CN111678899A - 一种荧光法溶解氧传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光法溶解氧传感器，包括测量光路、信号处理电路、壳体、出线电缆和温度传感器；其中，测量光路包含荧光膜、滤光片、光电探测器、激发光源和参比光源；荧光膜包括隔水透气膜、荧光层、无色透明玻璃片三层，隔水透气膜内表面涂覆荧光层，荧光层内表面粘接无色透明玻璃片；荧光膜位于壳体的头部，滤光片在荧光膜和光电探测器之间，光电探测器位于滤光片后面，连接信号处理电路；参比光源和激发光源固定于壳体内两侧，并和滤光片处于同一个水平面；温度传感器设于壳体内壁上，固定于滤光片与荧光膜之间。本发明能够防止荧光膜脱落，避免了散光多和二次反射，提高了测量精度和稳定性。

Description

一种荧光法溶解氧传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种荧光法溶解氧传感器。

背景技术

溶解氧是指溶解在水中的分子态氧。在水质监测中，水中溶解氧的含量在一定程度上反应了水质受污染程度。当水中溶解氧过低时，厌氧菌快速繁殖，导致有机物腐败，水质变坏，同时由于水中氧气不足，将导致水中鱼虾类缺氧而死。所以把溶解氧作为水质评价的重要参数之一，溶解氧越少，表明污染程度越严重。

溶解氧检测仪是测量水中溶解氧的仪器，从功能上分为离线式和在线式，前者用于实验室常规分析或现场抽查测试，后者用于水处理工程或水环境监测。

目前检测溶解氧含量的方法主要有碘量法、电化学法、分光光度法和荧光法。其中，碘量法又叫试剂法，测量结果准确，但程序繁琐，耗时长且只能离线分析；电化学法又叫薄膜法，分为电流法和极谱法两种方式，电流法可在线测量，但由于测量过程氧会被还原，需要不断地对样品进行搅拌，且透氧膜易老化，易受水中各种杂质干扰，测量准确度低，需要定期更换电极液，使用维护都不方便；极谱法应用较普遍，但同样存在着透氧膜易老化、需要定期更换电极液，使用维护都不方便等问题；分光光度法，通过指示剂和氧分子发生反应，依据吸光值的大小判断氧浓度的大小，该方法操作简单、成本低，但测量精度不高；荧光法是利用氧对某些荧光物质的荧光有瘁灭作用，根据荧光强度和瘁灭的时间长度判断氧气浓度，可在线实时监测，具有成本低、灵敏度高、易维护等优点，但是荧光法目前还存在着一些问题，例如光学反应腔存在散光多、二次反射，荧光膜易脱落和没有温度补偿等缺点。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种荧光法溶解氧传感器，解决了荧光膜易脱落，光学反应腔存在散光多、二次反射干扰测量准确度等问题，并通过测量光学反应中的温度，进行了温度补偿。

一种荧光法溶解氧传感器，包括测量光路、信号处理电路、壳体、出线电缆和温度传感器；所述测量光路包含荧光膜、滤光片、光电探测器、激发光源和参比光源；所述荧光膜包括隔水透气膜、荧光层、无色透明玻璃片三层，所述隔水透气膜内表面涂覆所述荧光层，所述荧光层内表面粘接所述无色透明玻璃片；所述荧光膜位于所述壳体的头部，所述滤光片在所述荧光膜和所述光电探测器之间，所述光电探测器位于所述滤光片后面，连接所述信号处理电路；所述参比光源和所述激发光源固定于所述壳体内两侧，并和所述滤光片处于同一个水平面；所述温度传感器设于所述壳体内壁上，固定于所述滤光片与所述荧光膜之间；所述出线电缆位于所述壳体外，所述出线电缆一端连接于所述测量光路。

本发明的一个优选方案，其中：所述信号处理电路包括光电探测器、模拟电路装置和数模转化装置。信号处理过程是：光电探测器接收经过滤光片过滤的红光，依据红光的强弱输出不同大小电流，不同大小电流再经模拟电路装置的放大和滤波后进入数模转换装置，数模转化装置把模拟信号转变为能直接读出的数字信号。

