CN117571679A - 一种基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学设备领域，具体涉及一种基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法及系统。S1：将荧光探头曝露于待测空间内并通过Y型光纤与激光器和单光子探测器通信连接。S2：由激光器通过Y型光纤的其中一条光路向荧光探头发射脉冲激光，以激发荧光探头产生荧光。S3：滤除Y型光纤的另一条光路中对应脉冲激光的波段，再通过单光子探测器获取发射周期内荧光探头的回波信号。S4：最后对回波信号中的光子数进行计量和分析得到待测空间内的氧分压。在数据分析阶段，本发明先采用TCSPC技术测量荧光寿命，再查询预先标定的淬灭函数得到检测结果。本发明解决了现有各类测氧技术存在的操作复杂、工作场景单一、分辨率不足等问题。

Description

一种基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法及系统
技术领域
本发明属于光学设备领域，具体涉及一种基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法、基于TCSPC的光源与探测模块，以及单通道的荧光测氧系统、多通道的荧光测氧系统和带温度补偿的荧光测氧系统。
背景技术
氧传感器是一类重要的气体传感器，可应用于航空燃料的脱氧处理、高空预警平台的气体泄漏检测等氧气安全工作状态控制系统以及载人飞船、空间站、各种型号潜艇、先进战机的生命保障系统，还可以在民用航空、大飞机和大船中配套应用。根据测定原理的不同，氧传感器主要包括热磁氧传感器、电化学氧传感器、氧化锆陶瓷氧传感器、可调谐激光氧传感器和频率检测式氧传感器等。
热磁氧传感器利用氧气的顺磁磁化率高的特性，通过检测混合气氛在非均匀磁场影响下的热磁对流现象去测量该气体的磁化率，进而得出混合气氛中的氧分压。不过，热磁氧传感器不适合于待测混合气体含有热导率较大的气体（如H2）的情况，另外，热磁氧传感器的成本太高，装配、使用、维修复杂，售后维护工作量大，这些问题大大限制了其应用场合的范围。
电化学氧传感器利用氧气在电池阴极的催化还原反应来测量待测气体中的微量氧含量，一般采用酸碱或其盐溶液作为电解质，阳极为Pb、Cu、Cd等不能极化的金属，阴极为Pt、Ag、Au等对氧有较强催化还原活性的金属。氧气溶解在电解液中，然后到达阴极并在其表面被还原，同时阳极的铅被氧化，根据电流值可以计算出被测气体的氧含量。由于电化学氧传感器基于电化学反应完成氧气测量，传感器寿命受到较大影响，相比于其它氧传感器，电化学氧传感器寿命较低。
氧化锆陶瓷氧传感器利用氧化钇稳定氧化锆（YSZ）在高温下具有传导氧离子的特性，一般采用YSZ作为固体电解质隔膜，电极则是多孔铂金涂层，氧浓差电势的大小可由能斯特（Nernst）公式计算得出。氧化锆陶瓷氧传感器由于工作温度高达700摄氏度，在小空间场景和含有易燃易爆气体的场景中会存在安全隐患。
可调谐激光式氧传感器是基于可调谐激光光谱吸收技术对氧气浓度进行测量。传感器选择的激光器波长与氧气的特征吸收谱线相匹配，此波长在近红外区，760nm。将激光器连续调制，使其波长周期性的扫过氧气的吸收光谱，可以从光电管中收到相应的周期信号，信号的幅值与被测气体的氧气浓度成一定的对应关系。这种氧传感器制造成本较高，并且幅度测量的特性，导致其需要经常校准。
频域检测式氧传感器是基于荧光淬灭过程，物质分子吸收入射光到荧光被氧气分子淬灭的过程中，吸光过程持续时间远小于荧光过程和淬灭过程，因此可将激发光信号视为冲激信号，荧光强度信号视为冲激信号的响应，其相位差反映了荧光的寿命，通过锁相放大技术可以完成荧光信号和激发光信号的相位差探测。该技术具有安全易安装的优点，但锁相过程需要不断调整发光频率来使得相位稳定，调整过程不可避免的带来激发条件的改变，因此准确性和稳定性较差。
发明内容
为了解决现有各类测氧技术存在的操作复杂，工作场景单一、分辨率不足的问题，本发明提供一种基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法、基于TCSPC的光源与探测模块，以及单通道的荧光测氧系统、多通道的荧光测氧系统和带温度补偿的荧光测氧系统。
本发明采用以下技术方案实现：
一种基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法，其包括如下步骤：
S1：将荧光探头曝露于待测空间内；荧光探头通过Y型光纤与待测空间之外的激光器和单光子探测器通信连接。
S2：由激光器按照预设的发射频率通过Y型光纤的其中一条光路向荧光探头发射脉冲激光，以激发荧光探头产生荧光。
S3：滤除Y型光纤的另一条光路中对应脉冲激光的波段，再通过单光子探测器获取发射周期内荧光探头的回波信号。
S4：按照预设的采样周期△t获取回波信号的光子数，并分析出待测空间内的氧分压Po2，过程如下：
S41：以脉冲激光发射时刻为开始时刻，将发射周期T划分为若干个采样周期△t。
S42：记录每个采样周期△t内单光子探测器检测到的回波信号中响应的荧光的光子数I。
