管的发射光谱的中心波长，光束穿过窄带干涉滤光片后其光谱的半波宽度Δfn≈10nm。

3、如权利要求2所述的多波长分光态二氧化碳自动监测装置，其特征在于所述的Δfn为Δfn(432nm)＝8nm，Δfn(620nm)＝8nm，Δfn(740nm)＝9nm。

4、如权利要求2所述的多波长分光态二氧化碳自动监测装置，其特征在于所述的焦点位于聚焦透镜前28.3mm处，3片聚焦透镜的焦点为空间的同一点。

5、如权利要求1所述的多波长分光态二氧化碳自动监测装置，其特征在于所述的传感器总成内部的空心筒长为120mm，筒径为8mm。

6、如权利要求1所述的多波长分光态二氧化碳自动监测装置，其特征在于内通道的输入端与恒量脉冲泵的输出口连接，内通道的输出端与废液回收袋连接，外通道的输入端口与水泵或气泵连接，外通道的输出端口为出水或出气口。

7、如权利要求1所述的多波长分光态二氧化碳自动监测装置，其特征在于传感器核心部件TEFLON AF2400管为长150mm的空心管，两端各露出传感器总成空心筒两端的圆形壁为10mm，内径为0.6mm，外径为0.81mm。

8、如权利要求1或7所述的多波长分光态二氧化碳自动监测装置，其特征在于所述的TEFLON AF2400管管壁具有可渗透气体的性质且它的光折射率为1.29。

9、如权利要求1所述的多波长分光态二氧化碳自动监测装置，其特征在于所述的光纤跳线C的两端各露出20mm长度、直径为0.5mm的裸芯。

10、如权利要求1所述的多波长分光态二氧化碳自动监测装置，其特征在于所述的光纤跳线D的一端露出20mm长度、直径为0.51mm的裸芯。

Images