CN104568946A - 智能光纤ph传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水质PH测量的光纤传感器，主要包括光源模块、信号检测模块、信号处理模块。所述光源模块包括LED脉冲驱动电路、光耦合系统等。所述信号检测模块即光纤PH探头，包括光纤探针、敏感膜、反射镜、耦合器、金属外壳等。信号处理模块包括滤光片、滤波器、前置放大器、除法器、单片机等。发明采用双光路检测，取绿光为调制检测光，红光作参考光，和双光路光源相对应，信号检测为双通路，通过增加对比信号提高了检测精度。信号处理中增加温度、浊度补偿信号，提出了PH检测的温度浊度补偿校正模型，降低了因温度浊度变化带来的测量误差，提高了测量精度。发明实现了PH在线原位测量。

Description

智能光纤PH传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器，具体地是一种可用于水产养殖或是生活用水监测中测量PH值的传感器。

背景技术

我国的水产养殖技术水平基本代表了发展中国家的水平和发展方向，主要特点是：规模大，但仍以池塘自然生态条件下的养殖方式居多。在国内水产养殖的实际生产中，仍旧普遍缺乏对水质参数的实时监测，多是依靠现场取水样，然后带回实验室分析化验的方式进行，检测过程复杂，需要有专职化验员，费时费力，检测成本高，另外在检测过程中，需要使用多种化学药剂，其废液对环境有污染。最重要的是这种实验室分析的方法难以做到对水质的原位实时快速监测，既影响了测量的精度，又无法应对水质的突然变化，难以满足水产养殖信息化的要求。

因此，研制各种适用于水产养殖业的低成本的水质传感器，对水产养殖环境实施长期在线监测，是实现智能化健康养殖的基础，对于保障水产养殖高产、高效、安全、健康，实现水产养殖业的可持续发展具有重要的意义。

国内外pH值检测方法的研究较多，一般可分为人工比色法和化学传感器法。人工比色法属于传统的pH值检测方法，优点是简单易行，但精度相对较低，应用于非在线检测的环境下。国内外研究比较多的电化学水质传感器包括电极式和离子敏场效应管传感器两种。玻璃电极应用广泛成本低但性能不稳定易漂移，使用寿命短，抗干扰能力差，每次测量前都需要重新标定，准确性低。离子敏场效应管虽然应用广泛，测量方便，但存在一些局限，如：电极内阻和电阻温度系数高，电极响应时间长和存在离子的干扰，不能进行在线测量等。光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好，防爆，光路有可曲性，便于与计算机连接，结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。

光纤传感器通过将不同的指示剂和聚合物载体组合起来，使传感器的化学、物理、机械和光学特性随之发生变化，被测物浓度的变化会引起指示剂光谱特性的变化，通过测量光的吸收、反射和荧光度等参数来测量被测物。近年来， 虽然有些能够进行PH值检测的光纤传感器，但大都需要光谱仪对测量信号进行分析转换，成本昂贵且不便于携带，无法安装在应用环境中实现PH值的在线测量。因此，研究开发低成本的、环保的、能够实现在线监测的光纤pH水质传感器具有很重要的现实意义。

现有的光纤PH传感器大多是利用光谱仪对信号进行分析处理，如分析敏感膜所反射或透射的光信号的光学性质，如吸收率、反射率、荧光性、能量转移、折射率等，从而测出被测溶液的PH值。光谱仪成本高、不方便携带且只能用于实验室环境中，不能用于现场进行在线监测。现有的专利或文献中，没有成形的光纤PH传感器探头结构，大多是将敏感膜固定于光纤端面或是光纤侧面，结构不稳定且只能用于实验室环境中，不方便移植用于其它环境中，实用性不强。如中国专利文献CN102841080A公开了一种用于PH值和溶解氧测量的双参数光纤传感器，包括光源、光纤头、耦合器、培养皿、传感器探头、连接器、滤光片、光电器件、调理器、处理器以及调制器，传感器探头由光纤探针、Si层、聚合物基层和敏感膜组成。该测量装置虽灵敏度高、实现了双参数测量，但结构繁琐复杂，需要经过调理器、处理器以及调制器层层处理，集成度低且没有成型的装置，不易携带，不能将该系统移植到现场测量环境中进行长期在线监测。采用的频率域双寿命参比方法，通过测量信号的衰变时间(即寿命)来间接测量荧光强度，将荧光信号的寿命比转换成与被测参量浓度有关的相移信号，保证了测量的灵敏度，但专利中没有具体介绍测量该相移的方法。