S43：利用指数函数对发射周期内各个采样周期的光子数I对应的离散的时域分布函数进行拟合，得到对应的响应函数I（t）：；
上式中，A0表示开始时刻的光子数；k0表示荧光探头中的荧光材料通过非辐射跃迁返回基态的衰减跃迁速率。
S44：将拟合出的响应函数的衰减跃迁速率k0的倒数作为表征荧光物质在当前氧分压下的荧光寿命的特征值，即：/>；
S45：根据发射周期T内实测出的荧光寿命，查询如下的一个预先根据氧分压梯度荧光淬灭实验标定的表征荧光寿命/>与氧分压Po2间映射关系的淬灭函数，并生成待测空间内的氧分压Po2的检测结果：/>；
上式中，表示荧光探头中的荧光物质在无氧状态下的荧光寿命；/>表示Stern-Volmer常数，其与荧光探头采用的荧光材料有关。
作为本发明进一步改进，激光器用于按照10kHz的发射频率产生波长为405nm的脉冲激光。
作为本发明进一步改进，激光器预设的发射周期T的长度为100us；回波信号的采样周期△t的长度为100ns。
作为本发明进一步改进，步骤S3中，在单光子探测器与Y型光纤接口之间设置一个用于滤除405nm波段光信号的滤波器，以滤除回波信号中包含的脉冲激光的反射信号。
作为本发明进一步改进，步骤S45中，氧分压梯度荧光淬灭实验的测试方法如下：
S01：将荧光探头置于密封容器中，并保持容器中的初始氧分压为零。
S02：通过激光器向荧光探头发射脉冲激光，并采集回波信号。
S03：按照预设的氧分压梯度升高容器中的氧分压，并按照步骤S41-S44的步骤分析并记录每个氧分压Po2状态下的荧光寿命。
S04：根据实验记录下的荧光寿命与氧分压Po2间一系列离散的映射数据，拟合出如下的一个表征荧光寿命/>与氧分压Po2间映射关系的淬灭函数：/>。
本发明还包括一种基于TCSPC的光源与探测模块，其包括用于和荧光探头以及Y形光纤连接的光纤输入端口和光纤输出端口。该型基于TCSPC的光源与探测模块采用如前述的基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法，向位于待测空间内的荧光探头发生脉冲激光，并采集荧光探头处的回波信号，进而根据回波信号分析得到待测空间内的氧分压。该型基于TCSPC的光源与探测模块包括：电源、激光器、激光器、单光子探测器、滤波器、单光子采集卡以及主控制器。
其中，电源用于为其他功能模块供电。激光器与光纤输出端口连接，用于按照预设的发射频率生成并发射周期性的脉冲激光信号。激光控制器与激光器电连接，激光控制器用于根据接受到的启动指令向激光器发出一个驱动信号，并调整激光器的发射频率和脉冲强度。
单光子探测器用于测量接收到的光信号的光子数。滤波器连接在光纤输入端口和单光子探测器之间；滤波器用于滤除进入到单光子探测器的回波信号中对应激光器产生的脉冲激光的波段的光信号。单光子采集卡与单光子探测器电连接；单光子采集卡用于在接收到一个启动指令时，按照预设的采样周期记录单光子探测器测量到的光子数。
主控制器与激光控制器和单光子采集卡电连接；所述主控制器用于同步向激光控制器和单光子采集卡发出运行所需的启动指令；并获取单光子采集卡的检测数据，然后根据检测数据分析得到待测空间内的氧分压。
作为本发明进一步的改进，主控器发送至激光控制器的启动指令包括激光器的发射频率、发射时刻和激光功率；主控制器发送至单光子采集卡的启动指令包括信号的采样频率和采样时刻。
本发明还包括一种单通道的荧光测氧系统，其包括一个如前述的基于TCSPC的光源与探测模块；一个荧光探头，以及一条Y型光纤。荧光探头内包括由荧光材料构成的敏感层，敏感层在脉冲激光的激发下发出荧光。Y型光纤一侧的单端口连接在荧光探头上，另一侧的双端口分别连接在基于TCSPC的光源与探测模块的光纤输入端口和光纤输出端口上。
本发明还包括一种多通道的荧光测氧系统，其包括一个如前述的基于TCSPC的光源与探测模块、多个荧光探头、一个光开关、一条Y型光纤以及多根单模光纤。
其中，每个荧光探头采用透气不透光的结构，其内包括由荧光材料构成的敏感层，敏感层在脉冲激光的激发下发出荧光。光开关包括一个出口和多个入口，光开关用于调整出口与任意一个入口间光路的导通状态； Y型光纤一侧的单端口连接在光开关的出口上，另一侧的双端口分别连接在基于TCSPC的光源与探测模块的光纤输入端口和光纤输出端口上。每个荧光探头通过一根单模光纤与光开关的其中一个入口连接；
本发明中，光开关与基于TCSPC的光源与探测模块中的主控制器电连接，主控制器用于向光开关发送驱动信号，以控制多通道的荧光测氧系统进行信道切换，进而实现对各个荧光探头的检测信号时分复用。
本发明还包括一种带温度补偿的荧光测氧系统，其包括：如前述的基于TCSPC的光源与探测模块、荧光探头、Y型光纤、温度传感器、以及温度补偿单元。
其中，荧光探头内包括由荧光材料构成的敏感层，敏感层在脉冲激光的激发下发出荧光。Y型光纤一侧的单端口连接在荧光探头上，另一侧的双端口分别连接在基于TCSPC的光源与探测模块的光纤输入端口和光纤输出端口上。
温度传感器安装在荧光探头中，用于检测环境温度。温度补偿单元集成于基于TCSPC的光源与探测模块中，温度补偿单元中预先存储有表征不同温度条件下对应荧光寿命与氧分压Po2间映射关系的函数组。
在带温度补偿的荧光测氧系统中，基于TCSPC的光源与探测模块先根据温度传感器检测到的环境温度，请求向温度补偿单元调用函数组中的对应函数，然后根据实测出的荧光寿命采用当前环境温度对应的淬灭函数，计算出氧分压Po2的检测结果。