本发明的一个优选方案，其中：所述隔水透气膜材质为聚四氟乙烯、聚苯乙烯或环氧树脂，防止液体进入壳体。

本发明的一个优选方案，其中：所述荧光层涂覆氧敏感荧光材料钌络合物，可通过喷码打印机在60℃-100℃高温下喷涂到隔水透气膜。

本发明的一个优选方案，其中：所述无色透明玻璃片经过碱处理，能够与荧光氧敏感物质很好结合地在一起。

本发明的一个优选方案，其中：所述壳体为不锈钢管材质的圆管，所述壳体的内部贴有黑色粗糙薄布，防止荧光二次反射引起测量误差。

本发明的一个优选方案，其中：所述出线电缆包括数据传输线和电源线，用于对外数据的传输和外接电路。

本发明的一个优选方案，其中：所述滤光片针对波长650nm的光所选择，能滤掉一些非此波段波长的光。

本发明的一个优选方案，其中：所述光电探测器是一个光电二极管，能将光信号转化成电信号。

本发明的一个优选方案，其中：所述激发光源为激发蓝光LED，所述参比光源为激发红光LED，所述激发光源经荧光膜激发的红光荧光与所述参比光源激发的红光波长相近。荧光物质受激发光源激发产生红色荧光，被氧所瘁灭，且氧浓度越高，荧光强度越小，故可通过光电二极管测量红色荧光的强度来测得水中溶解氧的含量，参比光源红光排除其他因素干扰。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果如下：

(1)使用三层氧敏感荧光膜，水中溶解氧通过隔水透气膜进入到透气层和荧光层之间，并与荧光层上的荧光瘁灭材料发生瘁灭激发反应，荧光物质吸收来自激发光源发的蓝光，激发出红色荧光，红色荧光再经过滤光片被光电探测器检测，提高了测量的稳定性和精确度

(2)本发明使用隔水透气膜隔绝水样，并将荧光层涂于无色透明玻璃片，有效防止了荧光膜因长期接触水样从而失效或脱落，同时能避免溶解氧进入传感器内部，延长了传感器的使用寿命和确保了测量精度和长期稳定性。

(3)本发明通过在壳体内部贴黑色粗糙薄布，避免了光学反应腔存在散光多、二次反射问题，确保了测量精度和稳定性。

(4)本发明根据荧光膜随着温度越高荧光强度越弱的特性，通过添加温度传感器测量光学反应中的温度，进行温度补偿，提高测量准确度。并通过采用滤光片滤掉一些与激发荧光波长不一致的光，从而提高测量准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，并不对本发明的范围进行限制。附图不按比例(除规定外)，并且旨在结合下面详细描述中的说明来使用。

图1为本发明实施例提供的一种荧光法溶解氧传感器结构示意图。

图中：隔水透气膜1，荧光层2，无色透明玻璃片3，温度传感器4，参比光源5，激发光源6，滤光片7，光电探测器8，模拟电路装置9，数模转化装置10，数据传输线11，壳体12，电源线13。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面将结合本发明中的附图，提供具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种荧光法溶解氧传感器，包括测量光路、信号处理电路、壳体12、出线电缆和温度传感器4；测量光路包含荧光膜、滤光片7、光电探测器8、激发光源6和参比光源5；荧光膜包括隔水透气膜1、荧光层2、无色透明玻璃片3三层，隔水透气膜1内表面涂覆荧光层2，荧光层2内表面通过无色透明胶粘接无色透明玻璃片3；隔水透气膜1的材质为聚四氟乙烯，它能透过气态物质，阻隔液态物质，以达到气液态分离的目的，荧光层2涂覆氧敏感荧光材料钌络合物，无色透明玻璃片3经过碱处理，以便能够与荧光氧敏感物质很好地结合在一起；荧光膜位于壳体12的头部，滤光片7在荧光膜和光电探测器8之间，距离比为2：1，滤光片针对波长650nm的光所选择，能过滤掉非此波长的光，光电探测器8位于滤光片7后面，光电探测器8是一个光电二极管，能将光信号转化成电信号，连接信号处理电路；信号处理电路包括光电探测器8、模拟电路装置9和数模转化装置10；参比光源5和激发光源6固定于壳体12内两侧，并和滤光片7处于同一个水平面，激发光源6为激发蓝光LED，参比光源5为激发红光LED，激发光源6照射到荧光膜上，激发荧光膜发的红光波长与参比光源5激发的红光波长相近；温度传感器4设于壳体12内壁上，固定于滤光片7与荧光膜之间，以便准确测量荧光膜和滤光片7之间的氧气温度；出线电缆位于壳体12外，出线电缆包括数据传输线11和电源线13，出线电缆一端连接于测量光路。壳体2为不锈钢管材质的圆管，内部贴有黑色粗糙薄布。

