CN105579831A

CN105579831A - 多通道荧光传感器及其使用方法

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Publication number: CN105579831A
Application number: CN201480052888.1A
Authority: CN
Inventors: R·H·班克斯; E·托克图夫
Original assignee: Ecolab USA Inc
Current assignee: Ecolab USA Inc
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: CL2016000679A1; EP3049790A4; WO2015048378A1; CN105579831B; MX2016003692A; NZ717631A; BR112016006681B1; CA2924482A1; US9618450B2; EP3049790B1; JP2016536573A; AU2014324844A1; US20150090900A1; CA2924482C; AU2014324844B2; EP3049790A1; JP6616290B2; BR112016006681A2; MX350930B

Abstract

一种光学传感器可包括多个光学发射器，这些光学发射器被构造成经由光学路径将光射入流体样本中。来自发射器的光可致使从样本荧光发出和/或被样本散射。可经由光学路径由传感器中的光学检测器接收被散射的光和荧光发出的光，并且使用该光来确定流体样本的至少一种特性。第二光学检测器可提供对发射到样本的光的量的参考测量值。在一个示例中，光学检测器可同时检测被散射的光和荧光发出的光。在另一个示例中，光被交替地发射和检测。传感器可以是包括一个或多个控制器的系统的一部分，控制器被构造成控制发射和检测进出流体样本的光。控制器可使用检测到的光来确定流体样本的至少一种特性。

Description

多通道荧光传感器及其使用方法

技术领域

本公开涉及光学测量装置，更特别地，涉及用于监测样本中的一种或多种物质的浓度的荧光计。

背景技术

在清洁和抗菌操作中，商业用户(例如，饭店、宾馆、食品饮料工厂、杂货店等)依赖于清洁或抗菌产品的浓度使产品有效地工作。若清洁或抗菌产品无法有效工作(例如，由于浓度问题)，则可能造成商业用户察觉到产品质量变低。终端消费者还可能认为这些产品的商业提供方提供劣质服务。另外，政府监管和卫生机构可能对商业用户进行调查和/或制裁。因此，需要一种可监测流体溶液的特性(例如，确定产品的浓度是否在指定浓度范围内)的系统。对于诸如商业和工业水处理、防治虫害、饮料和瓶装操作、油气精炼加工操作等的其它应用而言，同样如此。

监测产品浓度的一种方法依赖于监测当样本(和样本内的产品)被暴露于预定波长的光时出现的产品的荧光。例如，产品内的化合物或添加在产品中的荧光示踪剂会在暴露于特定波长的光时发荧光。然后，可使用测量化合物的荧光并且基于测得的荧光计算化学品浓度的荧光计来确定产品的浓度。

一般，荧光光谱需要将来自辐射光源的光导向样本，然后在检测器处从样本接收光。为了这样做，辐射光源和检测器必须与样本进行光学通信。在现有系统中，用光学方式触及样本会是成本很高的过程，需要对系统进行大量改造并且执行这种改造需要大量的停工时间。

发明内容

总体上，本公开涉及用于监测流体样本的荧光计和技术。在一些示例中，根据本公开的荧光计包括：第一光学发射器，其被构造成在被分析的流体样本中产生荧光发射；第二光学发射器，其被构造成在被分析的流体样本中测量散射的量。荧光计还可包括接收从流体样本发射的荧光和/或被流体样本散射的光的至少一个检测器。在操作期间，检测器可检测从被分析的流体样本发射的荧光量，接着荧光计可基于荧光来确定流体样本中的发荧光物质的浓度。荧光计还可检测经被分析的流体样本散射的光量并且基于散射光确定被分析的流体样本的其它性质。例如，荧光计可确定被分析的流体样本中的未发荧光物质的浓度。又如，荧光计可调节基于光散射信息检测到的荧光的量，例如，以解释流体浊度对测得的荧光发射的强度的作用。

为了有助于提供容易安装并且防污的紧凑型荧光计设计，荧光计可由单个光学透镜构成，通过该光学透镜将光发射到被分析的流体样本中并且从被分析的流体样本接收光。荧光计可包括外壳，所述外壳包含第一光学发射器、第二光学发射器和至少一个检测器。第一光学发射器、第二光学发射器和至少一个检测器可布置在外壳内，使得所有组件都与单个光学透镜进行光学通信(例如，可引导光通过光学透镜和/或从光学透镜接收光)。通过用单个光学透镜构造荧光计，光学发射器可将光导入与光学透镜相邻的流体的部分并且检测器可从基本相同的部分接收光。这样可有助于避免不同的光学发射器将通过流体不同部分的光发射通过物理分开的光学透镜时会出现的不一致光学读数。另外，通过用单个光学透镜构造荧光计，可提供在多个不同应用中可利用的相当紧凑的荧光计设计。例如，根据设计，荧光计外壳可被构造成被插入流体容器的口、管道T段的腿部、或工艺系统的其它机械配件中。这样可使荧光计作为在线荧光计能被容易地安装，从而光学地监测该过程。

荧光计设计可以改变，而在一些额外示例中，荧光计包括一个或多个补充传感器，补充传感器被构造成测量被分析的流体样本的非光学特性。例如，荧光计可包括温度传感器、pH传感器、电导率传感器、流速传感器、压力传感器、和/或任何其它合适类型的传感器。这些补充传感器可具有位于荧光计外壳的外表面上(例如，与荧光计的光学透镜相邻)的传感器接口，而传感器电子器件则设置在外壳内。补充传感器可测量被荧光计光学分析的流体的基本相同的部分的非光学性质。通过测量被分析的流体的光学性质和非光学性质二者，相比于如果只测量流体的光学或非光学性质，可更准确地检测并且控制利用流体的过程。

在一个示例中，描述了一种光学传感器，所述光学传感器包括外壳、第一光学发射器、第二光学发射器和光学检测器。根据该示例，所述外壳限定光学路径，所述光学路径被构造成引导光通过与所述光学路径光学耦接的光学窗口进入流体样本并且从所述流体样本接收光。所述第一光学发射器被构造成发射第一波长的光，使第一波长的光通过所述光学路径进入所述样本。所述第二光学发射器被构造成发射第二波长的光，使第二波长的光通过所述光学路径进入所述样本。另外，所述光学检测器被构造成通过所述光学路径从所述流体样本接收光。

在一些实施例中，第一波长和第二波长使得第一波长激发样本中的荧光，而第二波长被样本散射。检测器可检测从样本荧光发出的光，以确定样本的特性(诸如，荧光团的浓度)。在一些实施例中，检测器还测量被样本散射的光，以确定会对其荧光起作用的样本的其它性质(诸如，样本的浊度)。可使用这些示例中检测到的被散射光的量来调节检测到的荧光量和相应的基于检测到的荧光发射而确定的任何流体特性。例如，高浊度的流体样本可产生比较低浊度的流体样本更少的荧光发射，即使高浊度的流体样本具有更高浓度的荧光团。如果流体样本中的浊度阻碍了原本会被荧光计检测到的荧光发射，则会发生这种情况。因此，通过获悉流体样本的浊度，可相应地调节从流体样本检测到的荧光发射。

根据本公开的光学传感器可具有大量不同的检测器构造。在一个示例中，光学传感器包括单个光学检测器，所述光学检测器接收从被分析的流体样本发射的荧光发射并且还接收经被分析的流体样本散射的光。光学检测器可通过安装在光学检测器外壳的外表面上的单个光学透镜接收光。在这样的示例中，光学传感器可交替地在被构造成产生散射光的第二光学发射器关闭时由被构造成产生荧光发射的第一光学发射器发射光，然后在第一光学发射器关闭时由第二光学发射器发射光。在这些示例中，单个光学检测器可交替地接收响应于来自第一光学发射器的光从流体样本发射的荧光发射和响应于来自第二光学发射器的光被流体样本散射的光，从而为同一光学检测器提供不同的检测通道。在其它示例中，光学传感器包括多个光学检测器，所述多个光学检测器包括被构造成测量响应于来自第一光学发射器的光从流体样本发射的荧光发射的一个光学检测器以及被构造成测量响应于来自第二光学发射器的光被流体样本散射的光的第二光学检测器。在这些示例中，第一光学发射器和第二光学发射器可同时将光射入流体样本中。

在一些额外示例中，光学传感器包括参考检测器，参考检测器被构造成在来自第一光学发射器和第二光学发射器的光入射到样本上之前检测光。以这种方式，可确定入射到样本上导致散射和荧光的光的量。可使用这个信息来衡量检测到的被散射和荧光发出的光，因为被散射和荧光发出的光的量一般随着入射到样本上的光量的变化而变化。因此，在使用时，参考检测器可用于校准检测器并且为第一光学检测器进行的测量提供参考点。

在各种实施例中，光学传感器包括光学路径，通过光学路径将光从光学发射器导向样本并且从样本导回光学检测器。包括部分反射型光学窗口和滤波器的各种光学组件可将光向着其期望的目的地引导，同时防止不相干的光干扰测量。可设置额外的光学路径引导光进出这些光学组件。例如，在一些实施例中，光学传感器包括部分反射型光学窗口，部分反射型光学窗口用于将来自第一光学发射器和第二光学发射器二者的光的一些部分导向第二光学检测器(例如，参考检测器)并朝向光学路径。在这些实施例中，另一个部分反射型光学窗口可将来自各发射器的光的一部分经由光学路径向着样本引导。在一些实施例中，被样本散射和/或荧光发出的光通过光学路径行进返回并且通过部分反射型光学窗口向着第一光学检测器透射。

在一个示例中，描述了一种系统，该系统包括光学传感器和控制器。光学传感器包括具有光学路径的外壳，所述光学路径被构造成引导光通过与所述光学路径光学连接的透镜进入被分析的流体样本并且通过所述透镜从所述流体样本接收光。所述光学传感器还包括第一光学发射器、第二光学发射器和光学检测器。根据示例，所述控制器被构造成：控制所述第一光学发射器发射第一波长的光，使第一波长的光通过所述光学路径进入所述被分析的流体样本；借助所述光学检测器检测所述流体样本发射的并且通过所述光学路径接收的荧光发射；控制所述第二光学发射器发射与所述第一波长不同的第二波长的光，使第二波长的光通过所述光学路径进入所述被分析的流体样本；以及由所述光学检测器检测被所述流体样本散射的并且通过所述光学路径接收的光。

在另一个示例中，描述了一种方法，所述方法包括：由第一光学发射器发射第一波长的光，使第一波长的光通过光学路径进入流体样本；用光学检测器通过所述光学路径接收所述流体样本发射的荧光发射。所述方法还包括由第二光学发射器发射不同于所述第一波长的第二波长的光，使第二波长的光通过所述光学路径进入所述流体样本；以及由所述光学检测器通过所述光学路径接收被所述流体样本散射的光。各种方法包括同时地或者(可替代地)交替地发射第一波长的光和第二波长的光二者。在一些实施例中，在从第一光学发射器发射光的同时进行接收从样本荧光发出的光，而在替代实施例中，接收从样本荧光发出的光是在第一光学发射器停止发射之后进行的。

在附图和下面的描述中说明了一个或多个示例的细节。通过说明书和附图以及通过权利要求书，将清楚其它特征、目的和优点。

附图说明

图1是示出根据本公开的示例的可包括光学传感器的示例流体系统的示图。

图2是可确定流体样本的至少一种特性的示例光学传感器的框图。

图3是可用于图2的光学传感器的组件的示例布置的示意图。

图4是示出示例光流过图3的光学传感器的概念图。

图5A和图5B示出可用于图2的光学传感器中的示例光学检测器布置。

图6A至图6D示出可用于图2的光学传感器的示例光学传感器外壳和组件布置。

图7是示出传感器的示例性操作的过程流程图。

图8A至图8E是示出按照本公开构造的示例传感器的示例光学数据的曲线。

具体实施方式

下面的详细描述本质是示例性的，并不旨在以任何方式限制本发明的范围、可应用性或构造。确切地，下面的描述提供了用于实现本发明示例的一些实际例示。针对所选择的元件提供构造、材料、尺寸和制造工艺的示例，并且采用在本发明领域内的普通技术人员已知的所有其它元件。本领域的技术人员将认识到，所示的示例中的很多都具有各种合适的替代例。