本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
本发明采用单光子探测器采集荧光探头中的荧光材料在脉冲激光激发下响应的荧光信号，并基于TCSPC方法分析出荧光材料在当前氧分压下的荧光寿命，最后结合预先标定的淬灭函数输出当前测量环境的氧分压。该方案利用单光子探测器进行信号材料，进而在较低脉冲强度的脉冲激光的条件下，实现对回波信号的高精度计量，以变实现更高分辨率的氧分压探测。本发明提供的方案可以实现超低氧分压的检测，也可以克服常规检测手段在高氧分压条件下容易饱和的缺陷，进而实现高氧分压区间的高分辨率的检测。
本发明方案在氧分压检测过程中，只需要将荧光探头置于待测环境中，并通过光纤与外部的激光发射和信号分析组件连接。检测反应中只需要利用弱激光照射荧光材料并接收反射光，不需要任何达成电化学平衡的过程，也不需要泵吸操作；因此敏感度高，响应快速。此外，本发明利用单光子光纤传感，荧光探头无高温，无强光，无电流，保证了使用的安全性，尤其适合应用于航空航天等高风险检测场景。
本发明采用内置FPGA进行数据预处理获取时间统计数据，并支持在单个光源与探测模块上连接多个荧光探头，并对信号进行时分复用，构成神经元传感器。这使得该方案的应用场景更加多元，适应性好，且可以进一步提高在特殊场景下的检测精度和软硬件成本。具有广阔的市场前景。
本发明还提供了带有温度补偿的氧分压探测系统，其中集成了温度监控模块和稳定补充单元，该系统可以提高设备在大温差和剧烈温度变化场景下的检测精度，进一步提高方案的适应性。
附图说明
图1为本发明实施例1中提供的一种基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法的步骤流程图。
图2为本发明实施例1中荧光探头、激光器和单光子探测器的连接状态图。
图3为本发明实施例1中拟合出的响应函数的图像。
图4为本发明实施例1中采用的氧分压梯度荧光淬灭实验的工作原理图。
图5为本发明实施例2中提供的基于TCSPC的光源与探测模块的架构图。
图6为本发明实施例2中带有档位调节功能的基于TCSPC的光源与探测模块的结构示意图。
图7为本发明实施例3中提供的单通道的荧光测氧系统的原理示意图。
图8为本发明实施例4中提供的多通道的荧光测氧系统的原理示意图。
图9为线性度验证实验中，本发明设计的单通道的测氧系统在空气中的不同氧分压梯度下的荧光寿命响应曲线。
图10为高氧分压的稳定性实验中，本发明设计的单通道的测氧系统在纯氧环境中的不同氧分压梯度下的荧光寿命响应曲线。
图11为氮气干扰实验中，本发明设计的单通道的测氧系统在添加与未添加氮气干扰条件下的荧光寿命响应曲线对比。
图12为二氧化碳干扰实验中，本发明设计的单通道的测氧系统在添加与未添加二氧化碳干扰条件下的荧光寿命响应曲线对比。
图13为道尔顿定律验证实验中，本发明设计的单通道的测氧系统的空气与纯氧状态下的荧光寿命响应曲线对比。
图中标记为：1、电源；2、单光子探测器；3、单光子采集卡；4、主控制器；5、限流电路模块；6、滤波器；7、光纤输入端口；8、光纤输出端口；9、激光管；23、档位选择模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法，如图1所示，其包括如下步骤：
S1：将荧光探头曝露于待测空间内；荧光探头通过Y型光纤与待测空间之外的激光器和单光子探测器2通信连接。
如图2所示，荧光探头连接到Y型光纤的单端口的一侧，而激光器和单光子探测器2则分别连接到Y型光纤另一侧的双端口上。在这种连接状态下，荧光探头、激光器和单光子探测器2间构成的光路如下：激光器发射的脉冲激光通过Y形光纤的其中一条光路照射到荧光探头上，荧光探头收到激发而产生荧光，对应的回波信号通过另一条光路进入到单光子探测器2中。
本实施例中的荧光探头选择目前市场上成熟的纸基荧光探头，荧光探头透气且不透光。激光器也选择可以产生波长为405nm的脉冲激光的激光器，该荧光探头在405nm的脉冲激光的激发下，可以产生特定光谱范围的荧光响应信号。单光子探测器2则用于检测回波信号中的光子数。
S2：由激光器按照预设的发射频率通过Y型光纤的其中一条光路向荧光探头发射脉冲激光，以激发荧光探头产生荧光。
本实施例中，激光器的发射频率设置为10kHz，即激光器按照的100us发射周期产生405nm波长的脉冲激光，并对荧光探头进行激发。在本实施例方案的实际应用过程中，脉冲的功率可以根据需要进行设置。本实施例中，激光器由激光管9和限流电路模块5构成，通过限流电路模块5中的可调电阻可以调整激光器中的激光管9的功率。在满足荧光探头的荧光材料激发响应的基础上，激光器的功率应当足够的小，进而延长单个荧光探头的使用寿命，并降低检测过程安全风险和功耗。
S3：滤除Y型光纤的另一条光路中对应脉冲激光的波段，再通过单光子探测器2获取发射周期内荧光探头的回波信号。
