CN107991275A - 一种基于荧光猝灭的光纤溶解氧检测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于荧光猝灭的光纤溶解氧检测方法和装置涉及溶解氧测量领域，装置包括LED光源，Y型光纤，SMA905法兰座，氧传感膜，TCS230D颜色传感器和STM32。LED光源发出的激发光经Y型光纤输入端进入，通过Y型光纤探头照射在氧传感膜上，激发的荧光和部分激发光一起从Y型光纤输出端射出，直接照射到TCS230D颜色传感器的光感应部分。利用TCS230D颜色传感器能够将光强转换为频率的功能，使用STM32定时器外部计数，捕获TCS230D颜色传感器输出频率。控制TCS230D颜色传感器内部集成的滤光片将激发光波长滤除得到荧光光强对应的频率，通过建立频率和溶解氧的线性关系，计算求得溶解氧。本发明没有复杂的电路，检测结果可靠，检测速度快，成本低、精度高。

Description

一种基于荧光猝灭的光纤溶解氧检测方法和装置
技术领域
本发明涉及一种基于荧光猝灭的光纤溶解氧检测方法和装置。
背景技术
溶解氧是指溶解于水或者溶液的分子态氧，对溶解氧浓度的测定在临床医学、环境监测、工业处理以及生物发酵等领域都具有重要的意义。
目前溶解氧探测方法已有很多，其中比较常见的是碘量法和电极法。碘量法是一种纯化学方法，化学反应复杂，易受干扰，测量时间长，无法实现实时在线测量。电极法是一种电化学方法需要使用膜、电极和电解液，会导致很多问题，因此需要进行定期维护。尽管这些方法比较成熟，也可以提供合理精确的测量结果，但是它们的测量往往是静态的，同时存在响应时间长、操作复杂、氧消耗量大等缺点，限制了它们的广泛应用。
利用光学手段进行溶解氧测量，可以避免实验室测量和电极维护带来的繁琐操作，为溶解氧的在线监测技术提供了新的技术手段。而基于荧光猝灭原理的光纤溶解氧测量法是近年发展起来的一种新型微量测量技术，光纤溶解氧传感器具有不耗氧、无须参比电极、检测精度高、灵敏度高、不受电磁场的干扰等优点，克服了碘量法和电极法的不足，已成为在线监测水中溶解氧浓度分析仪器的研究与开发热点，并拓展了其在生物化学、环境监测和海洋资源开发领域的应用。
荧光猝灭的原理是：激发光照射在传感膜上产生荧光，在一定氧气浓度的环境下，荧光将会发生猝灭。其中荧光的寿命和强度与氧气的浓度都具有一定的关系，可用Stern-Volmer方程来描述。
因此可以通过检测荧光寿命和荧光强度来测量溶解氧的浓度，不论是那种方法，目前在测量时通常都是通过测量将光信号转换为电压信号或者电流信号来测得溶解氧，需要复杂的光电转换及信号放大电路，而且电路中会有许多不可避免的噪声干扰，而且成本也不低。
本专利在荧光猝灭原理的光纤荧光溶解氧测量基础上，提出了一种新的检测溶解氧的方法。
发明内容
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、检测结果可靠，检测速度快，成本低、精度高，具有很好的应用价值的一种基于荧光猝灭的光纤溶解氧检测方法和装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于荧光猝灭的光纤溶解氧检测装置，其特征在于：包括LED光源，Y型光纤，SMA905法兰座，氧传感膜，TCS230D颜色传感器和STM32；；LED光源发出的激发光经Y型光纤输入端进入，通过Y型光纤探头照射在氧传感膜上，激发的荧光和部分激发光一起从Y型光纤输出端射出，直接照射到TCS230D颜色传感器的光感应部分；利用TCS230D颜色传感器能够将光强转换为频率的功能，使用STM32定时器外部计数，捕获TCS230D颜色传感器输出频率；利用TCS230D颜色传感器将激发光滤除得到荧光光强对应的频率。