光学传感器用于各种应用，包括监测工业过程。光学传感器可被实现为用于周期性分析工业过程中流体的光学特性的便携式、手持装置。可替代地，光学传感器可被在线安装，以连续分析工业过程中流体的光学特性。在任一种情况下，光学传感器可以光学分析流体样本并且确定流体的不同特性(诸如，流体中的一种或多种化学物质的浓度)。

作为一个示例，在工业清洁和消毒应用中常常用到光学传感器。在工业清洁和消毒过程期间，通常，通过工业管道系统抽吸水，以冲洗管道系统中的滞留在管道中的产品和积累在管道内的任何污染物。水还可包含用于对管道系统进行消毒和杀菌的消毒剂。清洁和消毒过程可准备让管道系统接收新产品和/或与之前在系统上处理的产品不同的产品。

可使用光学传感器监测在工业清洁和消毒过程期间流过管道系统的冲洗和/或消毒水的特性。连续地或者间隙地，从管道系统中提取水的样本并且将样本传递到光学传感器。在光学传感器内，光发射到水样本内并且用于评价水样本的特性。例如，通过确定水样本中是否有极少的残留产品或者没有残留产品，光学传感器可确定管道系统中的残留产品是否已从管道中充分冲洗掉。例如，通过测量消毒剂响应于发射到水样本内的光而发射的荧光信号，光学传感器还可确定水样本中的消毒剂的浓度。如果确定在水样本中的消毒剂的量不足以恰当消毒管道系统，则增加消毒剂的量，以确保对系统进行适当消毒。

光学传感器可具有各种不同构造，而在一些示例中，光学传感器被设计成具有单个光学透镜，光通过该光学透镜发射到流体样本中并且也通过该光学透镜从流体样本接收光。光学传感器可包括容纳传感器的各种电子组件的外壳并且还具有控制光移动进出该单个光学透镜的光学路径。这种布置可有助于紧凑型光学传感器的设计，该光学传感器可容易地通过各种机械管道和工艺配件安装，以在光学上分析所需的工艺流体。

图1是示出示例流体系统100的概念图，可使用流体系统100产生具有荧光性质的化学溶液，诸如，表现出荧光性质的消毒剂溶液。流体系统100包括光学传感器102、贮存器104、控制器106和泵108。贮存器104可存储浓缩的化学试剂，该浓缩的化学试剂可以与稀释剂(诸如水)共混以产生化学溶液或者可以是待表征的样本的任何其它来源。光学传感器102光学连接到流体路径110并且被构造成确定通过流体路径行进的溶液的一种或多种特性。

流体路径110可以是携带流体样本通过流体系统100的单个流体容器或容器的组合，包括(但不限于)管道、罐、阀、丁字管道和接头等。在一些情形下，流体路径110的一个或多个组件可限定大小被确定成接收或以其它方式与光学传感器102接合的接口或开口。在操作中，光学传感器102可与控制器106通信，而控制器106可基于光学传感器产生的流体特性信息来控制流体系统100。

控制器106与光学传感器102和泵108通信连接。控制器106包括处理器112和存储器114。控制器106借助连接116与泵108通信。光学传感器102生成的信号借助有线或无线连接被传达至控制器106，在图1的示例中，所述有线或无线连接被图示为有线连接118。存储器109存储用于运行控制器106的软件并且还可存储由处理器112生成的或者例如从光学传感器102接收的数据。处理器112运行存储器114中存储的软件，以管理流体系统100的操作。

如以下更详细描述的，光学传感器102被构造成光学分析流过流体路径110的流体的样本。光学传感器102可包括被定位和构造成测量由流体样本发射的荧光发射的光学检测器。在一些构造中，可使用单个光学检测器测量来自样本的散射和荧光二者并且可借助传感器102中的单个光学路径接收被散射的光和荧光发出的光。可额外地使用单个光学路径将诱发散射和荧光的光导向样本，从而在传感器102和样本之间提供紧凑且空间有效的接口。在传感器102和样本之间提供单个光学通信点还可简化在流体系统100中实现传感器102的方式，例如通过提供可以容易地与流体路径110的一个或多个组件(诸如，管道中的丁字管道)接合的传感器。

在图1的示例中，流体系统100被构造成产生或者以其它方式接收具有荧光性质的化学溶液。流体系统100可将存储在贮存器104内或者从贮存器104接收的一种或多种浓缩的化学试剂与水或其它稀释流体结合，以制作化学溶液。在一些情形下，稀释不是必要的，因为贮存器直接提供适宜的样本。流体系统100可制作的示例化学溶液包括(但不限于)清洁试剂、消毒试剂、用于工业冷却塔的冷却水、诸如杀虫剂的生物杀灭剂、抗腐蚀剂、抗垢剂、防污剂、洗衣精、就地清洗(CIP)清洁剂、地面涂料、车辆护理组合物、水护理组合物、洗瓶组合物等。

通过流体系统100产生的或者流过流体系统100的化学溶液可响应于被光学传感器102导入溶液中的光学能来发射荧光辐射。光学传感器102然后可检测发射的荧光辐射并且基于发射的荧光辐射的幅度来确定溶液的各种特性，诸如，溶液中的一种或多种化学化合物的浓度。在一些实施例中，光学传感器102可借助光学传感器102内的光学路径将光能导向溶液并且从溶液接收荧光辐射，从而使光学传感器102具有紧凑设计。

为了使光学传感器102能检测到荧光发射，流体系统100产生的并且由光学传感器102接收的流体可包括表现出荧光特性的分子。在一些示例中，流体包括可表现出荧光特性的、具有一个或多个取代供电子基团(诸如，例如，-OH、-NH₂和-OCH₃)的多环化合物和/或苯分子。根据应用，因为这些化合物赋予溶液的功能性质(例如，清洁和消毒性质)，这些化合物可自然存在于由流体系统100产生的化学溶液中。

作为天然发荧光化合物的补充或替代，流体系统100产生的并且由光学传感器102接收的流体可包括荧光示踪剂(也可被称为荧光标记)。荧光示踪剂可被专门加入流体中，用于赋予流体发荧光的性质。示例荧光示踪剂化合物包括(但不限于)萘二磺酸盐(NDSA)、2-萘磺酸、酸性黄7、1,3,6,8-芘四磺酸钠盐和荧光素。

独立于通过流体系统100产生的流体的特定组分，系统可用任何合适的方式产生流体。在控制器106的控制下，泵108可机械地从贮存器104中抽吸限定量的浓缩化学试剂并且将化学试剂与水结合，以产生适于所期望的应用的液体溶液。接着，流体路径110可将液体溶液传送到期望的排放位置。在一些示例中，流体系统100可在一段时间(诸如，例如，大于5分钟的时间段、大于30分钟的时间段、或甚至大于24小时的时间段)内连续地产生液体溶液流。流体系统100可连续地产生溶液，在这段时间内，经过流体路径110的溶液流可基本上或完全地不中断。

在一些示例中，监测流过流体路径110的流体的特性可有助于确保针对期望的下游应用适宜地配制流体。监测流过流体路径110的流体的特性还可提供反馈信息，例如，用于调节产生新流体溶液所使用的参数。出于这些和其它原因，流体系统100可包括用于确定系统产生的流体的各种特性的传感器。传感器可直接与流体路径110接合以监测流体特性，或者可以可替代地独立于流体路径110地从流体系统100接收流体。

在图1的示例中，流体系统100包括光学传感器102。光学传感器102可按许多方式与流体路径110接合，诸如与流体路径110中的管道内的丁字构造接合、插入流体周期性流过的罐或其它流体容器的端口等等。光学传感器102可确定流过流体路径110的流体的一种或多种特性。示例特性包括(但不限于)流体内的一种或多种化学化合物的浓度(例如，从贮存器104添加的一种或多种活性剂的浓度和/或从流体系统100中的管道冲洗掉的一种或多种材料的浓度)、流体的温度、流体的传导性、流体的pH、流体移动通过光学传感器的流速、和/或可有助于确保分析流体样本的系统操作得当的流体的其它特性。光学传感器102可经由连接118将检测到的特性信息传达到控制器106。

可由控制器106或流体系统100内的一个或多个其它控制器来控制光学传感器102。例如，光学传感器102可包括控制光学传感器将光射入被分析流体中并且还检测从流体接收回的光的装置控制器(图1中未示出)。装置控制器可与光学传感器的其它组件物理相邻地定位，诸如，定位在容纳光源和光学传感器的检测器的外壳内。在这些示例中，控制器106可用作与光学传感器102的装置控制器通信耦接的系统控制器。系统控制器106可基于从装置控制器接收的和/或由装置控制器产生的光学特性数据来控制流体系统106。在其它示例中，光学传感器102不包括单独的装置控制器，取而代之的是受到也控制流体系统100的控制器106的控制。因此，尽管光学传感器102一般被描述为受控制器106控制，但应该理解，流体系统100可包括单独工作或组合工作的一个或多个(例如，两个、三个或更多个)控制器，以执行本公开中的属于光学传感器102和控制器106的功能。被描述为控制器的装置可包括处理器，诸如，微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或任何其它的等效的集成或离散逻辑电路、以及这些组件的任何组合。

在图1中示出的示例中，控制器106的处理器112可从光学传感器102接收确定的光学特性信息并且将确定的特性信息与存储在存储器114中的一个或多个阈值(诸如，一个或多个浓度阈值)进行比较。基于该比较，控制器106可调节流体系统100，例如，使得检测到的特性与特性的目标值匹配。在一些示例中，控制器106启动和/或停止泵108或者增大和/或减小泵108的速率以调节流过流体路径110的化学化合物的浓度。启动泵108或增大泵108的操作速率可增加流体中的化学化合物的浓度。停止泵108或减小泵108的操作速率可减小流体中的化学化合物的浓度。在一些额外示例中，控制器106可基于确定的特性信息来控制(例如通过启动或停止控制水流动的泵或者通过增大或减小泵的操作速率)与贮存器104中的化学化合物混合的水的流动。尽管在图1的示例流体系统100中未示出，但控制器106还可与热交换器、加热器、和/或冷却器通信耦接，以基于从光学传感器102接收的特性信息来调节流过流体路径110的流体的温度。

在其它示例中，光学传感器102可用于确定没有流过光学传感器的流动腔室的固定体积的流体的一种或多种特性。例如，光学传感器102可被实现为离线监测工具(例如，手持传感器)，需要用从流体系统100人工提取的流体样本来填充光学传感器。可替代地，光学传感器102可与流体系统100的一部分接合，该部分被构造成接收并且保持固定体积的流体，诸如，止流装置、或者说用于接收流体并且与光学传感器102接合的外部容器。在一些实施例中，控制器106可控制泵和/阀的系统，引导待测量的有限量的样本进入配备有传感器102的这样的固定容器内。

图1的示例中的流体系统100还包括贮存器104、泵108和流体路径110。贮存器104可以是存储用于随后传递的化学试剂的任何类型的容器，包括例如罐、装运箱、瓶和盒。贮存器104可存储液体、固体(例如，粉末)和/或气体。泵108可以是供应来自储存器104的流体的任何形式的抽吸机制。例如，泵108可包括蠕动泵或其它形式的持续泵、正排量泵、或适合于特定应用的任何其它类型的泵。在贮存器104存储固体和/或气体的示例中，可用不同类型的计量装置取代泵108，该计量装置被构造成将气体和/或固体化学试剂传递到期望的排放位置。流体系统100中的流体路径110可以是任何类型的柔性或非柔性管材、管道或导管。

在图1的示例中，光学传感器102确定流过流体路径110的流体的特性(例如，化学化合物的浓度、温度等)并且控制器106基于确定的特性和例如存储器114中存储的目标特性来控制流体系统100。图2是可安装在流体系统100中用于监测流过流体路径110的流体的特性的示例光学传感器202的框图。传感器202可用作流体系统100中的光学传感器102，或者传感器202可用于不同于流体系统100的其它应用中。