测量液体中溶解氧浓度过程：先将本发明传感器置于待测水样中，连接电源线13和数据传输线11，打开电源开关，使激发光源6发出蓝色激发光，蓝色激发光照射到无色透明玻璃片3时部分反射，经滤光片7过滤，部分透射到荧光层2，荧光物质受激发产生红色荧光，激发产生的红色荧光再和透过隔水透气膜1的氧气发生反应，改变了红色荧光强度，氧气越多，红色荧光强度越弱。红色荧光照射到滤光片7，滤光片7过滤掉部分杂波，过滤后的红色荧光传输到光电探测器8，将光信号转化成电信号并传输到信号处理电路。

然后，切断激发光源6，打开参比光源5，激发红光照射到无色透明玻璃片3时部分反射，经滤光片7过滤后，传输到光电探测器8，将光信号转化成电信号并传输到信号处理电路。信号处理电路中的模拟电路装置9对光电转换的信号进行放大、滤波和解调，数模转化装置10把电信号转换成数字信号，并输出数字信号。

传感器荧光膜的特性随温度而变化，温度越高，荧光强度越弱，温度传感器4通过测量光学反应中的温度，并通过数据传输线13将温度信息传输到处理器和显示屏，进行温度补偿，提高测量准确度。

在无氧条件下将从激发光源6发出蓝光到光电探测器8检测到的红色荧光强度为F0，F0为本传感器出厂校正值，在无氧条件测得；在有氧气条件下将从激发光源6发出蓝光到光电探测器8检测到的红色荧光强度为F1，⊿F＝F1-F0，⊿F与溶解氧浓度成线性关系。参比光源激发红光发射损失的光强，是光束反射过程中其他因素对反射强度的影响，用于排除其他因素对光的影响。

在处理器处理⊿F和溶解氧浓度关系，通过在处理器上添加温度补偿系数从而实现整个传感器溶解氧测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种荧光法溶解氧传感器，其特征在于：包括测量光路、信号处理电路、壳体、出线电缆和温度传感器；所述测量光路包含荧光膜、滤光片、光电探测器、激发光源和参比光源；所述荧光膜包括隔水透气膜、荧光层、无色透明玻璃片三层，所述隔水透气膜内表面涂覆所述荧光层，所述荧光层内表面粘接所述无色透明玻璃片；所述荧光膜位于所述壳体的头部，所述滤光片在所述荧光膜和所述光电探测器之间，所述光电探测器位于所述滤光片后面，连接所述信号处理电路；所述参比光源和所述激发光源固定于所述壳体内两侧，并和所述滤光片处于同一个水平面；所述温度传感器设于所述壳体内壁上，固定于所述滤光片与所述荧光膜之间；所述出线电缆位于所述壳体外，所述出线电缆一端连接于所述测量光路。

2.根据权利要求1所述的荧光法溶解氧传感器，其特征在于：所述信号处理电路包括光电探测器、模拟电路装置和数模转化装置。

3.根据权利要求1所述的荧光法溶解氧传感器，其特征在于：所述隔水透气膜材质为聚四氟乙烯、聚苯乙烯或环氧树脂。

4.根据权利要求1所述的荧光法溶解氧传感器，其特征在于：所述荧光层为涂覆氧敏感荧光材料钌络合物层。

5.根据权利要求1-4任一所述的荧光法溶解氧传感器，其特征在于：所述无色透明玻璃片经过碱处理。

6.根据权利要求5所述的荧光法溶解氧传感器，其特征在于：所述壳体为不锈钢管材质的圆管，所述壳体的内部贴有黑色粗糙薄布。

7.根据权利要求6所述的荧光法溶解氧传感器，其特征在于：所述出线电缆包括数据传输线和电源线。

8.根据权利要求7所述的荧光法溶解氧传感器，其特征在于：所述滤光片针对波长650nm的光所选择。

9.根据权利要求8所述的荧光法溶解氧传感器，其特征在于：所述光电探测器是一个光电二极管。

10.根据权利要求9所述的荧光法溶解氧传感器，其特征在于：所述激发光源为激发蓝光LED，所述参比光源为激发红光LED，所述激发光源经荧光膜激发的红光荧光与所述参比光源激发的红光波长相近。

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