发明内容

本发明公开了一种光纤PH传感器探头，针对目前不能将该系统移植到现场测量环境中进行长期在线监测问题，旨在提供一种用于PH值测量的传感器探头结构，使传感器结构简单、体积小便于携带、易于安置在被测环境中。

本发明的再一个目的是提供整个智能光纤PH传感器的设计，克服现有传感器需要光谱仪对测量信号进行分析转换，成本昂贵且不便于携带，无法安装在应用环境中实现PH值的在线测量的缺点，克服检测过程中因浊度或光源不稳定等影响带来的光强变化，设计出实现低成本的、能在线检测的光纤PH传感器。

本发明采用如下技术方案。

本发明提供一种用于PH值测量的光纤PH传感器探头，该探头包括光纤探 针、敏感膜、反射镜、耦合器，外壳和外栅格防护罩，光纤探针尾部固定于外壳中，光纤探针端部置于的外栅格防护罩中，外栅格防护罩设有进出水孔，外栅格防护罩与外壳连接；

光纤探针端部依次设有耦合器、敏感膜和反射镜，光纤探针尾部连接发送光纤束、接收光纤束，其中接收光纤束分为三路分别是红光信号接收束、绿光信号接收束和浊度补偿信号束；

外壳采用金属材料，能一定程度上屏蔽外界电磁信号干扰；耦合器使经过发送光纤束和接收光纤束的光汇聚，提高光信号质量；敏感膜固定在反射镜上，光路由发送光纤束经反射镜反射后到接收光纤束；外栅格防护罩为非透明的，采用金属材料，能防止环境光对测量结果的影响；整个光纤探针呈Y型，能节约空间缩小体积，使用中便于携带和安置。

敏感膜由有机固定载体和PH酸碱指示剂组成；有机固定载体为水凝胶，PH酸碱指示剂可含有两种：溴酚蓝指示剂和溴甲酚紫指示剂。

敏感膜可采用溶胶凝胶法制作，将有机化合物或无机化合物形成的溶液进行水解,在此过程中加入PH酸碱指示剂,溶液通过水解和缩聚反应形成溶胶,进一步的聚合反应形成凝胶,再经过热处理,蒸发掉溶剂和水分,最后形成凝胶膜即所需要的pH敏感膜，直接将敏感膜附着于光纤探针端部，再贴附反射镜，制备所得的光纤探针具有很好的可逆性和重现性。所述PH酸碱指示剂染料的变色范围如下：溴酚蓝指示剂的pH变色范围在水中为3.0～4.6，溴甲酚紫指示剂在水溶液中变色范围5.2～6.8。而二者在溶胶凝胶膜中的pH变色范围不同于水溶液，溴酚蓝指示剂变为4.0～7.5，溴甲酚紫指示剂变化为7.5～10.5。所以理论上混合可以测量pH之范围在4.0～10.5。

本发明还提供一种包含上述传感器探头的光纤PH传感器，该传感器包括控制模块、光源模块、信号检测模块和信号处理模块；

控制模块采用单片机；

光源模块包括驱动电路、光源；所述光源为LED白光光源；

检测模块采用上述传感器探头；检测模块还可包括磁力搅拌器；

信号处理模块包括红色滤光片、绿色滤光片、硅光电池、前置放大器、除法器、放大器、A\D转换器；信号处理模块采用双波长方式工作，所述滤红色滤光片为只允许波长为630nm红光通过的滤光片；所述绿色滤光片为只允许波长 为558nm绿光通过的滤光片；

光源模块受单片机的调制信号控制，控制信号为一系列频率可调的方波，经驱动电路放大后激发LED光源；

光信号由发送光纤束进入传感器探头，经反射镜反射后转到接收光纤束，光强信号分三路分别通过红光信号接收束、绿光信号接收束和浊度补偿信号束，其中，

通过红光信号接收束经红色滤光片、光耦合系统、硅光电池、滤波器、前置放大器之后为红光光强信号，

通过绿光信号接收束经绿色滤光片、光耦合系统、硅光电池、滤波器、前置放大器之后为绿光光强信号，

通过浊度补偿信号束经光耦合系统、硅光电池、滤波器、前置放大器之后为补偿光信号；

红光光强信号和绿光光强信号共同进入一级除法器后得到两路光强信号的比值信号R；比值信号再与补偿光信号共同进入二级除法器，得到二级比值信号，经放大器、A/D转换器后的数字信号送入单片机；单片机对数字信号分析处理后，所需测量结果送到显示器或传至上位机。