在图2的示例中，传感器202包括外壳203、第一光学发射器220、第二光学发射器224、光学窗口228和光学检测器234。外壳203容纳第一光学发射器220、第二光学发射器224和光学检测器234。光学窗口228定位在外壳203的外表面上，以提供外壳的内部和与外壳外表面接触的流体样本230中的流体之间的流体密封的、透光屏障。在操作中，第一光学发射器220和第二光学发射器224发射光，所述光通过光学窗口228导入被分析的流体样本230内。响应于射到与光学窗口228相邻的流体上的、第一光学发射器222和/或第二光学发射器224发射的光，流体可以散射光和/或产生荧光发射。被散射光和/或荧光发射可以通过光学窗口228以被光学检测器234检测。

为了控制进出光学窗口228的光透射，光学传感器202包括至少一个光学路径226，光学路径226将光学传感器的各个组件光学连接到被分析的流体样本230。光学路径226可引导第一光学发射器220和第二光学发射器224发射的光，所以光被从光学发射器引导通过光学透镜228，进入流体样本230。光学路径226还可引导从流体样本230接收的光通过光学窗口228，所以光被导向光学检测器234。当如此构造时，第一光学发射器220和第二光学发射器224可定位在外壳203的内部以将光导入光学路径226，而光学检测器234可定位在外壳的内部以从光学路径接收光。此布置可使光学传感器202能具有单个光学透镜，多个光源发射光通过该光学透镜并且还通过该光学透镜从被分析的流体样本接收光并且进行检测。这可以有助于例如使光学传感器202的大小最小化，使得传感器足够紧凑，便于被安插进适配在包含用于分析的流体的一件工艺设备中的机械管道。

光学传感器202可包括任何合适数量的光学路径，这些光学路径将容纳在外壳203内的各种发射器和检测器组件经由光学窗口228光学连接到被分析的流体样本。在图2的示例中，光学传感器202在概念上被图示为具有第一光学路径226和第二光学路径236。第二光学路径236光学连接到第一光学路径226并且还光学连接到第一光学发射器220和第二光学发射器224。第二光学路径236可从第一光学发射器220和第二光学发射器224接收光并且将光导向第一光学路径226，进而引导光通过光学窗口228进入被分析的流体样本230。通过将光学传感器202构造成具有额外的光学路径，光学传感器中的各种光发射器和检测器可以光学连接到被分析的流体样本，而不是直接与第一光学路径226相邻地定位。

光学传感器202中的光学路径可以是通道、导光管材(例如，光纤线路)的片段、或使光能通过光学传感器传送的管道。光学路径还可以是在光学传感器的外壳203中加工或铸造而成的。在不同的示例中，光学路径可以被或不被光学不透明材料包围，所述光学不透明材料例如用以限定通过光学路径的光移动边界并且防止光通过光学路径的侧面逸出。当光学传感器202包括多个光学路径时，一个光学路径与另一个光学路径的相交之处可以被限定在线性行进通过所述一个光学路径的光需要改变方向以行进通过所述另一个光学路径之处。

在图2的示例中，光学传感器202包括至少一个光源，并且在图示的示例中，被示出为具有两个光源：第一光学发射器220和第二光学发射器224。第一光学发射器220和第二光学发射器224各自是光源并且可使用诸如激光、灯、LED等任何合适的光源来实现。在一些实施例中，第一光学发射器220和/或第二光学发射器224被构造成将基本上未准直的光束射入光学路径226。在这种情况下，光学传感器202可包括将来自第一光学发射器220和/或第二光学发射器224的光准直以在操作期间实现较高光学效率的光学组件。

将光学传感器202构造成具有多个光源可用于例如将不同波长的光射入流体样本230中。例如，第一光学发射器220可被构造成将第一波长范围内的光射入流体样本230中，以在流体内产生荧光发射。第二光学发射器224可被构造成发射不同于第一波长范围的第二波长范围内的光，以测量被流体样本230散射的光的量。

与光学传感器202中包括的特定数量的光源无关的是，光学传感器包括光学窗口228，通过光学窗口228将光导入流体样本230中并且从流体样本230接收光。在一些示例中，光学窗口228将被导入被分析的流体样本中和/或从被分析的流体样本接收的光聚焦。在这些示例中，光学窗口228可被称为光学透镜。在其它示例中，光学窗口228传递被导入流体样本中和/或从流体样本接收的光，而不聚焦光。因此，尽管在本公开中光学窗口228也被称为光学透镜228，但应该理解，按照本公开的光学传感器可具有聚焦光或不聚焦光的光学窗口。

光学窗口228与光学路径226光学连接，并且在一些示例中，光学窗口228物理连接于光学路径的末端端部。在不同的示例中，光学窗口228由能够将光导入流体样本230中并且从流体样本230接收光的单个透镜或透镜的系统形成。光学窗口228可以与外壳203形成一体(永久附接)或者可被从外壳拆下。在一些示例中，光学窗口228是由定位在光学路径226内的球面透镜形成的光学透镜，以密封光学路径并且防止来自流体样本230的流体进入光学路径。在这些示例中，球面透镜可从外壳203的外部面向远侧延伸，例如，延伸到流体的移动流中。光学透镜228可由玻璃、蓝宝石或其它合适的透光材料构成。

如以上简要提到的，光学路径226被构造成引导光通过与光学路径光学连接的光学窗口228并且还通过光学窗口228从流体样本接收光。为了检测从被分析的流体样本接收的光，光学传感器202包括与光学路径226光学连接的至少一个光学检测器234。例如，可使用任何适于检测光的检测器(诸如，固态光电二极管或光电倍增器)来实现光学检测器234。光学检测器234可以只对窄波长带敏感，并因此只检测窄波长带。可替代地，光学检测器234可以对大范围的光波长敏感，并因此检测大范围的光波长。

在操作期间，光经由与光学路径226光学连接的光学窗口228射入流体样本230中。窗口228可额外地从流体样本230收集光，诸如，借助被样本散射或诸如荧光的机制由样本发射的光。这样的光可被从流体样本230引导经由光学窗口228回到光学路径226并且被光学检测器234接收。

为了控制传感器202中由光学发射器发射的和/或由光学检测器检测的光的波长，光学传感器可包括光学滤波器。光学滤波器可过滤由光学发射器发射的和/或由光学检测器接收的光的波长，例如使得只有特定波长的光被射入流体样本230和/或从流体样本接收并且被光学检测器234检测。

例如，传感器202可包括光学滤波器232，光学滤波器232被构造成防止从流体样本230接收的不相干的光射到光学检测器234上。如果期望检测到特定波长或波长带但是光学检测器234对于较宽的带或者说对于很多波长敏感，则光学滤波器232可用于防止除所需带以外的光射到光学检测器234上。光学滤波器232可吸收或反射不能通过它的光。

根据一些实施例，第一光学发射器220和第二光学发射器224中的一个可发射期望的或可用于与传感器202一起使用的较宽波长带，如以下将更详细说明的。因此，光学传感器202可包括设置在第一光学发射器220和/或第二光学发射器224与流体样本230之间的滤波器222。滤波器222可被构造成防止特定波长的光经由光学路径226到达流体样本230。这样的滤波器222可被定位以至少部分过滤来自第一光学发射器220和第二光学发射器224中的一者或二者的光。例如，在图2中，光学滤波器222被示出为设置在第一光学发射器220和第二光学路径236之间。

在操作期间，光学传感器202可控制第一光学发射器220将第一波长(例如，波长范围)的光射入流体样本230中，控制第二光学发射器224将第二波长(例如，波长范围)的光射入流体样本中，并且在光学检测器234处接收来自流体样本的光。根据一些实施例，第一光学发射器220被构造成发射波长足以致使被分析的流体样本230中的分子发荧光的光。流体样本230发出的荧光可被光学窗口228收集并且作为发射光束导入光学路径226。另外，第二光学发射器224可被构造成发射波长足以致使被分析的流体样本230发生光散射的光。当流体样本230混浊并且例如包含反光颗粒时，会出现这种光散射。被流体样本230散射的光可被光学窗口228收集并且作为散射光束被引导回到光学路径226。

尽管波长可以改变，但在一些示例中，第一光学发射器220被构造成发射从大致225纳米(nm)至大致700nm(诸如，从大致250nm至大致350nm，或者从大致265nm至大致290nm)的波长范围内的光。第二光学发射器224可发射从大致750nm至大致1200nm(诸如，从大致800nm至大致900nm)的波长范围内的光。例如，第一光学发射器220可发射紫外(UV)光谱内的光，而第二光学发射器224发射红外(IR)光谱内的光。其它波长也都在预料中并且可行，应该理解，本公开在这方面不受限制。

为了检测从被分析的流体样本230发出的光(例如，荧光发射、光散射)，图2的传感器202还包括光学检测器234。光学检测器234与光学路径226光学连接并且可接收来自被分析的流体样本230的透射通过光学窗口228的荧光发射光束和散射光束的至少一部分。在进入外壳203时，荧光发射光束和散射光光束的被接收到的部分可经由光学路径226导向光学检测器，以进行测量和/或分析。在一些实施例中，光束的强度由光学检测器234来测量并且用于确定关于样本的信息，诸如，包含在其中的特定成分(例如，发荧光的化合物和/或不发荧光的化合物)的浓度。从流体样本接收的并且由光学检测器234检测的散射光和荧光发射所携带的关于被分析的流体样本的信息可提供不同的信息通道，例如，用于表征流体样本和/或控制包含流体样本的系统。

例如，光学传感器202可使用光学检测器234检测到的光散射信息，以调节或校正光学传感器检测到的荧光发射的量和/或基于测得的荧光发射进行的计算。被分析的流体样本的混浊度可以影响由流体样本产生的和/或由光学检测器234接收的荧光发射的幅度。光学传感器202可通过测量流体样本中的混浊度的量(可与被流体样本散射的光的量成正比)并且基于混浊度测量调节测得的荧光发射的幅度来补偿这些混浊效应。另外，光学检测器234可测量响应于第二光学发射器224发射的光而被流体样本230散射的光的量并且确定流体样本的其它特性。例如，光学传感器202可基于被流体样本散射的光的量和例如存储在存储器中的校准数据，确定流体样本中的非发荧光物质(例如，污染物)的浓度。例如，如果被分析的流体样本230具有第一浓度的一种或多种非发荧光化学化合物，则光学检测器234可检测第一幅度的被散射光。然而，如果流体样本具有大于第一浓度的第二浓度的一种或多种非发荧光化学化合物，则光学检测器234可检测大于第一幅度的第二幅度的被散射光。

光学传感器202包括至少一个(可选地，多个)光学检测器，以检测响应于第一光学发射器220和/或第二光学发射器224发射的光从流体样本230接收的光。为了测量第一光学发射器220和/或第二光学发射器224射入被分析的流体样本230中的光的量，光学传感器202还可包括至少一个参考检测器。参考检测器可被定位在外壳203内并且被构造成测量第一光学发射器220和/或第二光学发射器224发射的光。响应于第一光学发射器220和/或第二光学发射器224发射的光从流体样本230接收的光的量可基于第一光学发射器和第二光学发射器原本发射的光的量而改变。因此，参考检测器进行的光测量可用来调节光学检测器234进行的光测量。

在图2的实施例中，光学传感器202包括可用作参考检测器的第二光学检测器238。第二光学检测器238与第二光学路径236光学通信并且被构造成从第二光学路径236接收光。在一些实施例中，第二光学检测器238被构造成例如以交替顺序从第一光学发射器220和第二光学发射器224二者接收光。这样的光可在第二光学检测器238测量，以确定传感器的操作状况、校准传感器、或者执行与传感器关联的任何其它可用功能。在示例性实施例中，第二光学检测器238可检测从第一光学发射器220接收的光，然后检测从第二光学发射器224接收的光。光学传感器202然后可确定从两个光学发射器发射的光之间的相对强度或强度比率。这个信息可用来补充所确定的有关被分析的流体样本的信息，诸如，调整基于与第一光学检测器234所接收的光确定的流体特性。

光学传感器202被构造成测量被分析的流体样本230的至少一种光学特性。为了补充光学传感器202产生的光学特性信息，传感器可包括被构造成测量被分析的流体样本230的非光学性质的一个或多个非光学传感器。非光学传感器硬件/软件可被容纳在外壳203内并且包括延伸通过外壳的外表面的接触件(例如，与光学透镜228相邻)，用于测量被分析的流体样本的非光学性质。举例来说，光学传感器202可包括温度传感器、pH传感器、电导率传感器和/或流速传感器。当在使用时，温度传感器可感测与传感器相邻的流体的温度；pH传感器可确定与传感器相邻的流体的pH；电导率传感器可确定与传感器相邻的流体的导电率；流速传感器可监测流过传感器的流体的速率。在一个示例中，光学传感器202既包括温度传感器又包括电导率传感器。光学传感器202可包括额外或不同的非光学传感器，本公开不限于利用任何特定类型的非光学传感器的光学传感器。