单光子探测器2是一种超低噪声器件，增强的灵敏度使其能够探测到光的最小能量量子，即光子。单光子探测器2可以对单个光子进行探测和计数。本实施例中利用单光子探测器2来对荧光探头在激发状态下产生的荧光的光子进行计数。特别地，为了避免荧光探头的回波信号中包含的405nm脉冲激光的反射信号的影响，本实施例在单光子探测器2前端增加了一个滤波器6。该滤波器6选择专用于滤除脉冲激光对应波段光信号的滤波器6。具体地，本实施例采用了BPF630滤波器6。
S4：按照预设的采样周期△t获取回波信号的光子数，并分析出待测空间内的氧分压Po2，过程如下：
S41：以脉冲激光发射时刻为开始时刻，将发射周期T划分为若干个采样周期△t。
考虑到激光器预设的发射周期T的长度为100us；为了保证检测精度，本实施例将回波信号的采样周期△t设置为发射周期的千分之一，即采样周期的长度为100ns。
需要说明的是，发射周期和采样周期都是可以具体的应用场景进行合理设置的，在其他方案中，当荧光探头的类型、应用场景或精度指标等发生变化，也可以对发射周期和采样周期进行调整。例如在精度要求更低的应用场景中，可以适当延长采样周期△t，即在每个发射周期内采集更少的光子数样本点。
S42：记录每个采样周期△t内单光子探测器2检测到的回波信号中响应的荧光的光子数I。
在本实施例中，一个完整的发射周期内可以记录下1000个连续的光子数样本数据点，根据采样时间对这1000个样本数据点进行排列，即可得到一个离散的光子数时域分布函数。
S43：如图3所示，利用指数函数对发射周期内各个采样周期的光子数I对应的离散的时域分布函数进行拟合，得到对应的响应函数I（t）：；
上式中，A0表示开始时刻的光子数；k0表示荧光探头中的荧光材料通过非辐射跃迁返回基态的衰减跃迁速率。
S44：将拟合出的响应函数的衰减跃迁速率k0的倒数作为表征荧光物质在当前氧分压下的荧光寿命的特征值，即：/>；
S45：根据发射周期T内实测出的荧光寿命，查询如下的一个预先根据氧分压梯度荧光淬灭实验标定的表征荧光寿命/>与氧分压Po2间映射关系的淬灭函数，并生成待测空间内的氧分压Po2的检测结果：/>；
上式中，表示荧光探头中的荧光物质在无氧状态下的荧光寿命；/>表示Stern-Volmer常数，其与荧光探头采用的荧光材料有关。
在本实施例的方案中，响应函数I（t）是用来描述当前氧分压条件下荧光探头在脉冲激光激励下产生的荧光响应的特征函数。在不同氧分压状态下，得到响应函数I（t）各不相同。即响应函数与氧分压间存在一一对应的映射关系。
为了简化数据分析过程，本实施例在响应函数I（t）中优选出具有最强特异性的参数，即衰减跃迁速率k0的倒数，该特征参数与氧分压也可以建立一一对应的映射关系。因此，本实施例提供的方案中，利用衰减跃迁速率k0的倒数作为表征荧光物质在当前氧分压下的荧光寿命的特征值。此时，本案利用荧光探头在脉冲激光下的响应建立了特征值与特征值之间的映射关系。
在此基础上，本发明再通过氧分压梯度荧光淬灭实验对荧光寿命与氧分压Po2之间的映射关系进行标定，就可以得到所需淬灭函数。
在今后的氧分压检测中，本发明先利用激光器、荧光探头和单光子探测器2生成当前检测环境的氧分压条件下荧光寿命，再将荧光寿命/>作为自变量输入到预先标定的淬灭函数中，即可得到荧光探头所处的检测环境中的氧分压。
在本实施例的方案中，步骤S45采用的氧分压梯度荧光淬灭实验的测试过程如图4所示，包括如下步骤：
S01：将荧光探头置于密封容器中，并保持容器中的初始氧分压为零。
S02：通过激光器向荧光探头发射脉冲激光，并采集回波信号。
S03：按照预设的氧分压梯度升高容器中的氧分压，并按照步骤S41-S44的步骤分析并记录每个氧分压Po2状态下的荧光寿命。
S04：根据实验记录下的荧光寿命与氧分压Po2间一系列离散的映射数据，拟合出如下的一个表征荧光寿命/>与氧分压Po2间映射关系的淬灭函数：/>。
需要说明的是，本实施例中采用测量过程是首先根据所模拟的实验环境，对真空舱进行抽真空，使得氧分压降低，然后通过充入包含氧气的气体（如纯氧或空气）逐渐升高容器内的氧分压，并测量每个氧分压梯度值对应的荧光寿命。在其它测试方案中，也可以将容器内的氧分压直接增大至测试实验的上限值，然后逐渐抽出容器内的部分气体，以使得容器内的氧分压按梯度降低至零，并测量每个氧分压梯度值对应的荧光寿命。
实施例2
在实施例1方案的基础上，本实施例提供了一种基于TCSPC的光源与探测模块（以下简称光源与探测模块），其采用如实施例中的基于激光器和单光子探测器2的氧分压测量方法，向位于待测空间内的荧光探头发生脉冲激光，并采集荧光探头处的回波信号，进而根据回波信号分析得到待测空间内的氧分压。
本实施例提供的光源与探测模块是一种集成模块，其中包括激光器及驱动、单光子探测器2及其采集卡，以及用于实现实施例1方案中所有计算过程的数据处理单元。光源与探测模块中预留有利用Y形光纤连接荧光探头所需的光纤输入端口7和光纤输出端口8。
在该产品的实际应该过程中，技术人员根据不同检测环境选择合适的荧光探头，并通过Y形光纤将荧光探头连接到光源与探测模块上，构成完整的检测系统。然后将前端的荧光探头置入到待测的目标环境中，启动后端的光源与探测模块，驱动激光器产生脉冲激光，接收回波信号，并对回波信号进行采样和分析得到氧分压的测量结果。
具体地，如图5所示，该型光源与探测模块包括：电源1、激光器、单光子探测器2、滤波器6、单光子采集卡3以及主控制器4。