Y型光纤输出端通过使用SMA905接口和法兰座连接，SMA905法兰座通孔的中心正对于TCS230D颜色传感器光感应部分，使得从光纤端射出的光束正好照射到TCS230D颜色传感器光感应部分。
为了避免外界光的干扰，使用避光外壳将TCS230D颜色传感器封闭于避光状态。
使用STM32定时器外部计数功能，基于TCS230D颜色传感器能将光强转换为频率且输出为数字信号的功能，捕获TCS230D颜色传感器输出频率大小。
光纤输出端射出的光包含激发光和荧光，直接照射到TCS230D颜色传感器的光感应部分，通过控制TCS230D颜色传感器内部集成滤光片将激发光波长的蓝色光滤除得到荧光光强对应的频率。
通过捕获颜色传感器输出的荧光光强对应的频率值，建立频率值与标准溶解氧的线性关系。然后利用此装置去检测未知浓度的溶解氧，最后推算出相应的溶解氧含量。
开发上位机，通过串口与下位机STM32通讯，实时显示溶解氧曲线以及实时存储数据。
本发明避免了复杂的光电转换及信号放大电路。可实现数据自动采集和保存。本发明可以广泛应用于水厂、污水处理厂，也可以用于生物发酵的溶解氧的自动监控。该发明设计合理，结构简单，没有复杂的电路，成本低廉，精度高，具有很好的应用价值。
以往通过荧光猝灭检测溶解氧是通过光电二极管(或者光电倍增管)将荧光强度转换为电压信号后，通过电压来计算溶解氧，另外电路中会存在噪声以及干扰，光电二极管价格也不便宜，光电倍增管也很昂贵。如果采用专利中的传感器直接将荧光强度转换为频率，通过频率来计算溶解氧，不仅没有复杂的电路，而且价格也很低。
从光纤输出端到传感器的光既有荧光，也有激发光，所以通常需要先使用滤光片将激发光滤除，再使用光电电路将荧光信号转换成电压信号。
而本申请专利这里没有用到额外的滤光片，如果这里用颜色传感器直接测量光的强度明显是不行的，即不能得到荧光光强对应的频率，因为光里面还混合有激发光波长的光。
因此这里需要一个方法才能得到我们需要的荧光强度对应的频率：首先需要关闭传感器RGB通道所有滤光片，让所有光通过，测量混合光强度对应的频率F1；然后开启B(蓝色)通道滤光片，只让激发光(蓝光)通过，得到激发光对应频率F2。通过公式F＝F1-F2计算便可以得到荧光光强对应的频率。
附图说明
图1是本发明总体结构示意图；
图2是外部计数流程图；
图3是溶解氧检测流程图；
图中1-LED光源，2-Y型光纤，3-SMA905法兰座，4-TCS230D颜色传感器，5-避光外壳，6-氧传感膜，7-TCS230D颜色传感器固定板，8-SMA905法兰座固定板。
具体实施方式
如图所示，本具体实施方式采用以下技术方案：它包含LED光源1、Y型光纤2、SMA905法兰座3、TCS230D颜色传感器4、避光外壳5、氧传感膜6、TCS230D颜色传感器固定板7、SMA905法兰座固定板8；Y型光纤2输出端与SMA905法兰座3连接，SMA905法兰座3通过螺钉螺母固定在SMA905法兰座固定板8上，TCS230D颜色传感器通过胶水和固定板7上通孔固定在固定板7上，TCS230D颜色传感器固定板7和SMA905法兰座固定板8通过凸出来一部分插入带孔的避光外壳5相互配合固定。Y型光纤2通过SMA905接口和LED光源1连接。
避光外壳5、TCS230D颜色传感器固定板7以及SMA905法兰座固定板8的材料都为严格不透光的黑色亚克力，亚克力板厚度为3mm。
本实施例中LED光源1采用3W的蓝色LED灯珠，供电电压为直流5V，采用恒流恒压驱动电路驱动，且需要加散热片散热，其发出的激发光中心波长为473nm。
SMA905法兰座3的通光孔与SMA905法兰座固定板8上的通光孔的中心线相互重合。