图2的传感器202可具有很多不同的物理构造。图3是可用于图2的光学传感器的组件的示例布置的示意图。图3示出用于测量流体样本的至少一种性质的传感器302。类似于图2的传感器，传感器302包括第一光学发射器320和第二光学发射器324。第一光学发射器320和第二光学发射器324可包括任何适宜的光源，包括以上有关图2所讨论的那些光源。在操作期间，第一光学发射器320可发射第一波长的光而第二光学发射器324可发射第二波长的光。第一波长可以是与第二波长相同的波长或波长范围，或者第一波长可以是与第二波长不同的波长或波长范围。根据应用，第一光学发射器320和第二光学发射器324可发射紫外(UV)、红外(IR)和/或可见光光谱内的光。在如上所述的一些示例中，第一波长可致使被分析的流体样本(例如，流体样本230)中的分子激发并且发荧光，而第二波长可经被分析的流体样本230散射。

另外，第一光学发射器320和/或第二光学发射器324的一者或二者可以除了期望发射的第一或第二波长的光之外，还发射不必要或不相干的光。为了防止这样的光会不期望地影响测量，传感器302可包括第一光学滤波器322，第一光学滤波器322被构造成限制第一光学发射器320射入被分析的样本内的光。图3的实施例示出定位在第一光学发射器320和部分反射型光学窗口342之间的第一光学滤波器322。当流体样本发射荧光时，第一光学滤波器322可被构造成过滤掉例如在流体样本发射的荧光范围内的基本上所有波长的光。这样的滤波器322可有助于消除由于与荧光发射相同的波长范围内的光的散射导致的传感器中的检测器334的错误荧光检测。例如，如果第一光学发射器320将要发射由被分析的流体样本产生的荧光发射的波长内的光，则光学检测器334可能既检测流体样本产生的荧光发射，又检测第一光学发射器320发射的并且被散射回到光学检测器334的光。光学滤波器322可过滤掉第一光学检测器334发射的在荧光发射的波长范围内的光。

图3的示例中的传感器302还包括外壳303，外壳303容纳传感器的各种硬件/软件组件并且控制光移动通过传感器。在一些实施例中，外壳303容纳第一光学发射器320和/或第二光学发射器324中的全部或一些，而在其它实施例中，发射器位于外壳303的外部。

如同图2中示出的示意性传感器的情况一样，图3中示出的实施例包括光学检测器334、用于将光导入流体样本并且从流体样本接收光的光学窗口328(例如，光学透镜328)和光学路径326。在图示的示例中，光学透镜328被示出为与光学路径326物理分开但与光学路径326光学连接。在其它示例中，透镜328物理连接于(例如，附接于)光学路径的末端端部。

为了控制通过光学传感器302的光移动，光学传感器包括至少一个光学路径，在图示示例中，所述至少一个光学路径被示出为三个光学路径：第一光学路径326、第二光学路径336和第三光学路径327。这些光学路径可限定控制通过传感器的光移动的有界的通道、管道、导管或腔体。光学传感器302的发射器和检测器可围绕光学路径布置，以将光导入光学路径和/或从光学路径接收光。例如，图3中的第一光学发射器320和第二光学发射器324被构造成将光导入与光学透镜328光学连接的第一光学路径326，随后导入被分析的流体样本。另外，图3中的光学检测器334被构造成从第一光学路径326接收从被分析的流体样本发出的并且行进通过光学透镜328的光。

光学传感器302可具有多种不同的光学路径构造并且这些构造可例如基于传感器中包含的光学发射器和检测器的数量而改变。在图3的示例中，光学传感器302包括定位在光学透镜328和第一光学检测器334之间的第一光学路径326。线性行进通过光学透镜328(例如，透镜的光学中心)的光可行进通过第一光学路径326并且射到第一光学检测器334(例如，检测器的光学中心)上。在这样的示例中，第一光学路径326可限定主轴340，主轴340沿着路径的长度延伸并且延伸通过光学透镜328的中心(例如，光学中心)和第一光学检测器334的中心(例如，检测器的光学中心)。第一光学路径326可以将检测器的单个光学窗口(例如，光学透镜328)光学连接到容纳在外壳303内的其它组件。

第一光学发射器320和第二光学发射器324被构造成将光射入第一光学路径326，随后进入被分析的流体样本。在一些示例中，第一光学发射器320和/或第二光学发射器324将光直接射入第一光学路径326，例如，而不射入与第一光学路径相交的介入光学路径。在其它示例中，第一光学发射器320和/或第二光学发射器324将光射入与第一光学路径326光学连接的中间光学路径。也就是说，第一光学发射器320和/或第二光学发射器324可将光间接射入第一光学路径326。

在图3中的光学传感器302中，第一光学发射器320被定位以将光射入向着第一光学路径326延伸的第二光学路径336。另外，第二光学发射器324被定位以将光射入第三光学路径327，第三光学路径327向着第二光学路径336延伸，而第二光学路径336进而向着第一光学路径326。第二光学路径336与第一光学路径326相交，从而使从第一光学发射器320和第二光学发射器324发射的光的至少一部分行进通过第二光学路径、进入第一光学路径并且通过光学镜头328。第三光学路径327与第二光学路径相交，从而使从第二光学发射器324发射的光的至少一部分行进通过第三光学路径、进入第二光学路径、进入第一光学路径并且通过光学镜头328。

尽管构造可以改变，但图3中的第二光学路径336与第一光学路径326相交成大致90度的角度。另外，第三光学路径327与第二光学路径336相交成大致90度的角度。在一些示例中，第三光学路径327平行于第一光学路径326地延伸，而在其它示例中，第三光学路径没有平行于第一光学路径地延伸。通过将光学传感器302的光学发射器和光学检测器布置在与单个光学透镜328光学连接的相交的光学路径周围，传感器可提供容易在各种化学和流体工艺中安装的紧凑设计。

在光学传感器302包括用于控制光移动的相交的光学路径的示例中，光学传感器还可包括将从一个相交的光学路径接收的光导入另一个相交的光学路径的光学元件(例如，反射器、部分反射型光学窗口)。这些光学元件可有助于控制向着光学透镜328和/或向着光学检测器334、338的光移动的方向。

在图3的图示示例中，传感器包括部分反射型光学窗口344，部分反射型光学窗口344定位在第一光学路径326和第二光学路径336的相交点处。部分反射型光学窗口344被构造成将第一光学发射器320和第二光学发射器324发射的光的至少一部分从第二光学路径336反射到第一光学路径326。在一些实施例中，部分反射型光学窗口344还被构造成将来自流体样本和光学透镜328的光透射到光学检测器334。因此，部分反射型光学窗口可被构造成既透射入射光的一部分又反射入射光的一部分。部分反射型光学窗口344相对于光行进通过第一光学路径的方向的角度可例如基于第一光学路径326与第二光学路径336相交所成的角度而改变。然而，在第一光学路径326与第二光学路径336相交成大致90度的角度的图3中，部分反射型光学窗口344例如相对于光行进通过第一光学路径326和第二光学路径336二者的方向以大致45度的角度取向。

根据各种实施例，部分反射型光学窗口344可被构造成反射或透射0％至100％的入射光，其中，反射和透射百分比取决于波长。可使用任何合适的光学元件作为部分反射型光学窗口344。这样的部分反射型光学窗口344可包括例如二向色滤波器、或任何其它合适的光学组件。

在操作中，图3的部分反射型光学窗口344被构造成将来自第一光学发射器320和第二光学发射器324的光从第二光学路径336反射到第一光学路径326中(例如，大致90度)。这样可将第一光学发射器320和第二光学发射器324发射的光的方向从沿着第二光学路径336的长度行进变成沿着第一光学路径326的长度行进。部分反射型光学窗口344可将第一光学发射器320和第二光学发射器324发射的光的至少一部分反射到例如被分析的流体样本中，同时，部分反射型光学窗口还可使从流体样本接收的光的至少一部分能穿过部分反射型光学窗口。例如，经被分析的流体样本散射的光和/或流体样本产生的荧光发射可进入第一光学路径326并且至少部分透射通过部分反射型光学窗口344(例如，而没有被光学窗口反射或吸收)，以被光学检测器334检测。以这种方式，部分反射型光学窗口344可将从光学发射器接收的光反射到流体样本中并且透射从流体样本接收的光，使其被光学检测器334检测。

在一些实施例中，传感器302还包括束流收集器346，束流收集器346沿着第二光学路径336定位在与部分反射型光学窗口344相对的远离第一光学发射器320和第二光学发射器324的一侧。束流收集器346被构造成吸收或捕获入射到它上面的任何光。例如，在一些实施例中，从第二光学路径336透射通过部分反射型光学窗口344的任何光将被透射到束流收集器346，束流收集器346会将该光吸收，以防止该光被光学检测器334检测到。

图3中的光学传感器302还包括第二光学检测器338，第二光学检测器338可用作传感器的参考检测器。第二光学检测器338被定位以接收第一光学发射器320和第二光学发射器324发射的光。尽管位置可变化，但在图示的示例中，第二光学检测器338定位在第二光学路径336的与第二光学发射器324相对的一侧。具体地，第二光学检测器338定位在第三光学路径327的末端端部，与第二光学发射器324相对。在图3中示出的示例性实施例中，第一光学发射器320和第二光学发射器324基本上相互垂直地取向，使第一光学发射器320与第二光学路径336大致同轴而第二光学发射器324与第三光学路径327大致同轴并且与第二光学检测器338相对设置。在其它示例中，第二光学发射器324(在使用时)可定位在光学传感器302内的其它位置，并且应该理解，本公开不限于图3的具体构造。作为一个示例，第一光学发射器320和第二光学发射器324的位置可调换，使得第一光学发射器处于图3上示出的第二光学发射器所占据的位置而第二光学发射器处于第一光学发射器所占据的位置。

在光学传感器302包括与第二光学路径336相交的第三光学路径327的示例中，传感器可包括部分反射型光学窗口342，部分反射型光学窗口342定位在第二光学路径336和第三光学路径327的相交点处。部分反射型光学窗口342可被构造成将第二光学发射器324发射的光的至少一部分从第三光学路径反射到第二光学路径336并且还透射第二光学发射器324发射的光的至少一部分，使其由第二光学检测器338接收。另外，部分反射型光学窗口342可被构造成将第一光学发射器320发射的光的至少一部分从第二光学路径反射到第三光学路径327中，使其由第二光学检测器338接收，并且还透射第一光学发射器320发射的光的至少一部分，使其经过第二光学路径336，进入第一光学路径326。可使用任何合适的光学元件作为部分反射型光学窗口342。这样的部分反射型光学窗口342可包括例如二向色滤波器、石英窗、和/或蓝宝石窗。在一些实施例中，部分反射型光学窗口342包括抗反射涂层。

部分反射型光学窗口342相对于光通过第二光学路径336的行进方向的角度可例如基于第二光学路径336与第三光学路径327相交所成的角度而改变。然而，在第二光学路径336与第三光学路径327相交成大致90度的角度的图3中，部分反射型光学窗口342例如相对于光行进通过第二光学路径336的方向以大致45度的角度取向。具体地，在图示的示例性实施例中，部分反射型光学窗口342相对于第二光学路径336和第三光学路径327以及第一光学发射器320和第二光学发射器324以基本上45°取向。在这个布置中，部分反射型光学窗口342被构造成将第一光学发射器320发射的光的一部分从第二光学路径336反射到第三光学路径327中，并且透射第二光学发射器324所发射的光的至少一部分，使其进入第三光学路径327。图3中示出的部分反射型光学窗口342还可用于透射第一光学发射器320发射的光的一部分，使其进入第二光学路径336朝向第一光学路径326，并且将第二光学发射器324发射的光的一部分从第三光学路径327反射到第二光学路径336中并且朝向第一光学路径326。

