CN111220583B - 一种可视化传感阵列及其使用方法 - Google Patents

一种可视化传感阵列及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可视化传感阵列及其使用方法，包括传感器外壳、激发光源、传感阵列和气泵；传感阵列包括透明管和设置在透明管中的若干传感模块，若干传感模块沿轴向依次嵌装在透明管中；传感模块为由担载着荧光化合物或染料的硅胶颗粒形成的柱状体；激发光源和传感阵列平行设置于传感器外壳内，激发光源发射的光能照射至传感阵列中的各传感模块并使各传感模块显色；传感器外壳的颜色为黑色，传感器外壳上设置有可视窗口，可视窗口与传感阵列相对设置，透过可视窗口能够观察到传感阵列中各传感模块；传感阵列的两端分别为进气口和出气口，进气口与进气通道相连，出气口通过抽气通道与气泵连通。本发明结构简易、传感效率高、有效性高。

Description

一种可视化传感阵列及其使用方法
技术领域
本发明属于可视化阵列传感器领域，具体涉及一种可视化传感阵列及其使用方法。
背景技术
传感阵列是将单个传感器组合使用的一种方式，它由多个传感模块组成，具有广谱响应和交互响应的特点，即阵列中每一个传感模块对不同物质会有不同程度的响应，而各个传感模块对于同一物质也会有不同程度的响应。传感阵列通过各传感模块对样品响应后产生的特征信号实现对待测物的识别检测。这一方法不仅能够有效拓展待测物的范围，而且甚至能够实现对结构非常相似的系列待测物的区分。理想的传感阵列既可用于单一物质的准确识别，也可用于复杂样品的鉴定。
目前已有的可视化传感阵列大都是通过将传感模块平行排列形成平面型阵列结构。一般来说，在平面结构中，待检测对象通过抽气和扩散两种作用到达传感模块附近，并与之发生作用同时产生传感信号。由于扩散作用的限制，该类型传感阵列对待检测气体与传感模块之间的相互作用有极高的要求，待检测气体与传感模块之间易出现接触不充分，造成传感效率低，该类型传感阵列的检测性能易受气道密封性的影响，细微的漏气即可给检测带来较大的干扰，使得传感阵列的检测有效性降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可视化传感阵列及其使用方法，结构简易、传感效率高、有效性高。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种可视化传感阵列，包括传感器外壳、激发光源、传感阵列和气泵；
传感阵列包括透明管和设置在透明管中的若干传感模块，若干传感模块沿轴向依次嵌装在透明管中；传感模块为由担载着荧光化合物或染料的硅胶颗粒形成的柱状体；
激发光源和传感阵列平行设置于传感器外壳内，激发光源发射的光能照射至传感阵列中的各传感模块并使各传感模块显色；传感器外壳的颜色为黑色，传感器外壳上设置有可视窗口，可视窗口与传感阵列相对设置，透过可视窗口能够观察到传感阵列中各传感模块；
传感阵列的两端分别为进气口和出气口，进气口与进气通道相连，出气口通过抽气通道与气泵连通。
优选的，传感器外壳内设置有透明管支架，透明管通过透明管支架安装在传感器外壳内。
优选的，激发光源轴线和传感阵列轴线形成的平面与传感阵列轴线和可视窗口轴线形成的平面呈90°角设置。
优选的，进气口与相应端的传感模块之间以及出气口与相应端的传感模块之间均设置有玻璃纤维或金属海绵。
优选的，传感阵列的个数为若干个，若干个传感阵列平行设置。
优选的，若干个传感阵列形成的平面与激发光源的平面呈45度角，与可视窗口的平面也呈45度角。
优选的，传感器外壳的内表面进行了拉毛处理。
优选的，透明管为玻璃管、石英管或聚四氟乙烯管，形状为圆柱型。
优选的，激发光源为贴片型阵列LED灯。