Y型光纤2的光输出端射出的光包含荧光和部分激发光，在通过滤光片后，经过光纤直接照射在TCS230D颜色传感器4的光感应部分。
本方法抛弃传统的将荧光光强转换为电流信号或者电压信号的方式，通过使用TCS230D颜色传感器4，采集将荧光光强转换为相应的频率值来表征荧光光强。
STM32通过USB串口和上位机通信，且上位机通过USB向STM32供电。
TCS230D颜色传感器4通过STM32提供5V直流电。
利用STM32定时器外部计数功能，对TCS230D颜色传感器4的输出方波信号进行捕获。
频率捕获方式如下：首先开启定时器计数功能，开始计数的同时进行定时，定时时间到后，获取计数器计数值，与此同时将计数器清空，进入下一计数周期，依次循环。
TCS230D颜色传感器4内部集成滤光片将激发光波长的蓝色光滤除得到荧光光强对应的频率，具体的方法为：通过STM32控制TCS230D颜色传感器4的S2和S3两个引脚来控制TCS230D颜色传感器4内部集成滤光片的关闭或者通过光的类型；首先关闭滤光片，得到包含荧光和部分激发光的混合光对应的频率F1；然后开启蓝色滤光片，得到混合光里面激发光光强对应的频率F2，通过F＝F1-F2计算可以得到荧光光强对应的频率。
通过荧光光强对应的频率值，建立频率值与标准溶解氧的线性关系。然后利用此装置去检测未知浓度的溶解氧，最后推算出相应的溶解氧含量。
上位机通过USB串口与下位机STM32通讯，通过串口中断方式接收下位机STM32发送的数据，每一次串口中断时：将新接收的数据画入实时曲线，为了防止实时曲线出现卡顿延迟现象，需要限定曲线长度，即超过限定长度后抛弃曲线最前面那个数据，将新数据加入曲线尾部，且新接收的数据会自动保存。因此上位机会实时显示溶解氧曲线，并实时存储数据。
此方法简单易行，容易操作，成本低廉，精度高，避免了复杂的光电转换及信号放大电路。

Claims (5)

1.一种基于荧光猝灭的光纤溶解氧检测装置，其特征在于：包括LED光源，Y型光纤，SMA905法兰座，氧传感膜，TCS230D颜色传感器和STM32；LED光源发出的激发光经Y型光纤输入端进入，通过Y型光纤探头照射在氧传感膜上，激发的荧光和部分激发光一起从Y型光纤输出端射出，直接照射到TCS230D颜色传感器的光感应部分；利用TCS230D颜色传感器能够将光强转换为频率的功能，使用STM32定时器外部计数，捕获TCS230D颜色传感器输出频率；利用TCS230D颜色传感器将激发光滤除得到荧光光强对应的频率。
2.如权利要求1所述的一种基于荧光猝灭的光纤溶解氧检测装置，其特征在于：Y型光纤输出端使用SMA905法兰座固定，SMA905法兰座通孔的中心正对于TCS230D颜色传感器光感应部分，使得从光纤输出端射出的荧光正好照射到TCS230D颜色传感器光感应部分。
3.如权利要求1所述的一种基于荧光猝灭的光纤溶解氧检测装置，其特征在于：使用避光外壳将TCS230D颜色传感器封闭于避光状态。
4.应用如权利要求1-3任意一项所述装置的方法，其特征在于：
通过捕获的频率值，建立频率值与标准溶解氧的线性关系。然后利用此装置去检测未知浓度的溶解氧，最后推算出相应的溶解氧含量。
5.应用如权利要求1-3任意一项所述装置的方法，其特征在于，利用TCS230D颜色传感器将激发光滤除得到荧光光强对应的频率具体为：
首先需要关闭TCS230D颜色传感器RGB通道所有滤光片，让所有光通过，测量混合光强度对应的频率F1；然后开启B通道滤光片，只让激发光通过，得到激发光对应频率F2；通过公式F＝F1-F2计算便得到荧光光强对应的频率。
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