图4是示出示例光流过图3中示出的光学传感器的概念图。为了便于描述，图4示出同时从第一光学发射器420和第二光学发射器424发出的光以及同时被第一光学检测器434和第二光学检测器438接收的光。实践中，第一光学发射器420和第二光学发射器424可同时地发射或者在不同时间发射。另外，在第一光学发射器420和第二光学发射器424中的一者或两者正在发射时或者在所述发射器中的一者或两者没有正将光射入被分析的流体样本的时间段期间，第一光学检测器434和第二光学检测器438可接收光。因此，尽管图4将各种光流动示出为如同在传感器402中同时出现的，但应该理解，根据本公开的光学传感器不限于此示例操作。

在光学传感器402的示例中，来自第一光学发射器420的第一波长的光射入第二光学路径436。来自第一光学发射器420的光可被构造成激发流体样本中的荧光，因此出于例示的目的被称为产生激发光束490。在图4的示例中的传感器402内，激发光束490射入第二光学路径436，在第二光学路径436，激发光束490遭遇部分反射型光学窗口442。激发光束490的一部分可被部分反射型光学窗口442反射，以被可用作参考检测器的第二光学检测器438检测。激发光束490的另一部分可穿过部分反射型光学窗口442并且继续行进通过第二光学路径436。

在操作中，来自第二光学发射器424的第二波长的光射入第三光学路径427。来自第二光学发射器424的光可被构造成被流体样本散射，因此出于例示的目的被称为产生散射光束492。在图4的示例中的传感器402内，散射光束492射入第三光学路径427，在第三光学路径427，散射光束492遭遇部分反射型光学窗口442。散射光束492的一部分可被部分反射型光学窗口442向着第二光学路径反射。散射光束492的另一部分可穿过部分反射型光学窗口442并且继续行进通过第三光学路径427，以被可用作参考检测器的第二光学检测器438检测。

在图4的示例中行进通过第二光学路径436的激发光束490和散射光束492的一部分遭遇部分反射型光学窗口444。遭遇部分反射型光学窗口444的激发光束490和散射光束492的一部分可被部分反射型光学窗口反射到第一光学路径426中。反射到第一光学路径426中的这些光束经由设置在第一光学路径和流体样本之间的光学透镜428被导向被分析的流体样本。在一些示例中，遭遇部分反射型光学窗口444的激发光束490和散射光束492的另一部分可穿过部分反射型光学窗口进入束流收集器446。束流收集器446可以是定位在第一光学路径426的与第二光学路径427相对的一侧的光学传感器402的光学吸收区域。束流收集器可吸收导入该区域的光，例如，以有助于防止光被反射回第一光学路径426并且被光学检测器434检测到。

如之前描述的，经由光学透镜428进入流体样本的激发光束490可在样本中激发出的荧光，而进入流体样本的散射光束492可例如通过样本中的悬浮材料(诸如，油或颗粒)进行散射。在一些示例中，响应于激发光束490被流体样本发射的荧光处于与激发光束490或散射光束492所涵盖的一个或多个波长不同的第三波长。根据被分析的流体样本，第三波长可以处于UV或近UV光谱内，诸如，在从大致285nm至大致385nm(例如，大于300nm的波长，诸如，315nm)的范围内。荧光发出的光和被散射的光可被光学透镜428捕获并且被导回传感器402的第一光学路径426中。在一些实施例中，光学透镜428用于分别将荧光发出的光和被散射的光基本上准直成发射光束494和被散射光束496，发射光束494和被散射光束496行进通过光学路径426，朝向部分反射型光学窗口444返回。

在图4的构造中，部分反射型光学窗口444可透射被分析的流体样本中的发荧光分子产生的发射光束494的至少一部分并且还透射因流体样本造成的光散射而产生的被散射光束496的至少一部分。发射光束494和被散射光束496可经由光学透镜428进入光学传感器402并且行进通过第一光学路径426，之后遭遇部分反射型光学窗口444。在射到部分反射型光学窗口444上时，发射光束494和被散射光束496的至少一部分可穿过部分反射型光学窗口，以被光学检测器434检测。

在一些实施例中，部分反射型光学窗口444可向着第一光学检测器434透射比所期望更多的光或更多波长的光，以光学地表征被分析的流体样本。例如，部分反射型光学窗口444可使激发光束490的某些部分能从中穿过，使得经流体样本散射的激发光束490可到达第一光学检测器434并且被检测为对应于流体样本发射的荧光发射。为了有助于控制光学检测器434接收和检测的光，光学传感器402可包括光学滤波器432，光学滤波器432设置在光学透镜428和第一光学检测器434之间，用于过滤掉不期望的光。在图4的实施例中，光学滤波器432定位在部分反射型光学窗口444和第一光学检测器434之间。在一些实施例中，光学滤波器432被设计成过滤掉第一光学发射器420发射的基本上所有波长的光(在其它示例中为所有波长的光)。这可有助于防止第一光学发射器420发射的没有产生荧光发射的光(例如，来自第一光学发射器420的朝向光学检测器434而非朝向光学透镜428行进的光和/或来自光学发射器的在流体样本中散射而非产生荧光发射的光)被光学检测器434检测到并且被表征为荧光发射。光学滤波器432可透射响应于来自第一光学发射器420的光而从流体样本发射的基本上所有(在其它示例中为所有)波长的荧光发射和响应于来自第二光学发射器424的光被流体样本散射的波长的光。

第一光学检测器434可被构造成检测或测量入射到它上面的光的强度和/或其它性质。如所描述的，第一光学检测器434可接收来自流体样本的透射通过部分反射型光学窗口444的被散射光束496和发射光束494的至少一部分。在一些实施例(诸如，图3中示出的实施例)中，第一光学检测器434可包括被构造成检测来自发射光束494和被散射光束496二者的光的单个检测器。在这样的布置中，光学传感器402可控制第一光学发射器420和第二光学发射器424以交替地发射激发光束490和散射光束492。由光学检测器434响应于第一光学发射器420发射的光(例如，当第二光学发射器424没有在发射光时)而检测到的光可归因于流体样本中产生的荧光发射。相反地，由光学检测器434响应于第二光学发射器424发射的光(例如，当第一光学发射器420没有正在发射光时)而检测到的光可归因于流体样本造成的光散射。以这种方式，单个检测器可检测和分辨从被分析的流体样本发出的发射光束494和被散射光束496。

如之前描述的，第一光学检测器可检测从流体样本荧光发出并且被作为至少一个发射光束494接收的光。在一些实施例中，可测量发射光束494的强度，以计算样本的特性(例如，荧光团的浓度)。在一个示例中，在第一光学发射器420正在发射光并且光入射到流体样本上时，测量从样本荧光发出的光。在另一个示例中，在第一光学发射器420停止发射光之后，接收并且测量从样本荧光发出的光。在这些示例中，流体样本发射的荧光可持续超过第一光学发射器420发射的持续时间。因此，在第一光学发射器420停止发射光之后，第一光学检测器434可从流体样本接收荧光发射。在一些示例中，光学传感器402可基于第一光学检测器434检测的荧光发射的幅度和第一光学发射器420停止发射光之后的随时间推移的幅度变化来确定被分析的流体样本的特性。例如，光学传感器402可通过测量流体样本的荧光衰变曲线(例如，随时间变化而变化的荧光强度)来执行时间分辨的荧光光谱。这可涉及从第一光学发射器420停止发射光的时间到第一光学检测器434停止检测来自流体的荧光发射的时间测量从被分析的流体样本发出的荧光发射。除了检测荧光发射之外，被流体样本散射并且以被散射光束496的形式返回传感器的光也可以被光学检测器434检测。

在一些示例中，被分析的流体样本发射的荧光量取决于被第一光学发射器420导入样本的激发光的量。同样地，被流体样本散射的光的量可取决于被第二光学发射器424导入样本的散射光的量。在这些示例中，例如可由第二光学检测器438测量被第一光学发射器420和/或第二光学发射器424发射的光的强度。光学传感器402接着可基于第一光学发射器420和/或第二光学发射器424发射的光的幅度，调节第一光学检测器434检测到的荧光发射和/或被散射光的幅度。

可使用按照本公开的光学传感器作为系统(例如，图1中的流体系统100)的一部分，在该系统中，传感器与控制器通信耦接以从传感器接收数据并且将数据发送到传感器。控制器可包括集成组件(诸如微控制器)或外部组件(诸如计算机)。控制器可与第一光学发射器和第二光学发射器以及第一光学检测器和第二光学检测器通信。控制器可被构造成控制第一光学发射器和第二光学发射器分别发射第一波长和第二波长的光。如讨论的，第一波长可激发流体样本中的荧光，而第二波长可被流体样本散射。控制器还可被构造成控制第一光学检测器检测流体样本发射的荧光发射以及样本散射的光。控制器还可被构造成基于检测到的荧光发射，确定流体样本的至少一个特性。例如，控制器可以基于光学传感器生成的数据和存储在与控制器关联的存储器中的信息通过诸如基于等式进行计算、在查询表中进行查找或者本领域中已知的任何其它方法来确定流体样本的特性。

在第一光学发射器和第二光学发射器以交替启动顺序进行操作的应用中，控制器可协调来自各光学发射器的光发射的频率和持续时间。另外，在传感器包括用作参考检测器的第二光学检测器的实施例中，控制器可检测来自第一光学发射器和第二光学发射器的光并且使用该检测到的光来校准第一光学检测器检测到的光。

在一些示例中，根据本公开的光学传感器还包括一个或多个非光学传感器。示例性的非光学传感器可包括(但不限于)pH传感器、电导率传感器和温度传感器。可使用来自非光学传感器的数据来确定被分析的样本的非光学特性。在一些实施例中，可使用来自一个或多个非光学传感器的数据来调节对来自流体样本的荧光发射的测量，以确定样本的一种或多种特性。例如，温度传感器可安装在传感器主体中，用于校正温度对荧光以及对电子器件和/或检测器的影响。在其它示例中，除了使用光学传感器数据来监测流体样本和/或控制流体过程以外，或者替代使用光学传感器数据来监测流体样本和/或控制流体过程，还可使用来自非光学传感器的数据来监测流体样本和/或控制流体过程。

如讨论的，在某些实施例中，根据本公开的光学传感器可检测从样本以一个或多个波长荧光发出和被样本以另一个波长散射的光。光学传感器还可检测流体样本的额外特性，诸如非光学特性。可使用光学传感器生成的数据来计算或以其它方式确定样本的至少一种特性。这样的数据可同时地、按顺序交替地、或者以可同时接收一些数据而非全部数据的组合方式来接收。

可在多个通道中接收促成确定至少一种特性的接收到的数据。这些通道可以是光学通道(包括一个或多个荧光通道和散射通道)，而且还可以包括数据通道(诸如从一个或多个非光学传感器接收的数据)。例如，光学通道可通过波长带来限定。因此，在一些实施例中，以第一荧光发出波长的形式接收的数据是在第一荧光通道中接收的数据，而以被样本散射的光的形式接收的数据是在散射通道中接收的数据。因此，在各种实施例中，光学传感器可以同时和/或交替地经由第一光学路径在光学通道的任何组合中接收数据，而且可以额外地在来自一个或多个非光学传感器的非光学通道中接收数据。另外，如之前描述的，第二光学检测器可从第一光学发射器和第二光学发射器接收光，用于校准第一光学检测器进行的测量。因此，可在一个或多个校准通道中接收第二光学检测器接收的数据。

在光学传感器包括检测从流体样本接收的荧光发射并且还检测从流体样本接收的被散射光的单个光学检测器的应用中，第一光学发射器和第二光学发射器可以按交替顺序进行启用和禁用。这样可以使光学检测器生成的数据可以被分辨成与检测到的荧光发射对应的荧光发射数据和与检测到的被散射光对应的散射数据。在其它示例中，光学传感器可包括多个光学检测器，这些光学检测器检测从流体样本接收的荧光发射并且检测从流体样本接收的被散射光。例如，光学传感器可包括检测从流体样本接收的荧光发射的一个光学检测器和检测从流体样本接收的被散射光的另一个光学检测器。