其中，电源1用于为整个探测系统供电。激光器与光纤输出端口8连接，用于按照预设的发射频率生成并发射周期性的脉冲激光信号。激光控制器与激光器电连接，激光控制器用于根据接受到的启动指令向激光器发出一个驱动信号，并调整激光器的发射频率和脉冲强度。
单光子探测器2用于测量接收到的光信号的光子数。滤波器6连接在光纤输入端口7和单光子探测器2之间；滤波器6用于滤除进入到单光子探测器2的回波信号中对应激光器产生的脉冲激光的波段的光信号。单光子采集卡3与单光子探测器2电连接；单光子采集卡3用于在接收到一个启动指令时，按照预设的采样周期记录单光子探测器2测量到的光子数。
主控制器4与激光控制器和单光子采集卡3电连接；主控制器4是本实施例提供的光源与探测模块中的控制中心和数据处理中心。一方面，主控制器4用于同步向激光控制器和单光子采集卡3发出运行所需的启动指令。其中，主控器发送至激光控制器的启动指令包括激光器的发射频率、发射时刻和激光功率，等。主控制器4发送至单光子采集卡3的启动指令包括信号的采样频率和采样时刻，等。在构成的完整检测系统中，激光器的发射时刻和单光子采集卡3的采样时刻相同，以实现在对荧光探头进行激励的同时接收响应。另一方面，主控器用户获取单光子采集卡3采集到的光子数的检测结果，然后根据检测数据采用如实施例1中的方案分析得到待测空间对应的氧分压。在实际应用中，主控器可以采用包括FPGA在内的嵌入式芯片，也可以采用其它各种基于RISC-V、ARM、x86 等架构的处理器芯片。
本实施例提供的光源与探测模块可以匹配多种不同类型的荧光探头使用。荧光探头属于是整个氧分压检测系统中的耗材，在有限次的检测后，荧光探头将达到使用寿命极限，此时应当对荧光探头进行更换。如果使用超过使用寿命的荧光探头，将导致系统输出的氧分压的检测结果的精度显著降低。这也是本实施例中将光源与探测模块涉及为一个单独的集成模块，而非将荧光探头和光源与探测模块设计为一个完整的不可拆卸的检测系统的原因。
此外，需要说明的是：不同于荧光探头，光源与探测模块在本发明的方案中并非是一个耗材，而是一个可以长期使用的装置。每当荧光探头达到预设的使用寿命后，只需要更换荧光探头即可，无需更换光源与探测模块，这可以大大降低氧分压的检测成本，并提高检测设备的使用寿命。
本实施例提供的光源与探测模块的主控制器4中通过在存储单元中预先存储的淬灭函数的形式实现将实测出的荧光寿命转化为氧分压。这些淬灭函数是在产品测试阶段预先通过氧分压梯度荧光淬灭实验标定得到的，因而每个淬灭函数与特定类型的荧光探头相适配，不同类型的荧光探头间的淬灭函数并不通用。
为了保证本实施例中的单个光源与探测模块可以适配不同的荧光探头，本实施例中的光源与探测模块中采用的激光器选择能够产生不同波长脉冲激光的可调式激光器。而在主控制器4的存储单元中，也同时存储有每种荧光探头对应的经过标定的淬灭函数。在此基础上，如图6所示，为集成的光源与探测模块添加“档位选择模块23”，档位旋转模块可以采用旋钮式或按键式。此时，当技术人员更换荧光探头类型时，则需要对应切换光源与探测模块的“工作档位”。在工作档位切换后，主控制器4会适应性调整激光器的脉冲激光发射参数，并从存储单元中查询对应的淬灭函数，切换数据处理过程采用的淬灭函数。
实施例3
在实施例2方案的基础上，本实施例提供一种单通道的荧光测氧系统，该型荧光测氧系统实际上就是包括前端的荧光探头和后端的光源与探测模块的完整的检测系统。其中，为了应对不同的应用场景，荧光探头和光源与探测模块之间既可以采用可更换的连接，也可以采用不可拆卸的连接关系。
本实施例提供的单通道的荧光测氧系统只能采集一个通道的检测信号，并对该通道的检测数据进行处理生成氧分压检测结果。具体地，如图7所示，方案中包括一个如实施例2的光源与探测模块；一个荧光探头，以及一条Y型光纤。
荧光探头内包括由荧光材料构成的敏感层，敏感层在脉冲激光的激发下发出荧光。Y型光纤一侧的单端口连接在荧光探头上，另一侧的双端口分别连接在光源与探测模块的光纤输入端口7和光纤输出端口8上。
本实施例提供的该型单通道的荧光测氧系统适用于某些需要对目标环境中的氧分压实现在线实时测量的场景。在这种应用场景中，光源与探测模块可以按照预设的检测周期频繁向荧光探头发射脉冲激光，并根据回波信号分析出对应的氧分压监测结果。
实施例4
本实施例提供一种多通道的荧光测氧系统，顾名思义，不同于实施例3的方案，本实施例的产品是一种包含多个信道，并可以利用不同信道同时对不同目标检测区域的氧分压进行检测的荧光测氧系统中。
具体地，如图8所示，本实施例的多通道的荧光测氧系统中包括一个如实施例1中的光源与探测模块、多个荧光探头、一个光开关、一条Y型光纤以及多根单模光纤。
其中，每个荧光探头内包括由荧光材料构成的敏感层，敏感层在脉冲激光的激发下发出荧光。光开关包括一个出口和多个入口，光开关用于调整出口与任意一个入口间光路的导通状态； Y型光纤一侧的单端口连接在光开关的出口上，另一侧的双端口分别连接在光源与探测模块的光纤输入端口7和光纤输出端口8上。每个荧光探头通过一根单模光纤与光开关的其中一个入口连接。
在本实施例的产品中，光开关与光源与探测模块中的主控制器4电连接，主控制器4用于向光开关发送驱动信号，以控制多通道的荧光测氧系统进行信道切换，进而实现对各个荧光探头的检测信号时分复用。
