CN111208107B - 一种溶解氧测量装置及传感膜最适激发条件的判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种溶解氧测量装置及传感膜最适激发条件的判定方法，涉及溶解氧测量技术领域；该激发条件判定方法包括：固定待检测的传感膜，取最大荧光强度对应的波长为最适激发光波长；求出荧光信号与反射光信号之间的相位差，并求该相位差的正切值；取最大特征值对应的频率作为最适调制频率；当荧光信号强度和反射光信号强度近似相等时，所对应的激发光强度为最适激发光强度；该溶解氧测量包括激发光发射模块、参比光发射模块、光电转换模块、信号放大模块、处理模块。本发明利用光学和电学手段，在提升信噪比、缩短检测时间的同时，显著减少了产品的功耗、延长了其使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及溶解氧测量技术领域，尤其涉及一种溶解氧测量装置的及传感膜最适激发条件的判定方法。
背景技术
溶解于水中的分子态氧称为溶解氧，准确、快速地测定水中的溶解氧浓度对于化工生产、医疗卫生、环境监测、水产养殖等多个领域都具有重要意义，基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器是一类利用特殊化合物在不同氧浓度下荧光猝灭特性的不同来检测和表征水体溶解氧情况的测量设备，在实际应用中，由于荧光强度易受外界因素干扰，而荧光寿命极短难于测量，通常采用相位法，利用相位法测量溶解氧含量，最终测量结果的质量取决于所检测到的荧光信号的质量，而荧光信号又与激发条件直接相关，具体包括激发光的波长、强度和调制频率。对于不同材质和装配结构的传感膜，其所需的最适激发条件各不相同。其中，激发光的波长和激发光强度关联性较大。
目前，国内的溶解氧传感器在激发条件控制上对于不同材质和结构的传感膜，大部分厂商和研究者通常不去判定其最适激发条件，而是使用大功率，高强度的光源，用短波长、高能量的蓝光或紫光，激发光调制频率设定为数十kHz，通过较长时间光照得到测量结果，这一方法不但增加了设备功耗，同时将不可避免地缩短传感膜和其他部件的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的设备功耗高，部分部件使用寿命低缺点，而提出的一种溶解氧测量装置的及传感膜最适激发条件的判定方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种溶解氧测量装置传感膜最适激发条件的判定方法，包括以下步骤：
S1：固定待检测的传感膜，然后分别使用不同波长激发光源直接照射其表面，获取其受激发产生的荧光信号的强度，取最大荧光强度对应的波长为最适激发光波长；
S2：依次使用多个不同频率的信号对参比光和激发光进行调制，用调制后的参比光和激发光分别照射传感膜表面，获取其反射光信号和受激发产生的荧光信号的强度和相位，求出荧光信号与反射光信号之间的相位差，并求该相位差的正切值；
S3：将S2中获得的荧光信号的强度和相位差的正切值进行相乘，得到相应激发频率下的荧光特征值，取最大特征值对应的频率作为最适调制频率；
S4：在S1获得的最适激发光波长和S3获得的最适调制频率下，使用参比光源对传感膜进行照射，获取其反射光信号的强度，然后使用不同发光强度的激发光源进行照射，获取其受激发产生的荧光信号的强度，当荧光信号强度和反射光信号强度近似相等时，所对应的激发光强度为最适激发光强度。
优选地：所述步骤S1至S4中，核心部件应进行遮光处理，同时需控制操作过程中环境的温度和含氧量不发生显著变化；激发光源和参比光源为普通直插型发光二极管，采用0603封装的贴片型发光二极管、采用0805封装的贴片型发光二极管、采用1206封装的贴片型发光二极管、金属发光二极管中的一种。
优选地：所述步骤S1中，不同波长的激发光源，其发光强度应一致，且不小于80mcd；不同波长的激发光源，总波长范围在400-550nm以内；不同波长的激发光源，相邻两光源中心波长距离小于15nm。