图5A和图5B示出可用于光学传感器(诸如，图2至图4的光学传感器)中的示例替代的光学检测器布置。图5A示出其中光学检测器(例如，图3中的光学检测器334和/或光学检测器338)包括第一光学检测器元件552和第二光学检测器元件553的示例性实施例。根据一些实施例，传感器可包括至少一个额外光学路径，诸如与第一光学路径526相交成例如大致90度的角度的第四光学路径529。结合图3，至少一个额外光学路径设置在部分反射型光学窗口551和与透镜相对的第一光学路径526的末端端部之间。

在一些实施例中，传感器可包括至少一个额外部分反射型光学窗口551，部分反射型光学窗口551定位在第一光学路径526和对应的额外光学路径(诸如，第四光学路径529)的相交点处。额外部分反射型光学窗口551被构造成向着对应的光学检测器元件发射或透射选定的波长带的光。例如，图5A示出设置在第一光学路径526和第四光学路径529的相交点处的额外部分反射型光学窗口551。第一光学检测器元件552和第二光学检测器元件553分别位于第一光学路径526和第四光学路径529的末端端部。

在一些实施例中，部分反射型光学窗口551被构造成透射波长“A”的光并且反射波长“B”的光。因此，如果波长“A”和“B”的光的混合从样本起通过第一光学路径526朝向部分反射型光学窗口551行进，则部分反射型光学窗口551将用于在将波长“A”的光透射到第一检测器元件552的同时将波长“B”的光反射到第二光学检测器元件551。这样使各检测器元件能检测不同波长或波长范围的光，并且使传感器能实现为可检测窄带波长的光学检测器元件。在这个示例中，部分反射型光学窗口551将诸如发射光束和被散射光束的光同时导向两个对应的光学检测器元件。

在一些实施例中，第一额外部分反射型光学窗口551被构造成在将例如第二波长的被样本散射的光导向第一光学检测器元件552的同时，将从样本荧光发出的光导向第二光学检测器元件553。在这样的实施例中，可同时测量被散射光和荧光发出的光，因为它们各自是由不同检测器元件测量的。

如之前相对于图3描述的，可存在以下情形：将不期望波长的光向着特定检测器元件引导，这样会在测量检测到的光时引入误差。因此，额外光学滤波器可布置在部分反射型光学窗口551和对应的检测器元件之间。例如，在图5A中，额外光学滤波器523可放置在额外部分反射型光学窗口551和第二检测器元件553之间。在使用时，光学传感器可根据需要具有很多的额外滤波器元件。在一些实施例中，传感器包括至少与光学传感器元件一样多的滤波器元件。

图5B示出了类似于图5A的示例性实施例，其中，光学检测器(例如，图3中的光学检测器334和/或光学检测器338)包括多个光学检测器元件。具体地，图5B示出包括第一光学检测器元件555、第二光学检测器元件556、第三光学检测器元件558、第四光学路径531和第五光学路径533的光学检测器布置。第四光学路径和第五光学路径与第一光学路径526相交成例如大致90度的角度。另外，在这个示例中，光学检测器布置包括部分反射型光学窗口554和557，以控制光从第一光学路径526分别流向第四光学路径和第五光学路径。

在图示实施例中，部分反射型光学窗口557位于第一光学路径526和五光学路径533的相交点处。第二部分反射型光学窗口557可被构造成选择性透射或反射特定波长或波长带，从而只将某些波长带导向第三光学检测器元件558。在一些构造中，被分析的样本可发射多个波长的荧光，例如，涵盖第一荧光波长和第二荧光波长并且分别形成第一发射光束和第二发射光束。在这种情况下，部分反射型光学窗口557可将第二发射光束向着第三光学检测器元件558反射，同时使第一发射光束和例如被散射光束能从中穿过。随后，部分反射型光学窗口554可将第一发射光束向着第二光学检测器元件556反射，同时使被散射光束能从中穿过朝向第一光学检测器元件555。这样的实施例可用于例如同时检测三个不同通道(第一荧光通道、第二荧光通道和散射通道)中的光。

应该理解，虽然被描述为第一光学检测器(诸如，图3中示出的第一光学检测器)的可能变型，但图5A和图5B中示出的实施例还可用于第二光学检测器(例如，还有参考检测器)。在这些构造中，部分反射型光学窗口可被构造成分别选择性反射或透射第一光学发射器和第二光学发射器所发射的第一波长和第二波长。例如，回头参照图3，可使用检测器(诸如，图5A中示出的检测器)将散射光束导向第一光学检测器元件552并且将激发光束导向第二光学检测器元件553，从而分开校准通道并且使校准通道的检测能同时进行。

根据本公开的光学传感器可被修改以满足用于特定应用或构造中的要求。例如，图6A至图6D示出附接于与流体容器一起使用的各种组件的传感器。图6A至图6D还示出根据本公开的任何传感器可使用的不同传感器组件和物理布置。

如图6A中所示，可借助一个或多个附接构件(诸如螺丝662a)将传感器602(可以是诸如有关图3所示出和描述的传感器)的外壳603a固定于安装盘660a。例如，用螺丝(未示出)将图6A中示出的安装盘660a附接于盖666a，并借助O形环664a将安装盘660a密封于盖666a。盖666a可由任何适于传感器602的期望应用的材料(诸如，不锈钢、塑料等)制成。在一些实施例中，盖666a包括常规用于卫生设施配件的标准不锈钢固体端盖。在一些实施例中，盖666a接合插件668a，所述插件668a可选自一组可互换插件。插件668a可由任何适于传感器602的所需应用的材料制成，并且可被构造成保持用于将光射向样本并且从样本接收光的透镜628a。可用垫圈669a将插件668a固定在盖666a中。O形环670、672可分别在盖666a和插件668a、插件668a和透镜628a的接口形成密封。

在一些实施例中，插件668a可由塑料(例如，聚砜或含氟聚合物)制成。在其它实施例中，插件668a可由聚苯硫醚或填充40％玻璃的聚苯硫醚制成。插件668a可具有比盖666a中的埋头孔的内径大的外径，从而使插件668a能压装配到盖666a中而不需要O形环670。在一些实施例中，透镜628a可包括蓝宝石球并且插件可包括内部孔，该内部孔被相对地确定尺寸，使得插件668a中的内部孔可具有比蓝宝石球的直径小的直径。在这些情况下，透镜628a可被压装配到插件668a中，从而提供气密性密封而不需要O形环672。在这种情况下，浸渍在流体样本中的传感器部分的材料的一种可能组合包括用于盖666a的不锈钢、用于插件668a的填充40％玻璃的聚苯硫醚和用于透镜628a的蓝宝石。

应该理解，盖、插件和透镜的容差可选择为在它们的接口处提供气密性密封而不需要O形环。例如，可在0℃至90℃的温度范围内并且在上至150psi的压力下，使用浸渍在样本中的这些部分的压装配组件。对于高压力应用，可包括垫圈669a来为插件668a和透镜628a提供稳定的机械支撑。在一些实施例中，垫圈669a不接触样本，并且在高压力应用中可以由为支撑插件668a和透镜628a提供必需的强度的适宜材料(诸如不锈钢、塑料等)制成。

图6B示出传感器602b组件(其中外壳603b固定于安装盘660b)，包括盖666b接合用于保持透镜628b的插件668b。用包括螺母678b的夹具676b将传感器602b组件固定于短三通段674b。O形环衬垫680b可定位在组件和三通段674b之间，以在传感器/流体样本的内部和外部环境之间形成密封。在示例性实施例中，借助夹具将传感器602b固定于流体容器682b上的凸缘，但可使用任何装置将传感器602b固定于容器682b。流体容器可包括用于支撑或容纳待分析流体的任何结构，包括静态流体贮存器、罐、管道或任何其它流体操纵结构，所述流体操纵结构包括容纳流动和非流动的流体体积的流体操纵结构。

可在例如CIP系统中使用诸如图6B中示出的构造，在CIP系统中，在容器中发生清洁或消毒过程并且传感器确定在该过程中使用的溶液的特性。容器682b可包括例如食品产品罐、化学存储罐、隔膜组件、管线、或其它CIP设备。图6B中示出的构造中的透镜628b定位为靠近向着容器682b延伸的外壳的远端。

图6C示出与图6B的组件类似的传感器602c组件，其中，组件固定于三通段674c，然而，在这个实施例中，接合盖666c的插件668c被构造成保持透镜，以使透镜更远离外壳远端而更靠近容器682c中的样本。插件668c可以可更换地固定于盖666c和/或传感器602c以及固定于透镜628c，从而可以相对于外壳603c以及容器682c中的样本改变透镜628c的位置。例如，在一些实施例中，只有插件668c和压装配透镜628c伸入样本容器682c中。可替代地，盖666c可包括金属(例如，不锈钢)圆柱体和凸缘，并且可延伸到样本容器682c中，同时为插件668c和透镜628c提供机械支撑和保护。

另外，图6C将传感器602c示出为包括导光件684c。导光件684c被插入球面透镜628c和部分反射型光学窗口644c之间的光学路径内。导光件684c可以是将光从球面透镜628c导向部分反射型光学窗口644c的结构。可使用任何合适的导光件并且在一个示例中，导光件684c由光学透明材料(例如，石英)的固体杆制成并且端部被抛光。在使用时，导光件684c的直径可小于在球面透镜628c和部分反射型光学窗口644c之间延伸的光学路径的内径，并且可以以限制光损失的方式对准和固定。

为了将导光件684c保持在光学传感器602c的光学路径内，导光件可以摩擦装配在光学路径内、被机械附连在光学路径内或者以其它方式被固定在外壳内。例如，图6C将光学传感器外壳示出为具有两个窄区域685c和686c，这两个窄区域685c和686c均具有比导光件684c的直径小的直径并且为导光件提供压装配。在进行这种安装时，导光件684c可具有不受阻挡的端部，这些端部使导光件能基本上在其整个横截面上接收和发射光。在一些实施例中，导光件的基本上所有外部表面被空气包围，从而形成全内反射的条件并且引导光通过导光件684c。通过使用导光件684c，传感器602c的电组件和光学组件可被定位为比没有使用导光件时更远离容器682c，但仍然产生可接受的信号强度。这样可有助于保持温度敏感组件(例如，LED、光电二极管)与容器内的热流体相距更远的距离。

图6D示出与图6B和图6C的传感器组件类似的传感器602d组件，其中，组件固定于三通段674d。然而，在图6D的示例中，传感器602d还包括准直透镜690d，准直透镜690d定位在球面透镜628d和部分反射型光学窗口644d之间的光学路径内。准直透镜690d被图示为与部分反射型光学窗口644d相邻地定位，例如，比球面透镜628d更靠近部分反射型光学窗口。在操作中，准直透镜690d可从光学发射器620d收集光并且将光引导到球面透镜628d上，从而在靠近球面透镜的流体内形成聚焦激发。另外，准直透镜690d可收集从球面透镜628d接收的光(例如，荧光)并且将该光引导到光学检测器634d上。尽管在使用时准直透镜690d的大小将会例如基于光学传感器的大小而改变，但在一些示例中，准直透镜的直径范围是从大致12毫米(mm)至大致20mm。

相比于光学传感器不包括准直透镜的情况，通过使用准直透镜690d，光学检测器634d检测到的光学信号的幅度可以增大，进而光学检测器生成的电信号的强度也可以增大。例如，通过添加与部分反射型光学窗口644d相邻的准直透镜690d，可以将通过球面透镜628d接收的激发的幅度增大2倍以上(例如，是原本将接收的幅度的2倍至3倍的范围)。相比于传感器不包括准直透镜的情况，当使用准直透镜690d时，光学检测器634d检测到的荧光信号强度中的总增大可达到5倍以上(例如，是原本将接收的幅度的6倍至10倍的范围)。在一些示例中，额外的聚焦透镜691d可放置在发射滤波器632d和光学检测器634d之间，将荧光聚焦到检测器的较小区域上。这样可使光学传感器602d能使用具有较高的分流电阻和较低的末端电容的敏感区域较小的光电二极管，从而在大范围的温度内提供较高的稳定性。

已经描述了传感器的各种实施例和构造。图7是根据本公开的光学分析技术的过程流程图。图7示出以下过程：传感器将来自第一光学发射器的第一波长的光通过光学路径射入流体样本(783)。光学路径是由传感器外壳限定的。传感器还在光学检测器处通过光学路径接收流体样本发射的荧光发射(784)。在一些实施例中，通过第一光学发射器发射的光激发荧光发射。传感器将来自第二光学发射器的第二波长的光通过光学路径射入流体样本(786)。经由与第一波长相同的光学路径，第二波长的光被导向样本。传感器还在光学检测器处通过光学路径接收被流体样本散射的光(787)。