所述的可视化传感阵列的使用方法，接通电源，使激发光源发出的光透过透明管管壁照射在传感模块上使传感模块显色，被检测物质的蒸气在气泵的作用下经由进气口进入透明管，与传感模块发生可逆相互作用，使每个传感模块的颜色或光强度发生变化，通过可视窗口观测每个传感模块的颜色变化，以区分出被检测物质。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明可视化传感阵列涉及的核心元件仅有传感器外壳、激发光源、传感阵列和气泵，结构简易；该传感阵列中没有使用诸如透镜、滤光片、二向色镜等对安装位置有苛刻要求的光学镜片，不仅节约了成本，简化了结构设计，而且在保证传感效率、响应速率、可视化程度的基础上，可以极大地压缩传感器阵列的体积，方便使用(将体积缩小到15mm*15mm*20mm的范围内)。透明管两端口自然形成进气口和出气口，管内部为传感气腔，不用设计专门的传感气室，也不用额外过多的密封就能达到气体传感所需的气密环境，提高传感检测的有效性；传感模块自进气口至出气口方向依次排列，气体从进气口流向出气口的过程中能很好的保证气体与各传感模块的接触，提高传感效率，能实现对两种或两种以上被测物的同步检测。
进一步的，选用玻璃纤维或者金属海绵做传感模块两端的拦截阻隔，一方面防止传感模块的自由移动，另一方面让进气口的待检测气体速度减缓，充分弥散，减少硅胶颗粒的风化，增加待检测气体与传感模块相互作用的概率。
进一步的，为了确保传感阵列的灵敏度，当需要5种以上的传感模块来判断待检测物的成分时，可以并行的设置2根或2根以上的透明管形成阵列型的可视光传感阵列。
进一步的，可视化传感阵列的外壳为拉毛黑色，黑色拉毛设计减小外壳对光的反射，加大对激发光源的吸收，进一步增加传感阵列的可视度。
进一步的，贴片的LED激发光源，尺寸小于4mm*4mm，厚度约1mm，相较于草帽型、炮弹性的LED灯，厚度范围约4～10mm，不仅美观、节约空间，而且发散角大于120°，阵列化容易形成均匀的发光带。
附图说明
图1是实施例1单个传感阵列形成的可视化传感阵列的主视结构示意图。
图2是实施例1单个传感阵列形成的可视化传感阵列的侧视结构示意图。
图3为实施例1检测结果。
图4是实施例2三个传感阵列形成的可视化传感阵列的侧视结构示意图。
其中：1为传感器外壳，2为传感阵列，3为激发光源，4为出气口，5为抽气通道，6为进气通道，7为进气口，8为透明管支架，9为传感模块，10为可视窗口，11为气泵。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明所述的可视化传感阵列，包括传感器外壳、激发光源、传感阵列和气泵。
传感阵列2包括透明管和设置在透明管中的若干传感模块9，若干传感模块9沿轴向依次嵌装在透明管中。传感模块9为担载着荧光化合物或其它染料化合物的硅胶颗粒形成的柱状体，这些化合物通过物理吸附的方式与硅胶颗粒结合。
激发光源3和传感阵列2设置于传感器外壳1内部，激发光源3和传感阵列2在长度方向上平行。传感器外壳1为U型外壳，U型外壳的颜色为黑色，内表面进行了拉毛处理。U型外壳内设置透明管支架8，透明管支架8安装于U型外壳底部两端，用于固定透明管。
U型外壳开口端通过可视窗口10密封，可视窗口10与传感阵列2相对设置，且可视窗口10和传感阵列2在长度方向上平行，透过可视窗口10能够观察传感阵列2中各传感模块9的变化。
激发光源3直接安装在U型外壳的侧面，激发光源3轴线和传感阵列2轴线形成的平面与传感阵列2轴线和可视窗口10轴线形成的平面呈90°角设置。
传感阵列2的两端分别为进气口7和出气口4，进气口7与进气通道6相连，出气口4通过抽气通道5与气泵11连通。进气口7与相应端的传感模块9之间以及出气口4与相应端的传感模块9之间均分别用玻璃纤维或金属海绵等无荧光的透气材质做拦截阻隔，其长度约1～3mm。进气口7和出气口4与传感模块9之间有约2～10mm的距离，以防气流的冲击损伤传感模块9，同时避免紧挨气流影响硅胶颗粒的集合。