LED光源发出白光光源经过光纤探针、光耦合系统后，接收光纤束一分为三路，其中一路作为补偿信号，另外两路采用双波长工作方式；红光接收信号束传输部分散射光至红色滤光片，波长为630nm的红光通过；绿光接收信号束传输部分散射光至绿色滤光片，波长为558nm的绿光通过；红光、绿光分别经硅光电池检测，并将光强信号转换为大小与光强有关的电信号；两路信号经前置放大器放大后送入除法器，得到两路光强信号的比值信号R，该比值信号R与被测溶液的PH值有关，如下式所示，

$R=k\×{10}^{(\frac{c}{L}+10-\mathrm{\Δ})}$

式中，c、k为常数，L为光程长度，Δ＝pH-pK，其中pH是酸碱度，pK是酸碱平衡常数。

该比值信号R再同补偿光信号一同送入除法器，得到另一个比值信号，该比值信号除了与被测溶液的PH值有关之外，还排除了因浊度或光源不稳定等影响带来的光强变化，测量更准确。比值信号是模拟电压信号，经A/D转换器转 换为数字信号后，利用单片机显示或传至上位机，最终得到所需的测量结果。

本发明的有益技术效果：

本发明通过磁力搅拌器能使测量环境的温度恒定，克服了温度对测量结果的干扰。采用双光路检测，取558nm绿光作为调制检测光，630nm红光作参考光，和双光路光源相对应，信号检测为双通路，通过增加对比信号提高了检测精度。信号处理中增加温度、浊度补偿信号，提出了PH检测的温度浊度补偿校正模型，实现了智能浊度补偿矫正。排除了因浊度或光源不稳定等影响带来的光强变化，降低了因温度浊度变化带来的测量误差，提高了测量精度。

受单片机的调制信号控制，发光信号为一系列频率可调的方波，用方波信号代替连续信号激发光源，能节约能耗，延长LED寿命。耦合器能使经过发送光纤束和接收光纤束的光汇聚，提高光信号质量；金属外壳具有抗压抗腐蚀能力；金属外栅格防护罩能防止环境光对测量结果的影响。

本发明采用一种非接触的无创检测方式，采用微小尺寸的光学传感器结合光纤技术，构成光纤化学传感器。整个光纤探头呈Y型，能节约空间缩小体积，使用中便于携带和安置，且成本低易于携带和安装，可适用于狭小检测空间以及检测液体容量有限的场合，实现了PH在线原位测量。

附图说明

图1是传感器系统组成原理示意图。

图2是光纤PH传感器探头结构示意图。

图3是光纤PH传感器探头外形图。

图4是光纤PH传感器探头剖面图。

图中标记分别表示：

1-LED脉冲驱动电路，2-LED，3-光耦合系统A，

4-发送光纤束，5-光纤传感器探头，6-磁力搅拌器，7-红光信号接收束，8-绿光信号接收束，9-浊度补偿信号束，

10-红色滤光片，12-光耦合系统B，13-硅光电池B，14-滤波器B，15-前置放大器B，

11-绿色滤光片，16-光耦合系统C，17-硅光电池C，18-滤波器C，19-前置 放大器C，

20-一级除法器，21-光耦合系统D，22-硅光电池D，23-滤波器D，24-前置放大器D，

25-二级除法器，26-放大器，27-A/D转换器，28-单片机，29-显示模块，30-通信接口，31-上位机，

32-螺旋圧铆，33-金属外壳，34-光纤探针，35-耦合器，36-敏感膜，37-反射镜，38-外栅格防护罩密封圈，39-金属外栅格防护罩，40-外栅格进出水孔，41-圆形进出水孔，42-四芯电缆，43-外栅格防护罩底部，44-矩形电路板。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施例，对发明作进一步的说明。

如图1所示，本实施例的光纤PH传感器，主要包括控制模块、光源模块、信号检测模块、信号处理模块。

(一)由单片机28、显示模块29、通信接口30和上位机31构成控制模块；单片机28的调制信号控制光源模块发出光信号，并处理信号处理模块的数字信号；单片机28还通过通信接口30与上位机31连接，传输测量结果的数据，单片机28还与显示模块29连接，显示测量结果。

(二)由LED脉冲驱动电路1、LED 2和光耦合系统3构成光源模块；在LED脉冲驱动电路1的驱动下，LED 2发出白色光源。经单片机28调制信号控制光源LED 2发出光信号为一系列频率可调方波。