在图7的过程中，经由单个光学路径，以第一波长和第二波长将光射入流体样本中，以及从流体样本接收光。接收到的光可以是被样本散射的，并且在一些实施例中，包括被样本散射的第二波长的光。接收到的光还可以是以从样本荧光发出的光的形式，从样本荧光发出的光可以是由第一波长的光造成的。如之前讨论的，在一些实施例中，如果被样本散射的光和从样本荧光发出的光同时入射到光学检测器上，传感器不能够分辨它们的差异。因此，在一些实施例中，在发射第二波长的光(786)之前，停止发射第一波长的光(785)。出于同一原因，应该重复该过程，在一些实施例中，在发射第一波长的光(783)之前，停止发射第二波长的光(788)。用虚线示出停止发射第一波长和第二波长的光的步骤，以例示可采取这些步骤，但并不需要在每个实施例中都采取这些步骤。

在其它实施例中，在光学检测器接收可用的荧光发射之前，停止发射第一波长的光(785)。例如，如果样本包含发荧光的持续时间不同的多种荧光物质，使得来自一种物质的荧光的持续时间比其它物质长，则可进行此过程。如果期望测量来自荧光持续时间较长的物质的荧光，而来自荧光持续时间较短的物质的荧光是无关的，则以下做法可以是有利的：停止发射第一波长的光，等待被荧光持续时间较短的物质激发的荧光减弱，然后测量剩余的属于荧光持续时间较长的物质的荧光发射。应该注意，在正在发射第一波长的光的同时，光学检测器可以正在从样本接收荧光发射；然而，直至适宜时间之前，可以忽视或不忽视对荧光的测量。

最终，在图7的示例中，该过程可包括基于接收到的荧光发射来确定样本的至少一种特性的步骤(789)。例如，如之前讨论的，可基于从样本接收到的荧光，确定样本的荧光浓度。

应该理解，可通过包括传感器的系统中的控制器来执行图7中概述的过程。控制器可包括处理器，用于控制从第一或第二光学发射器发射光的时机和持续时间以及从流体样本接收光的时机。也就是说，控制器可被编程为当存在无关光时无视接收到的光，无关光的存在会干扰充分确定样本的至少一种特性的能力。控制器可利用来自接收到的荧光发出的光和被散射光中的数据以及控制器接收的任何其它数据来计算或者以其它方式确定样本的至少一种特性或调节对样本的至少一种特性的确定。

已经描述了示例性的传感器。一些实施例包括多通道荧光计传感器，在这些传感器中，在至少一个荧光通道中激发和检测来自样本的荧光，而检测到的荧光被用来确定样本的特性。可使用其它因素(诸如被样本散射的光或额外的非光学测量)来补充荧光检测并且说明样本的荧光中的可能变化的原因。传感器可以是包括用于自动化控制发射器和检测器的控制器的系统的一部分，并且根据测得的数据来计算或者以其它方式确定样本的特性。可将传感器固定于存在或流过待表征的流体样本的容器中。

本公开中描述的技术至少部分可以用硬件、软件、固件或以上的任何组合来实现。例如，所描述技术的各个方面可在一个或多个处理器内实现，这些处理器包括一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或任何其它等效的集成或离散逻辑电路、以及这些组件的任何组合。术语“处理器”或“控制器”可一般表示单独的或与其它逻辑电路组合的上述逻辑电路中的任一个或任何其它等效电路。包括硬件的控制单元也可执行这种公开的技术中的一个或多个。

这样的硬件、软件和固件可在同一装置内或者在单独装置内实现，以支持本公开中描述的各种操作和功能。另外，所描述的单元、模块或组件中的任一个可被一起实现或者被单独实现为离散的但可共同操作的逻辑器件。将不同的特征件描绘为模块或单元是旨在强调不同的功能方面，而不一定暗示着这样的模块或单元必须由单独的硬件或软件组件来实现。确切地，与一个或多个模块或单元关联的功能可以由单独的硬件或软件组件执行或者集成在共用的或单独的硬件或软件组件内。

本公开中描述的技术还可被实施或编码在包含指令的非暂态计算机可读介质(诸如，计算机可读存储介质)中。例如，当执行指令时，被嵌入或编码在计算机可读存储介质中的指令可致使可编程处理器、或其它处理器执行方法。非暂态计算机可读存储介质可包括易失性和/或非易失性存储器形式，包括例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、可电擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存存储器、硬盘、CD-ROM、软盘、盒式磁带、磁性介质、光学介质、或其它计算机可读介质。

以下示例可提供在用于确定流体样本内成分的浓度的系统中的光学传感器的额外细节。

示例

示例光学传感器根据本公开来构建，然后用于光学分析具有不同浓度的水和芳香烃荧光团(AF)的各种样本。除了使用光学传感器分析水和AF的样本之外，光学传感器的组件被独立地评估以光学地表征传感器的组件。

图8A是光学传感器的若干特性的曲线，包括随着波长(纳米(nm))的变化而变化的二向色透射率803、窗口半反射率804以及滤光器光学密度801、802(沿着左手的y轴)。二向色透射率803是透射率随着波长变化的二向色滤波器(例如，图3中的344)的特性。如图8A中所示，测得的光学传感器的二向色透射率803在大大低于300nm的波长处接近0，而在波长接近大约320nm时接近1。这个特性使二向色滤波器将UV光反射到样本，同时将荧光透射到检测器(例如，图3中的334)。测得的窗口半反射率804代表随着波长的变化而变化的石英窗(例如，图3中的342)的反射率的一半。随着波长从大约350nm增大至近IR范围时，入射光反射得更强烈。石英窗的这种性质使其对UV光的透射率高，同时将IR光反射到样本。测量并且示出了随着波长的变化而变化的UV805LED和IR806LED(例如，分别为图3中320和324)的发射强度。测量并且用曲线表示了随着波长的变化而变化的发射滤波器的光学滤波器密度801和激发滤波器的光学滤波器密度802。还测量并且在图8A的曲线中示出了随着波长的变化而变化的AF发射强度807。如可看到的，AF发射强度807的峰值大致与发射滤波器光学密度801中的最小值对应，而UVLED发射强度805的峰值大致与激发滤波器光学密度802中的最小值对应。

图8A中的曲线还包括随着波长的变化而变化的激发UVLED805的光发射强度和来自样本807中的AF的荧光发出的光发射强度。在表征的系统中，激发UVLED805在大约280nm的波长附近具有峰值强度，而来自AF807的荧光发出的光具有大约315nm的峰值波长。然后，从图8A中的数据可以看到，二向色滤波器的透射率803在UVLED805所发射的波长处相对低，从而反射旨在激发荧光的光。然而，透射率803在激发荧光807和被样本散射的IR光806的波长处更接近1。这些波长旨在通过二向色滤波器透射到检测器以用于分析。

图8B是在各种已知浓度处比较测得的样本的AF浓度与实际AF浓度(单位均是百万分之(ppm))的曲线。图8B中的浓度数据810可用于确定使光学传感器产生相对一致且准确的结果的AF浓度范围。

图8C是散射通道中的检测器输出811(以毫伏(mV)为单位)随着样本浊度(以比浊法浊度单位(NTU)为单位)的变化而变化的曲线。为了生成图8C的数据，光学传感器散射光束被导向水的样本和牛奶的样本(为了促进散射)，从而致使光散射回传感器，以被容纳在光学传感器内的检测器检测。检测器接收被散射的光并且输出表示测得的强度的电压811。样本散射的光的量取决于样本的浊度，结果是，样本散射的光的量可用于确定样本的浊度。样本的浊度可影响样本的荧光性质，因此，在根据荧光测量确定浓度时可以被考虑进去。

图8D是光学传感器的荧光通道输出(以mV为单位)随着样本的AF浓度(以ppm为单位)的变化而变化的曲线。荧光通道输出是对随着AF浓度改变的从样本荧光发出的光的强度的测量值。图8D中给出的测量是对具有不同浊度(包括0NTU(812)、200NTU(813)、400NTU(814)和800NTU(815))的样本执行的。可看到，在本示例中随着样本的浊度从0增大直至800NTU，荧光通道输出在80ppm的AF浓度处降低将近54％。结果是，相比于在没有进行浊度校正的情况下使用测得的荧光的情况，使用测得的浊度值校正测得的荧光值可得到更准确的测量值。

图8E是经校正的荧光通道输出(以mV为单位)随着样本的AF浓度(以ppm为单位)的变化而变化的曲线。在具有不同浊度的样本中测量不同的AF浓度处的输出并且对所述输出进行数学校正。如同图8D的曲线一样使用了0NTU(812)、200NTU(819)、400NTU(820)和800NTU(821)的浊度值，并且随后与实际荧光通道输出数据(817)进行比较，从而得到R平方值是0.998。通过使用经校正的荧光通道输出值，对不同浊度的样本给出了输出和AF浓度之间更一致的关系，使最大的偏差仅有大约2.8％。如这个示例所示出的，不论样本的浊度如何，被构造成测量被样本散射的光和荧光发出的光二者的传感器都可利用这两种测量值来将荧光和样本中的荧光团浓度互相关联起来。

Claims

1.一种光学传感器，包括：

外壳，其具有光学路径，所述光学路径被构造成引导光通过与所述光学路径光学连接的光学窗口进入被分析的流体样本，并且通过所述光学窗口从所述流体样本接收光；

第一光学发射器，其被构造成发射第一波长的光，使所述第一波长的光通过所述光学路径并进入所述流体样本；

第二光学发射器，其被构造成发射与所述第一波长不同的第二波长的光，使所述第二波长的光通过所述光学路径并进入所述流体样本；以及

光学检测器，其被构造成通过所述光学路径从所述流体样本接收光。

2.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述光学路径限定沿着所述光学路径的长度延伸的主轴并且所述主轴延伸通过所述光学窗口的中心和所述光学检测器的中心。

3.根据权利要求2所述的光学传感器，其中所述光学窗口是光学透镜，所述光学透镜被构造成将光从所述光学路径导入所述流体样本，以及从所述流体样本接收光并且将光导入所述光学路径。

4.根据权利要求3所述的光学传感器，其中所述光学透镜主要由单个球面透镜组成。

5.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述光学路径限定第一光学路径并且还包括第二光学路径，所述第二光学路径与所述第一光学路径相交成大致90度的角度，其中所述第一光学路径定位在所述光学窗口和所述光学检测器之间，并且所述第一光学发射器和所述第二光学发射器各自被定位以将光射入所述第二光学路径。

6.根据权利要求5所述的光学传感器，还包括部分反射型光学窗口，所述部分反射型光学窗口定位在所述第一光学路径和所述第二光学路径之间的相交点处，其中所述部分反射型光学窗口被构造成将所述第一光学发射器和所述第二光学发射器发射的光的至少一部分从所述第二光学路径反射到所述第一光学路径中，并且所述部分反射型光学窗口被构造成将从所述流体样本接收的光的至少一部分透射到所述光学检测器。

7.根据权利要求6所述的光学传感器，还包括束流收集器，所述束流收集器被定位为使得被所述部分反射型光学窗口透射的来自所述第一光学发射器和所述第二光学发射器的光入射到所述束流收集器上，并且所述束流收集器被构造成吸收由所述第一光学发射器和所述第二光学发射器发射的基本上所有入射光。

8.根据权利要求6所述的光学传感器，其中所述部分反射型光学窗口包括二向色滤波器。

9.根据权利要求6所述的光学传感器，还包括定位在所述部分反射型光学窗口和透镜之间的导光件。

10.根据权利要求9所述的光学传感器，其中所述导光件包括端部被抛光的石英杆。

11.根据权利要求6所述的光学传感器，还包括定位在所述部分反射型光学窗口和所述光学窗口之间的准直透镜。

12.根据权利要求5所述的光学传感器，其中所述光学传感器包括第一光学检测器，并且还包括第二光学检测器，所述第二光学检测器定位在所述第二光学路径的与所述第一光学发射器和所述第二光学发射器中的至少一个相对的一侧。