透明管可以是玻璃管、石英管、聚四氟乙烯管等不同材质的硬质圆柱型透明管，长度约20～100mm，外直径3～8mm，壁厚1～3mm，具体与传感模块9的长度、种类、数量有关。透明管直径在毫米量级，易填充担载着荧光化合物或其它染料化合物的硅胶颗粒。一根透明管中可以填充2～5种担载不同化合物的硅胶颗粒，每个传感模块9长度为3～15mm。
U型外壳材质为塑料或者金属，具体可以为铝合金或者硬质塑料材质，U型设计配合可视窗口、激发光源的指定位置安装，能增加传感模块的可视度。
可视窗口10的材质可以是透明塑料、玻璃材质、单向可视玻璃或特制光学滤光片。可视窗口优选用单向可视玻璃，既能有效过滤激发光源的波长，又避免外界环境光对传感阵列的可视度干扰。
激发光源3为贴片型阵列LED灯；激发光源3中心发射波长为250～450nm；激发光源3的发散角大于90°，单个LED灯的光强为2～50μW；用于传感阵列2的可视化监测。
气泵11可以采用微型真空气泵，泵速可调，每分钟150～1000mL。
下面结合附图对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅限于下述实施的情形。本发明中以图1中光色管水平设置、进气口7位于左侧定义相关方向，仅为了更清楚地描述，而不是对本发明的限定，例如进气口7也可以位于右侧；根据待测气体情况，本发明传感器可以翻转或倒置使用，也就是说传感模块9不一定处于水平状态。
实施例1
该实施例中可视化传感阵列，如图1和图2所示，传感阵列形状为圆柱型，包括四个传感模块9，它们依次沿轴向嵌装在透明管中，通过紧密的填充与接触形成传感检测所需的气密环境、光学条件。
本实施例中选用的染料为四种荧光化合物，以传统的苝酰亚胺、芘、萘二甲酰亚胺作为核心结构，以能有效提高其荧光量子产率、光化学稳定性以及传感性能的碳硼烷和氮杂环丁烷作为修饰单元，进而与硅胶相结合。四种荧光化合物分别为PBI-CB，Py-CB-Ph，NA-Ch和Py-At。首先，将四种不同的荧光化合物通过物理吸附的方式与硅胶相结合形成四个传感模块9，然后，将传感模块9按照一定的顺序装嵌入透明管的内部，最后，利用阻隔纤维将两端封装。激发光源3为贴片型阵列LED灯，且为紫外灯，接通电源后，激发光源3发出的光透过透明管管壁照射在传感模块9上激发产生荧光。被检测物质的蒸气在气泵11的作用下经由进气口7到达透明管，与传感模块9中的荧光化合物发生可逆相互作用，使每个传感模块9发出的荧光强度增强或减弱，可以通过可视窗口10进行观测，进而根据荧光颜色及强度的变化判定检测的结果。
如图3所示，利用该实施例中的可视化传感阵列检测几种常见的醇类，分别为一级醇(甲醇、乙醇)、二级醇(异丙醇、仲丁醇)和三级醇(叔丁醇、叔戊醇)。被检测物质的蒸气在气泵11作用下经由进气口7进入管内，进样5min后采集一次待检测物质信号，采集方式以数字图像记录为主，通过对比荧光颜色及强度的变化，可以较明显区分出被测物。PBI-CB传感模块对于甲醇和乙醇的蒸气响应不大，而当另外四种醇的蒸气通过时，其荧光明显增强。当六种醇中的任意一种通过时，Py-At传感模块的发射都有不同程度的增强：对于二级醇，异丙醇的增强作用比仲丁醇明显；对于三级醇，叔戊醇比叔丁醇有更强的增强作用。NA-Ch传感模块与被测醇的任何蒸气接触后，其荧光均增强，唯一的例外是甲醇会出现荧光猝灭，可用于甲醇的识别。与上述三种传感模块相比，Py-CB-Ph模块的荧光响应更为复杂：甲醇、乙醇和叔丁醇的蒸气使其荧光强度增大，二级醇(异丙醇、仲丁醇)的引入使其颜色由橙色变为红色，叔戊醇几乎没有影响。由此实现对六种醇类的区分识别。