例如，结合实施例1的方案可知，本实施例中每个信道中完成一次氧分压检测只需要占用100us的时长，因此利用同一个光源与探测模块和光开关可以在不同时钟周期内获取来自不同的信号的检测信号，然后通过主控制器4对这些不同来源的信号进行分析，得到每个检测位置的氧分压。
这种多通道的荧光测氧系统的典型应用包括：利用光源与探测模块、光开关构成后端装置，然后通过光纤同时连接成千上万个荧光探头，构成神经元检测系统。进而在同一个目标空间的不同位置布置多个荧光探头，并对每个荧光探头获得的检测结果进行融合，进而得到可靠性更高的检测结果。
另外，也可以将多通道的荧光测氧系统部署到飞行器、航空器、以及其它大型设备中，对设备中的不同位置进行氧分压监测。由于该方案中最低仅需要一套成本相对较高的光源与探测模块，而大量采用的荧光探头和光纤的成本非常低廉，因此从氧分压检测系统的角度看，本发明方案可以大幅降低整个检测系统的软硬件部署成本。
实施例5
在实施例3和4的基础上，本实施例进一步提供一种带温度补偿的荧光测氧系统，其包括：至少一个如实施例2的光源与探测模块、荧光探头、Y型光纤、温度传感器、以及温度补偿单元。其中，荧光探头内包括由荧光材料构成的敏感层，敏感层在脉冲激光的激发下发出荧光，温度传感器集成在荧光探头内。Y型光纤一侧的单端口连接在荧光探头上，另一侧的双端口分别连接在光源与探测模块的光纤输入端口7和光纤输出端口8上。
在实施例1-4的前述方案中，默认对于同一个荧光探头来说，其采用的淬灭函数对温度不具有敏感性，即在不同检测温度条件下，淬灭函数都是不变的。这在大部分荧光材料，以及大部分应用场景下都是适用的。在大部分的应用场景下，检测环境的温度变化并不剧烈，工作环境也仅仅除以一个温差范围较小的环境下。
但是也存在部分荧光材料的荧光寿命随温度变化较大，温度影响不可忽略，或者是检测设备的运行工况温度变化较为剧烈，温差较大的场景。为了针对这种特殊的应用场景，本实施例还提供了带温度补偿的荧光测氧系统。这种荧光测氧系统中，温度传感器安装在荧光探头中，用于检测环境温度。
温度补偿单元集成于光源与探测模块中，温度补偿单元中预先存储有表征不同温度条件下对应荧光寿命与氧分压Po2间映射关系的函数组。函数组由对应不同温度范围工况的淬灭函数构成。每条淬灭函数均采用如实施例1中图4的方法生成，区别在于需要在每轮测试过程要采用单因子控制法对测试环境的温度进行控制。
本实施例方案通过对触发卡中的触发参数进行修改，实现激光触发周期100us到800us可调，以应对不同使用场景，如800us可以满足极低氧分压下的氧气淬灭上限时长。另外，本设备累积时间可调，最小累积时间0.1s，实现设备在精度和响应速度之间的平衡。但由于数据传输限制，数据长度/累积时间不可超过10000。另外，数据长度*数据精度不可以超过脉冲周期。
接下来，在带温度补偿的荧光测氧系统运行过程中，光源与探测模块先根据温度传感器检测到的环境温度，请求向温度补偿单元调用函数组中的对应工况下的淬灭函数，然后根据实测出的荧光寿命采用当前环境温度对应淬灭函数，计算出氧分压Po2的检测结果。
以上实施例介绍的方案均为氧分压的检测方法和设备，在本发明的进一步开发的产品中，还可以将上述氧分压检测方案与压力传感器结合，进而根据检测到的氧分压和环境气压生成对应的氧浓度，从而得到氧浓度传感器或检测系统。基于本发明的氧分压检测手段得到氧浓度检测的方法和设备也应当属于本发明方案的一部分。
性能测试
为了验证本实施例提供的基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方案的性能，技术人员设计了测试方案，搭建了相应的实验平台与测试系统，并开展不同氧分压下荧光淬灭实验。
一、系统样机与实验平台的搭建
本实验设计并制造了如实施例3的单通道的荧光测氧系统的样机。其中，荧光探头的敏感材料为经150度处理的PtTFPP荧光材料纤维纸，荧光材料通过SMA905光纤帽连接在Y型光纤上。激光光源的发射频率1.25khz到10khz可调；此外，通过调节激光管的驱动电路中可变电阻的阻值，可以调整激光管的发射功率。单光子探测器采用了Excelitas提供的单光子探测模块SPCMs；滤波器为BPF630滤波器。本实验中通过电脑获取对实验过程产生的数据，并对采集到的数据进行人工处理，并利用实验数据制作相应图表以实现数据可视化。
此外，本实验还搭建了用于完成氧分压梯度荧光淬灭实验的实验平台，实验平台中包括一个真空舱、泵系统和气源。其中，单通道的荧光测氧系统中的荧光探头位于真空舱内，而其余部分则位于真空舱外，舱内和舱外的组件通过Y型光纤连接。本实施例中使用的气源分别包括氧气、氮气和二氧化碳。泵系统用向真空舱内泵入或泵出指定的气体。本实施例中，真空舱内还安装了sst氧传感器，并以sst氧传感器的检测结果作为控制实验过程的环境氧浓度的依据。
二、氧分压的淬灭实验
2.1、线性度验证实验
本实验用于测试在氧分压线性变化的状态下，单通道的荧光测氧系统的检测结果的线性度，这可以用于评估测氧系统的检测精度。
实验过程中，真空舱首先与空气联通，内部的氧分压大约21KPa，随后用真空泵依次按照20%、40%、60%、80%的比例泵出真空舱内部气体；并记录各阶段检测系统中响应，计算出荧光寿命。最后对检测结果进行拟合，得到如图9所示的空气线性测试结果。