13.根据权利要求12所述的光学传感器，所述光学传感器还包括第三光学路径，所述第三光学路径与所述第二光学路径相交成大致90度的角度，其中所述第二光学检测器定位在所述第三光学路径的与所述第一光学发射器和所述第二光学发射器中的至少一个相对的末端端部。

14.根据权利要求13所述的光学传感器，还包括部分反射型光学窗口，所述部分反射型光学窗口定位在所述第二光学路径和所述第三光学路径之间的相交点处，其中所述部分反射型光学窗口被构造成将所述第一光学发射器发射的光的至少一部分从所述第二光学路径反射到所述第三光学路径中，并且所述部分反射型光学窗口被构造成将所述第二光学发射器发射的光的至少一部分透射到所述第三光学路径中。

15.根据权利要求14所述的光学传感器，其中所述部分反射型光学窗口包括石英或蓝宝石窗口。

16.根据权利要求15所述的光学传感器，其中所述部分反射型光学窗口包括用于紫外波长范围的抗反射涂层。

17.根据权利要求12所述的光学传感器，还包括至少一个额外的光学路径，所述至少一个额外的光学路径与所述第一光学路径相交成大致90度的角度并且设置在所述部分反射型光学窗口和所述第一光学路径的与所述光学窗口相对的末端端部之间，其中所述第一光学检测器包括均被构造成检测入射光的多个光学检测器。

18.根据权利要求17所述的光学传感器，还包括至少一个额外的部分反射型光学窗口，每个额外的部分反射型光学窗口定位在所述第一光学路径和相应的额外的光学路径的相交点处，并且被构造成将选定的波长带的光向着至少一个相应的光学检测器反射或透射。

19.根据权利要求18所述的光学传感器，还包括至少一个额外的滤波器，所述至少一个额外的滤波器设置在至少一个所述额外的部分反射型光学窗口和至少一个与其对应的光学检测器之间。

20.根据权利要求1所述的光学传感器，还包括设置定位在所述第一光学发射器和所述光学窗口之间的第一光学滤波器，以及定位在所述光学检测器和所述光学窗口之间的第二光学滤波器，其中所述第一光学滤波器被构造成过滤掉所述流体样本发射的荧光范围内的基本上所有波长的光，而所述第二光学滤波器被构造成过滤掉所述第一光学发射器发射的基本上所有波长的光，但使下列光通过：来自所述第二光学发射器的波长、响应于来自所述第一光学发射器的光从所述流体样本发射的荧光发射以及响应于来自所述第二光学发射器的光被所述流体样本散射的光。

21.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述第一波长范围是从255纳米(nm)至700nm，所述第二波长范围是从800nm至1100nm。

22.根据权利要求21所述的光学传感器，其中所述第一波长范围是从265nm至290nm，所述第二波长范围是从800nm至900nm。

23.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述外壳被构造成插入管道的T段中，而所述光学窗口定位在流过所述管道的T段的流体样本中。

24.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述外壳被构造成插入流体容器的端口中，而所述光学窗口定位在流过所述流体容器的端口的流体样本中。

25.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述外壳限定底表面，所述光学窗口远离所述底表面地延伸到所述流体样本中，并且所述光学传感器还包括非光学传感器，所述非光学传感器定位在所述底表面上且与所述光学窗口相邻。

26.根据权利要求25所述的光学传感器，其中所述非光学传感器包括pH传感器、电导率传感器和温度传感器中的至少一种。

27.一种方法，包括：

由第一光学发射器发射第一波长的光，使所述第一波长的光通过外壳的光学路径和与所述光学路径光学地连接的光学窗口进入被分析的流体样本；

由光学检测器接收通过所述光学路径的所述流体样本发射的荧光发射；

由第二光学发射器发射不同于所述第一波长的第二波长的光，使所述第二波长的光通过所述光学路径并进入所述被分析的流体样本；以及

由所述光学检测器接收通过所述光学路径的被所述流体样本散射的光。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述光学路径限定第一光学路径，而其中通过所述光学路径发射第一波长的光和发射第二波长的光包括引导所述第一波长的光和所述第二波长的光进入第二光学路径，所述第二光学路径与所述第一光学路径相交成大致90度的角度。

29.根据权利要求28所述的方法，还包括由部分反射型光学窗口将所述第一光学发射器和所述第二光学发射器发射的光的至少一部分从所述第二光学路径反射到所述第一光学路径中，并且将从所述流体样本接收的光的至少一部分通过所述部分反射型光学窗口透射到所述光学检测器。

30.根据权利要求28所述的方法，其中所述光学检测器包括第一光学检测器，并且还包括经由第三光学路径用第二光学检测器接收来自所述第一光学发射器和所述第二光学发射器中的至少一个的光，其中所述第三光学路径与所述第二光学路径相交成大致90度的角度。

31.根据权利要求30所述的方法，还包括由部分反射型光学窗口将所述第一光学发射器发射的光的至少一部分从所述第二光学路径反射到所述第三光学路径中并朝向所述第二光学检测器。

32.根据权利要求27所述的方法，还包括使所述第一光学发射器发射的光通过第一光学滤波器，以过滤掉所述流体样本发射的荧光范围内的基本上所有波长的光，并且使从所述流体样本接收的光经过第二光学滤波器，以过滤掉所述第一光学发射器和所述第二光学发射器发射的基本上所有波长的光。

33.根据权利要求27所述的方法，还包括基于从所述样本接收到的荧光发射确定所述流体样本的至少一种特性。

34.根据权利要求33所述的方法，其中所述至少一种特性是所述样本的荧光团浓度。

35.根据权利要求33所述的方法，其中确定所述至少一种特性包括基于从所述样本接收到的被散射的光调节至少一种特性。

36.根据权利要求27所述的方法，还包括用非光学传感器确定所述流体样本的至少一种特性，所述非光学传感器包括pH传感器、电导率传感器和温度传感器中的至少一种。

37.一种系统，包括：

光学传感器，其包括具有光学路径的外壳、第一光学发射器、第二光学发射器和光学检测器，所述光学路径被构造成引导光通过与所述光学路径光学地连接的光学窗口进入被分析的流体样本并且通过所述光学窗口从所述流体样本接收光；以及

一个或多个控制器，其被构造成：

控制所述第一光学发射器发射第一波长的光，使所述第一波长的光通过所述光学路径进入所述被分析的流体样本；

借助所述光学检测器检测所述流体样本发射的并且通过所述光学路径接收的荧光发射；

控制所述第二光学发射器发射与所述第一波长不同的第二波长的光，使所述第二波长的光通过所述光学路径进入所述被分析的流体样本；以及

由所述光学检测器检测被所述流体样本散射的并且通过所述光学路径接收的光。

38.根据权利要求37所述的系统，其中所述光学检测器包括第一检测器、第二检测器和选择性反射型光学组件，被构造成使得所述选择性反射型光学组件将从所述样本入射的光的至少一部分导向所述第一检测器并且将从所述样本入射的光的至少一部分导向所述第二检测器。

39.根据权利要求38所述的系统，其中所述光学检测器被构造成使得所述选择性反射型光学组件将被所述样本散射的光导向所述第一检测器和所述第二检测器中的一个并且将荧光发出的光从所述样本导向所述第一检测器和所述第二检测器中的另一个。

40.根据权利要求37所述的系统，其中所述一个或多个控制器控制所述第一光学发射器和所述第二光学发射器以交替顺序发射光。

41.根据权利要求37所述的系统，其中所述一个或多个控制器基于检测到的荧光发射来确定所述样本的至少一种特性。

42.根据权利要求41所述的系统，其中所述一个或多个控制器基于检测到的被所述流体样本散射的光来调节所确定的特性中的至少一种。

43.根据权利要求37所述的系统，其中所述光学路径限定第一光学路径并且还包括第二光学路径，所述第二光学路径与所述第一光学路径相交成大致90度的角度，其中所述第一光学路径定位在所述光学窗口和所述光学检测器之间，并且所述第一光学发射器和所述第二光学发射器均被定位以将光导入所述第二光学路径。

44.根据权利要求43所述的系统，其中所述光学检测器包括第一光学检测器并且还包括第二光学检测器，所述第二光学检测器定位在所述第二光学路径的与所述第一光学发射器和所述第二光学发射器中的至少一个相对的一侧。

45.根据权利要求43所述的系统，所述系统还包括：

第三光学路径，其与所述第二光学路径相交成大致90度的角度，其中所述第二光学检测器定位在所述第三光学路径的与所述第一光学发射器和所述第二光学发射器中的至少一个相对的末端端部；以及

部分反射型光学窗口，其定位在所述第二光学路径和所述第三光学路径之间的相交点处，其中所述部分反射型光学窗口被构造成将所述第一光学发射器发射的光的至少一部分从所述第二光学路径反射到所述第三光学路径中，并且所述部分反射型光学窗口被构造成将所述第二光学发射器发射的光的至少一部分透射到所述第三光学路径中。

46.根据权利要求37所述的系统，所述系统还包括非光学传感器，所述非光学传感器与所述一个或多个控制器通信并且被构造成检测所述流体样本的温度、电导率、或pH中的至少一个。

47.根据权利要求37所述的系统，其中所述一个或多个控制器被构造成通过在所述第一光学发射器停止发射之后至少接收响应于从所述第一光学发射器发射的入射光而从所述流体样本荧光发出的光，借助所述光学检测器检测所述流体样本发射的并且通过所述光学路径接收的荧光发射。

48.根据权利要求37所述的系统，其中所述一个或多个控制器被构造成通过在从所述第一光学发射器发射光的同时至少接收响应于从所述第一光学发射器发射的入射光而从所述流体样本荧光发出的光，借助所述光学检测器检测所述流体样本发射的并且通过所述光学路径接收的荧光发射。

49.根据权利要求37所述的系统，其中荧光发射在至少两个荧光通道中被检测，各荧光通道对应于从所述样本荧光发出的特定波长的光或特定波长带的光。

50.根据权利要求49所述的系统，其中所述光学检测器包括多个检测器，使得各荧光通道中的光被导向相应的检测器。

51.一种方法，包括：

用第一波长的光通过光学窗口照射流体样本；

通过所述光学窗口从所述流体样本收集荧光发射；

过滤掉除了所述荧光发射的波长之外的基本上所有波长的光并且检测所述荧光发射的幅度；

用第二波长的光通过所述光学窗口照射所述流体样本；

通过所述光学窗口收集被散射的光；以及

过滤掉除了所述被散射的光的波长之外的基本上所有波长的光并且检测所述被散射的光的幅度。

52.根据权利要求51所述的方法，其中用所述第一波长的光照射所述流体样本包括将来自第一光源的光射向部分反射型光学窗口，所述部分反射型光学窗口对该光进行分光并且将该光的一部分导向所述光学窗口，而用所述第二波长的光照射所述流体样本包括将来自不同于所述第一光源的第二光源的光射向所述部分反射型光学窗口，所述部分反射型光学窗口对该光进行分光并且将该光的一部分导向所述光学窗口。

53.根据权利要求52所述的方法，其中从所述流体样本收集荧光发射包括使所述荧光发射的至少一部分穿过所述部分反射型光学窗口，并且收集被散射的光包括使所述被散射的光的至少一部分穿过所述部分反射型光学窗口。

54.根据权利要求51所述的方法，其中用所述第一波长照射所述流体样本并且用所述第二波长照射所述流体样本包括用所述第一波长的光和所述第二波长的光交替地照射所述流体样本。

55.根据权利要求51所述的方法，其中检测所述荧光发射的幅度包括确定所述流体样本中的发荧光物质的浓度并且检测所述被散射的光的幅度包括确定所述流体样本的浊度。

56.根据权利要求51所述的方法，其中过滤掉除了所述荧光发射的波长之外的基本上所有波长的光包括过滤掉除了所述荧光发射的波长之外的所有波长的光，而过滤掉除了所述被散射的光的波长之外的基本上所有波长的光包括过滤掉除了所述被散射光的波长之外的所有波长的光。

57.根据权利要求51所述的方法，其中所述第一波长在紫外光谱内，而所述第二波长在红外光谱内。

58.根据权利要求51所述的方法，还包括借助与所述光学窗口相邻的传感器接口检测所述流体样本的导电性并且借助与所述光学窗口相邻的传感器接口检测所述流体样本的温度。