实施例2
如图4所示，该实施例中设置三个传感阵列2，三个传感阵列2平行设置，三个传感阵列2形成的平面与激发光源3的平面呈45度角，与可视窗口10的平面也呈45度角，从而，激发光源3能够照射到三个传感阵列2，同时从可视窗口10能观察到三个传感阵列2。每个传感阵列2中设置若干个传感模块9。
本发明的拓展方向可以是单个传感阵列2内各个传感模块9的简单并列，即按照不同的顺序排列传感模块9；也可以是不同传感模块9的调整，即根据检测需要，添加不同数量的传感模块9；还可以是多个传感阵列2的并列运行，即根据传感要求，增加传感阵列2的数量以丰富此检测结果。另外，本发明的可视化检测可以是荧光条件下进行的，即选用荧光化合物作为传感模块9；还可以是日光条件下进行的，即选用紫外吸收可变的染料化合物作为传感模块9，此时激发光源3采用日光灯即可。
该可视化传感阵列使用到的电路部分仅是为了给激发光源和气泵提供电源，无需处理探测器采集到的光信号，也无需信号放大、滤波、抗噪等复杂的精细电路设计，节约成本。
最后，以上所述仅展示了本发明部分实例，凡是参照本发明所提的设计的结构及光学传感阵列所做的变动及拓展，均是本发明涉及的内容。

Claims (7)

1.一种可视化传感阵列，其特征在于，包括传感器外壳(1)、激发光源(3)、传感阵列(2)和气泵(11)；
传感阵列(2)包括透明管和设置在透明管中的若干传感模块(9)，若干传感模块(9)沿轴向依次嵌装在透明管中；传感模块(9)为由担载着荧光化合物或染料的硅胶颗粒形成的柱状体；
激发光源(3)和传感阵列(2)平行设置于传感器外壳(1)内，激发光源(3)发射的光能照射至传感阵列(2)中的各传感模块(9)并使各传感模块(9)显色；传感器外壳(1)的颜色为黑色，传感器外壳(1)上设置有可视窗口(10)，可视窗口(10)与传感阵列(2)相对设置，透过可视窗口(10)能够观察到传感阵列(2)中各传感模块(9)；
传感阵列(2)的两端分别为进气口(7)和出气口(4)，进气口(7)与进气通道(6)相连，出气口(4)通过抽气通道(5)与气泵(11)连通；
激发光源(3)轴线和传感阵列(2)轴线形成的平面与传感阵列(2)轴线和可视窗口(10)轴线形成的平面呈90°角设置；
传感阵列(2)的个数为若干个，若干个传感阵列(2)平行设置；
若干个传感阵列(2)形成的平面与激发光源(3)的平面呈45度角，与可视窗口(10)的平面也呈45度角。
2.根据权利要求1所述的可视化传感阵列，其特征在于，传感器外壳(1)内设置有透明管支架(8)，透明管通过透明管支架(8)安装在传感器外壳(1)内。
3.根据权利要求1所述的可视化传感阵列，其特征在于，进气口(7)与相应端的传感模块(9)之间以及出气口(4)与相应端的传感模块(9)之间均设置有玻璃纤维或金属海绵。
4.根据权利要求1所述的可视化传感阵列，其特征在于，传感器外壳(1)的内表面进行了拉毛处理。
5.根据权利要求1所述的可视化传感阵列，其特征在于，透明管为玻璃管、石英管或聚四氟乙烯管，形状为圆柱型。
6.根据权利要求1所述的可视化传感阵列，其特征在于，激发光源(3)为贴片型阵列LED灯。
7.权利要求1-6任一项所述的可视化传感阵列的使用方法，其特征在于，接通电源，使激发光源(3)发出的光透过透明管管壁照射在传感模块(9)上使传感模块(9)显色，被检测物质的蒸气在气泵(11)的作用下经由进气口(7)进入透明管，与传感模块(9)发生可逆相互作用，使每个传感模块(9)的颜色或光强度发生变化，通过可视窗口(10)观测每个传感模块(9)的颜色变化，以区分出被检测物质。
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