分析图9的结果可知：本实验提供的单通道的测氧系统的测试数据的拟合结果的决定系数R2达到0.9762，线性度非常高。
2.2、纯氧淬灭实验
本实验首先将真空舱抽真空至10kPa的大气压，并补充90kPa纯氧，此时氧浓度占比98%。反复操作3至4次，以保证真空舱内部氧浓度达到99.5%（内置sst氧传感器观测）。接下来，分别通过真空泵依次按照20%、30%、40%、60%、70%、80%的比例泵出真空舱内部气体；并记录各阶段检测系统中响应，计算出荧光寿命。最后对检测结果进行拟合，得到的响应结果如图10所示。
分析图10中数据可知：在超高氧分压的状态下，本发明提供的单通道的荧光测氧系统的检测结果仍然保持良好的线性度，这说明本发明方案在高氧浓度依然可以保持良好的灵敏度，克服了传统的相移法荧光淬灭氧传感器在高氧分压场景中检测精度较差，检测结果存在波动的缺陷。
2.3、氮气干扰实验
本实验用于分析检测环境中存在氮气气体干扰时，对本案中的单通道的荧光测氧系统检测精度的影响。实验过程设置了一个实验组和一个对照组。首先，实验组和对照组的真空舱在初始阶段均与空气联通，随后，分别按照30%、50%和70%的比例从真空舱内泵出空气，同时在每次泵出空气后，实验组还向真空舱内泵入0.1kPa的氮气，等待真空舱内部稳定时，实验组和对照组同时获取单通道的荧光测氧系统的响应，计算出荧光寿命。最后对检测结果进行拟合，实验组和测试组的测试结果如图11所示。
分析图11的数据可知，在存在氮气干扰的情况下，实验组和对照组的响应曲线几乎完全重合。这说明本实施例提供的单通道的荧光测氧系统仅会对环境中的氧分子响应，几乎不会受到氮气的影响，抗干扰能力强。
2.4、二氧化碳干扰实验
本实验用于分析检测环境中存在二氧化碳气体干扰时，对本案中的单通道的荧光测氧系统检测精度的影响。实验过程设置了一个实验组和一个对照组。首先，实验组和对照组的真空舱在初始阶段均与空气联通，随后，分别按照20%、40%和60%的比例从真空舱内泵出空气，同时在每次泵出空气后，实验组还向真空舱内泵入0.1kPa的二氧化碳，等待真空舱内部稳定时，实验组和对照组同时获取单通道的荧光测氧系统的响应，计算出荧光寿命。最后对检测结果进行拟合，实验组和测试组的测试结果如图12所示。
分析图12的数据可知，在存在二氧化碳干扰的情况下，实验组和对照组的响应曲线也几乎完全重合。这说明本实施例提供的单通道的荧光测氧系统的响应信号几乎不会受到二氧化碳气体的影响，抗干扰能力强。
2.5、道尔顿定律验证实验
首先，将真空舱与空气联通，然后按照15%、25%、35%、45%、60%、70%、80%的比例依次泵出真空舱内的气体，并记录各阶段检测系统中响应，计算出荧光寿命；最后对检测结果进行拟合。其次，将真空舱抽真空至10kPa的大气压，并补充90kPa纯氧，此时氧浓度占比98%。反复操作3至4次，以保证真空舱内部氧浓度达到99.5%，接下来，分别将纯氧抽掉80%、83%、86%、89%个大气压，并记录各阶段检测系统中响应，计算出荧光寿命；最后对检测结果进行拟合。将上述两阶段实验的数据绘制在同一张图像上，得到如图13的实验结果。
分析图13的数据可知：在两阶段实验中，氧分压对应同一区间的部分拟合出的荧光寿命曲线几乎重合，这说明本发明提供的单通道的荧光测氧系统的响应只与氧分压有关，与氧浓度无关，符合道尔顿定律。另外，上述实验同时也可以证明，在极低氧分压下，本发明提供的单通道的荧光测氧系统工作状态依然良好。
2.6、响应速度测试实验
本实验将荧光探头置于进气阀门处，并向真空舱内泵入氧气构造一个纯氧的检测环境，接下来，在真空泵舱内气体分散均匀后立即打开氮气，测量当前氧分压条件下荧光寿命的稳定时间。
最终，在纯氧气转纯氮气的条件下，本发明提供的单通道的荧光测氧系统的响应达到稳定状态仅需约4S，响应速度远优于市场上现有的国产在售设备。
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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1：将荧光探头曝露于待测空间内；所述荧光探头通过Y型光纤与待测空间之外的激光器和单光子探测器通信连接；
S2：由激光器按照预设的发射频率通过Y型光纤的其中一条光路向荧光探头发射脉冲激光，以激发所述荧光探头产生荧光；
S3：滤除所述Y型光纤的另一条光路中对应脉冲激光的波段，再通过单光子探测器获取发射周期内荧光探头的回波信号；
S4：按照预设的采样周期△t获取所述回波信号的光子数，并分析出待测空间内的氧分压Po2，过程如下：
S41：以脉冲激光发射时刻为开始时刻，将发射周期T划分为若干个采样周期△t；
S42：记录每个采样周期△t内所述单光子探测器检测到的回波信号中响应的荧光的光子数I；
S43：利用指数函数对发射周期内各个采样周期的光子数I对应的离散的时域分布函数进行拟合，得到对应的响应函数I（t）：；
上式中，A0表示开始时刻的光子数；k0表示荧光探头中的荧光材料通过非辐射跃迁返回基态的衰减跃迁速率；
S44：将拟合出的所述响应函数的衰减跃迁速率k0的倒数作为表征荧光物质在当前氧分压下的荧光寿命的特征值，即：/>；
S45：根据发射周期T内实测出的荧光寿命，查询如下的一个预先根据氧分压梯度荧光淬灭实验标定的表征荧光寿命/>与氧分压Po2间映射关系的淬灭函数，生成待测空间内的氧分压Po2的检测结果：/>；