(三)由光纤传感器探头5和磁力搅拌器6构成信号检测模块；

如图2、3和4所示，光纤传感器探头主要包括光纤探针34，耦合器35，敏感膜36，反射镜37，金属外壳33，金属外栅格防护罩39；

光纤探针端部依次设有耦合器、敏感膜和反射镜；敏感膜36固定在反射镜37上；光纤探针尾部固定于外壳33中，光纤探针端部置于的外栅格防护罩39中；光纤探针尾部连接发送光纤束4和接收光纤束，其中接收光纤束分为三路分别是红光信号接收束7、绿光信号接收束8和浊度补偿信号束9；，

外栅格防护罩39的侧面设有外栅格进出水孔40、外栅格防护罩底部43设有圆形进出水孔41；外栅格防护罩39与金属外壳33的连接处有外栅格防护罩密封圈38；矩形电路板44位于光纤探针尾部的上方且固定在外壳33中，螺旋 圧铆32将四芯电缆42固定于金属外壳33上部。

光源模块的LED 2经光耦合系统A 3连接于发送光纤束4，并置于金属外壳33内。

(四)由红色滤光片10，绿色滤光片11，硅光电池13、17、22，前置放大器15、19、24，除法器20、25，A\D转换器27构成信号处理模块；

滤红色滤光片10为只允许波长为630nm红光通过的滤光片；绿色滤光片11为只允许波长为558nm绿光通过的滤光片；

红光信号接收束7经红色滤光片10，光耦合系统B 12，硅光电池B13，滤波器B 14、前置放大器B 15连接于一级除法器20，

绿光信号接收束8经绿色滤光片11，光耦合系统C 16，硅光电池C 17，滤波器C 18，前置放大器C 19连接于一级除法器20，

浊度补偿信号束9经光耦合系统D 21，硅光电池D 22，滤波器D 23，前置放大器D 24连接于二级除法器25；

一级除法器20连接于二级除法器25；二级除法器25再经放大器26，A\D转换器27连接于控制模块的单片机28。

信号检测模块中传感器探头的接收光纤束分三路，红光信号接收束7、绿光信号接收束8和浊度补偿信号束9分别连接于信号处理模块的红色滤光片10、绿色滤光片11和光耦合系统D 21；红色滤光片10、绿色滤光片11和光耦合系统D 21以及各自连接的硅光电池，置于金属外壳33内，再经矩形电路板44和四芯电缆42连接于滤波器。

LED 2发出白色光源，光信号为一系列频率可调方波，经过光耦合系统A3、发送光纤束4、光纤传感器探头5后，接收光纤束一分为三，其中之一作为浊度补偿信号束9，红光信号接收束7传输部分散射光至红色滤光片10，滤光片只允许波长为630nm的红光通过。绿光信号接收束8传输部分散射光至绿色滤光片11，这一滤光片只允许波长为558nm的绿光通过。红光信号和绿光信号分别经光耦合系统12、16后，分别经硅光电池13、17检测，并将光信号转换为大小与光强有关的电信号；两信号分别经滤波器14、18、前置放大器15、19放大后共同送入一级除法器20，得到两光强信号的比值，该比值信号与被测溶液的PH值有关，该比值信号再同补偿光信号一同送入二级除法器25，得到另一二级比值信号，该二级比值信号除了与被测溶液的PH值有关之外，还排除了因浊度 或光源不稳定等影响带来的光强变化，测量更准确。二级比值信号是模拟电压信号，经放大器26、A/D转换器27转换为数字信号后，利用单片机28显示29或通过通信接口30传至上位机31，最终得到所需的测量结果。

磁力搅拌器6能使测量环境的温度恒定，克服温度对测量结果的干扰。金属外壳33具有很好的抗腐蚀抗压能力，耦合器35能使经过发送光纤束4和接收光纤束的光汇聚，提高光信号质量，敏感膜36固定在反射镜37上，光路由发送光线经反射镜37反射后到接收光纤束，因而整个光纤PH探针5呈Y型，能节约空间缩小体积，使用中便于携带和安置。金属外栅格防护罩39能防止环境光对测量结果的影响；外栅格进出水孔40和圆形进出水孔41既能保证被测溶液和传感器探头充分接触充分反应，还用于屏蔽外界杂散光，减少外界杂散光对敏感膜36反射光的干扰；螺旋圧铆32和外栅格防护罩密封圈38能保证该传感器具有很好的防水性能，使传感器探头金属外壳33内部的电子器件与水完全隔离，能长期浸入水中工作，可以实现深水PH值的检测。所述敏感膜36由固定载体水凝胶和PH指示剂的溶胶溶液聚合反应形成。该敏感膜36采用溶胶凝胶法制作，固定酸碱指示剂所用的有机载体为水凝胶，所用PH指示剂染料的变色范围如下：溴酚蓝指示剂的pH变色范围在水中为3.0～4.6，溴甲酚紫指示剂在水溶液中变色范围5.2～6.8。而二者在溶胶凝胶膜中的pH变色范围不同于水溶液，溴酚蓝指示剂变为4.0～7.5，溴甲酚紫指示剂变化为7.5～10.5。所以理论上混合可以测量pH之范围在4.0～10.5。这样一来，通过固定两种不同测量范围的酸碱指示剂拓宽了光纤PH传感器的测量范围。矩形电路板44位于光纤传感器探头5的上方，整个传感器结构紧凑，能节约空间、缩小体积，使用中便于携带和安置。