优选地：所述步骤S2中，调制信号的类型为正弦波或方波，频率范围在1kHz-50kHz以内；荧光信号和反射光信号的相位检测方法为基于软件实现的普通快速傅里叶变换算法、基于软件实现的分步傅里叶算法、基于软件实现的全相位快速傅里叶变换算法中的一种；相位差以弧度制表示。
优选地：所述步骤S4中，不同强度的激发光源，其最大发光强度不应超过200mcd。
一种溶解氧测量装置，包括激发光发射模块、参比光发射模块、光电转换模块、信号放大模块、控制模块和处理模块。
作为本发明进一步的方案：所述激发光发射模块中心波长在400-550nm以内，发射光强度小于200mcd。
作为本发明再进一步的方案：所述参比光发射模块中心波长在600-650nm以内，发射光强度小于100mcd。
作为本发明再进一步的方案：所述光电转换模块核心部件为硅光电池、光电二极管、CCD感光元件中的一种，且表面设有滤光片。
作为本发明再进一步的方案：所述信号放大模块放大倍数根据实际需要定为10-100倍，控制模块和处理模块均使用单片机或其他控制设备予以实现和集成。
本发明的有益效果为：
本发明所提出的一种溶解氧测量装置传感膜最适激发条件的判定方法及装置，利用光学和电学手段，在较短时间内获得了传感器所需的最适激发条件，解决了传感器在研发、生产和使用过程中因激发条件不适宜导致的精度下降和寿命缩短等问题。在提升信噪比、缩短检测时间的同时，显著减少了产品的功耗、延长了其使用寿命。对于新型荧光传感膜的研发和基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器的生产具有积极意义。
附图说明
图1为本发明提出的一种溶解氧测量装置结构示意图；
图中：1-荧光传感膜；2-激发光发射模块；3-参比光发射模块；4-光电转换模块；5-信号放大模块；6-控制模块；7-处理模块；8-单片机。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
一种溶解氧测量装置传感膜最适激发条件的判定方法，包括以下步骤：
S1：固定待检测的传感膜，然后分别使用不同波长激发光源直接照射其表面，获取其受激发产生的荧光信号的强度，取最大荧光强度对应的波长为最适激发光波长；
S2：依次使用多个不同频率的信号对参比光和激发光进行调制，用调制后的参比光和激发光分别照射传感膜表面，获取其反射光信号和受激发产生的荧光信号的强度和相位，求出荧光信号与反射光信号之间的相位差，并求该相位差的正切值；
S3：将S2中获得的荧光信号的强度和相位差的正切值进行相乘，得到相应激发频率下的荧光特征值，取最大特征值对应的频率作为最适调制频率；
S4：在S1获得的最适激发光波长和S3获得的最适调制频率下，使用参比光源对传感膜进行照射，获取其反射光信号的强度，然后使用不同发光强度的激发光源进行照射，获取其受激发产生的荧光信号的强度，当荧光信号强度和反射光信号强度近似相等时，所对应的激发光强度为最适激发光强度。
其中，所述步骤S1至S4中，核心部件应进行遮光处理，同时需控制操作过程中环境的温度和含氧量不发生显著变化；激发光源和参比光源为普通直插型发光二极管，采用0603封装的贴片型发光二极管、采用0805封装的贴片型发光二极管、采用1206封装的贴片型发光二极管、金属发光二极管中的一种。
其中所述步骤S1中，不同波长的激发光源，其发光强度应一致，且不小于80mcd；不同波长的激发光源，总波长范围在400-550nm以内；不同波长的激发光源，相邻两光源中心波长距离小于15nm。
其中，所述步骤S2中，调制信号的类型为正弦波或方波，频率范围在1kHz-50kHz以内；荧光信号和反射光信号的相位检测方法为基于软件实现的普通快速傅里叶变换算法、基于软件实现的分步傅里叶算法、基于软件实现的全相位快速傅里叶变换算法中的一种；相位差以弧度制表示。
其中，所述步骤S4中，不同强度的激发光源，其最大发光强度不应超过200mcd。
一种溶解氧测量装置，如图1所示，包括激发光发射模块2、参比光发射模块3、光电转换模块4、信号放大模块5、控制模块6和处理模块7。
其中，所述激发光发射模块2用于向荧光传感膜1发射短波长的激发光，引发荧光猝灭效应，中心波长在400-550nm以内，发射光强度小于200mcd。
其中，所述参比光发射模块3用于向荧光传感膜1发射长波长的参比光，作为相位差的比较基准，中心波长在600-650nm以内，发射光强度小于100mcd。
其中，所述光电转换模块4用于将光信号转化为模拟电信号，核心部件为硅光电池、光电二极管、CCD感光元件中的一种，且表面设有滤光片。
其中，所述信号放大模块5用于提高模拟信号的强度，其放大倍数根据实际需要定为10-100倍，控制模块6用于对激发光和参比光进行调制，处理模块7用于对接收到的信号进行模-数转换、滤波、相位检测以及后续的运算和结果输出，控制模块6和处理模块7均使用单片机8或其他控制设备予以实现和集成。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种溶解氧测量装置传感膜最适激发条件的判定方法，其特征在于，激发条件判定方法以下步骤：
S1：固定待检测的传感膜，然后分别使用不同波长激发光源直接照射其表面，获取其受激发产生的荧光信号的强度，取最大荧光强度对应的波长为最适激发光波长；
S2：依次使用多个不同频率的信号对参比光和激发光进行调制，用调制后的参比光和激发光分别照射传感膜表面，获取其反射光信号和受激发产生的荧光信号的强度和相位，求出荧光信号与反射光信号之间的相位差，并求该相位差的正切值；
S3：将S2中获得的荧光信号的强度和相位差的正切值进行相乘，得到相应激发频率下的荧光特征值，取最大特征值对应的频率作为最适调制频率；
S4：在S1获得的最适激发光波长和S3获得的最适调制频率下，使用参比光源对传感膜进行照射，获取其反射光信号的强度，然后使用不同发光强度的激发光源进行照射，获取其受激发产生的荧光信号的强度，当荧光信号强度和反射光信号强度相等时，所对应的激发光强度为最适激发光强度。
2.根据权利要求1所述的一种溶解氧测量装置传感膜最适激发条件的判定方法，其特征在于，所述步骤S1至S4中，核心部件应进行遮光处理，同时需控制操作过程中环境的温度和含氧量不发生显著变化；激发光源和参比光源为普通直插型发光二极管，采用0603封装的贴片型发光二极管、采用0805封装的贴片型发光二极管、采用1206封装的贴片型发光二极管、金属发光二极管中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种溶解氧测量装置传感膜最适激发条件的判定方法，其特征在于，所述步骤S1中，不同波长的激发光源，其发光强度应一致，且不小于80mcd；不同波长的激发光源，总波长范围在400-550nm以内；不同波长的激发光源，相邻两光源中心波长距离小于15nm。
4.根据权利要求1所述的一种溶解氧测量装置传感膜最适激发条件的判定方法，其特征在于，所述步骤S2中，调制信号的类型为正弦波或方波，频率范围在1kHz-50kHz以内；荧光信号和反射光信号的相位检测方法为基于软件实现的普通快速傅里叶变换算法、基于软件实现的分步傅里叶算法、基于软件实现的全相位快速傅里叶变换算法中的一种；相位差以弧度制表示。
5.根据权利要求1所述的一种溶解氧测量装置传感膜最适激发条件的判定方法，其特征在于，所述步骤S4中，不同强度的激发光源，其最大发光强度不应超过200mcd。
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| 薄层扫描测定中荧光与增荧光成分的最佳激发波长研究;李向军 等;《河北中医药学报》;20130630;第28卷(第2期);第42-43+2页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111208107A (zh) | 2020-05-29 |
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