综上，本发明是一种能实现在线水质PH值的检测的光纤PH值传感器。整个光纤传感器探头5呈Y型，能节约空间缩小体积，使用中便于携带和安置。在传感器的传感器探针中，使用浸渍法将多种PH指示剂形成的溶胶凝胶溶液固定于基材水凝胶表面，该敏感膜36测量范围宽，灵敏度高且响应速度快。为克服因浊度或光源不稳定等影响带来的光强变化，引入参比光纤对测量结果进行了浊度补偿，使测量结果更加精确。光源采用调制光，光信号为一系列频率可调方波；利用单片机28对其驱动电路进行控制，节约能耗且能延长LED寿命。整个光纤PH传感器结构简单，成本低，响应速度快，准确度高，稳定性好，总 体上能实现在线水质PH值监测的需求。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非因此局限本发明的专利范围，故凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光纤PH传感器探头，包括光纤探针(5)、敏感膜(36)、反射镜(37)、耦合器(35)，外壳(33)和外栅格防护罩(39)，光纤探针尾部固定于外壳(33)中，光纤探针端部置于的外栅格防护罩(39)中，外栅格防护罩设有进出水孔，外栅格防护罩(39)与外壳(33)连接；光纤探针端部依次设有耦合器、敏感膜和反射镜，光纤探针尾部连接发送光纤束(4)、接收光纤束，其中接收光纤束分为三路分别是红光信号接收束(7)、绿光信号接收束(8)和浊度补偿信号束(9)。

2.一种智能光纤PH传感器，包括控制模块、光源模块、信号检测模块和信号处理模块；

控制模块采用单片机(28)；

光源模块包括驱动电路、光源；

检测模块采用权利要求1所述传感器探头；

信号处理模块包括红色滤光片(10)、绿色滤光片(11)、硅光电池(13、17、22)、前置放大器(15、19、24)、除法器(20、25)、放大器、A\D转换器(27)。

3.如权利要求2所述智能光纤PH传感器，其特征在于，所述光源模块受单片机(28)的调制信号控制，控制信号为一系列频率可调的方波，经驱动电路放大后激发LED光源。

4.如权利要求2所述智能光纤PH传感器，其特征在于，

光信号由发送光纤束(4)进入传感器探头，经反射镜(37)反射后转到接收光纤束，光强信号分三路分别通过红光信号接收束(7)、绿光信号接收束(8)和浊度补偿信号束(9)，其中，

通过红光信号接收束(7)经红色滤光片(10)、光耦合系统、硅光电池、滤波器、前置放大器之后为红光光强信号，

通过绿光信号接收束(8)经绿色滤光片(11)、光耦合系统、硅光电池、滤波器、前置放大器之后为绿光光强信号，

通过浊度补偿信号束(9)经光耦合系统、硅光电池、滤波器、前置放大器之后为补偿光信号；

红光光强信号和绿光光强信号共同进入一级除法器后得到两路光强信号的比值信号R；比值信号再与补偿光信号共同进入二级除法器，得到二级比值信号，经放大器、A/D转换器后的数字信号送入单片机；单片机对数字信号分析处理后，所需测量结果送到显示器或传至上位机。

5.按照权利要求2所述智能光纤PH传感器，其特征在于，所述光源为LED白光光源。

6.按照权利要求2所述智能光纤PH传感器，其特征在于，信号处理模块采用双波长方式工作，所述滤红色滤光片(10)为只允许波长为630nm红光通过的滤光片；所述绿色滤光片(11)为只允许波长为558nm绿光通过的滤光片。

7.按照权利要求6所述智能光纤PH传感器，其特征在于，检测模块还可包括磁力搅拌器(6)。