上式中，表示荧光探头中的荧光物质在无氧状态下的荧光寿命；/>表示Stern-Volmer常数，其与荧光探头采用的荧光材料有关。
2.如权利要求1所述的基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法，其特征在于：步骤S1中，所述激光器用于按照10kHz的发射频率产生波长为405nm的脉冲激光。
3.如权利要求2所述的基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法，其特征在于：预设的发射周期T的长度为100us；采样周期△t的长度为100ns。
4.如权利要求1所述的基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法，其特征在于：步骤S3中，在单光子探测器与Y型光纤接口之间设置一个用于滤除405nm波段光信号的滤波器，以滤除回波信号中包含的脉冲激光的反射信号。
5.如权利要求1所述的基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法，其特征在于：步骤S45中，氧分压梯度荧光淬灭实验的测试方法如下：
S01：将荧光探头置于密封容器中，并保持容器中的初始氧分压为零；
S02：通过激光器向荧光探头发射脉冲激光，并采集回波信号；
S03：按照预设的氧分压梯度升高容器中的氧分压，并按照步骤S41-S44的步骤分析并记录每个氧分压Po2状态下的荧光寿命；
S04：根据实验记录下的荧光寿命与氧分压Po2间一系列离散的映射数据，拟合出如下的一个表征荧光寿命/>与氧分压Po2间映射关系的淬灭函数：/>。
6.一种基于TCSPC的光源与探测模块，其包括用于和荧光探头以及Y形光纤连接的光纤输入端口和光纤输出端口，所述基于TCSPC的光源与探测模块采用如权利要求1-5中任意一项所述的基于激光器和单光子探测器的氧分压测量方法，向位于待测空间内的荧光探头发生脉冲激光，并采集荧光探头处的回波信号，进而根据回波信号分析得到待测空间内的氧分压；所述基于TCSPC的光源与探测模块包括：
电源；
激光器，其与光纤输出端口连接，用于按照预设的发射频率生成并发射周期性的脉冲激光信号；
激光控制器，其与激光器电连接，所述激光控制器用于根据接受到的启动指令向所述激光器发出一个驱动信号，并调整所述激光器的发射频率和脉冲强度；
单光子探测器，其用于测量接收到的光信号的光子数；
滤波器，其连接在光纤输入端口和所述单光子探测器之间；所述滤波器用于滤除进入到所述单光子探测器的回波信号中对应所述激光器产生的脉冲激光的波段的光信号；
单光子采集卡，其与所述单光子探测器电连接；所述单光子采集卡用于在接收到一个启动指令时，按照预设的采样周期记录所述单光子探测器测量到的光子数；以及
主控制器，其与所述激光控制器和单光子采集卡电连接；所述主控制器用于同步向所述激光控制器和单光子采集卡发出运行所需的启动指令；并获取所述单光子采集卡的检测数据，然后根据检测数据分析得到待测空间内的氧分压。
7.如权利要求6所述的基于TCSPC的光源与探测模块，其特征在于：所述主控制器发送至所述激光控制器的启动指令包括激光器的发射频率、发射时刻和激光功率；所述主控制器发送至所述单光子采集卡的启动指令包括信号的采样频率和采样时刻。
8.一种单通道的荧光测氧系统，其特征在于，其包括：
一个如权利要求6或7所述的基于TCSPC的光源与探测模块；
一个荧光探头，其采用透气不透光的结构，内部包括由荧光材料构成的敏感层，所述敏感层在脉冲激光的激发下发出荧光；以及
一条Y型光纤，其一侧的单端口连接在所述荧光探头上，另一侧的双端口分别连接在所述基于TCSPC的光源与探测模块的光纤输入端口和光纤输出端口上。
9.一种多通道的荧光测氧系统，其特征在于，其包括：
一个如权利要求6或7所述的基于TCSPC的光源与探测模块；
多个荧光探头，每个荧光探头采用透气不透光的结构，内部包括由荧光材料构成的敏感层，所述敏感层在脉冲激光的激发下发出荧光；
一个光开关，其包括一个出口和多个入口，所述光开关用于调整出口与任意一个入口间光路的导通状态；
一条Y型光纤，其一侧的单端口连接在所述光开关的出口上，另一侧的双端口分别连接在所述基于TCSPC的光源与探测模块的光纤输入端口和光纤输出端口上；以及
多根单模光纤，每个荧光探头通过一根单模光纤与所述光开关的其中一个入口连接；
所述光开关与所述基于TCSPC的光源与探测模块中的主控制器电连接，所述主控制器用于向所述光开关发送驱动信号，以控制所述多通道的荧光测氧系统切换信号，进而实现对各个荧光探头的检测信号时分复用。
10.一种带温度补偿的荧光测氧系统，其特征在于，其包括：
如权利要求6或7所述的基于TCSPC的光源与探测模块；
荧光探头，其采用透气不透光的结构，内部包括由荧光材料构成的敏感层，所述敏感层在脉冲激光的激发下发出荧光；
Y型光纤，其一侧的单端口连接在所述荧光探头上，另一侧的双端口分别连接在所述基于TCSPC的光源与探测模块的光纤输入端口和光纤输出端口上；
温度传感器，其安装在所述荧光探头中，用于检测环境温度；以及
温度补偿单元，其集成于所述基于TCSPC的光源与探测模块中，所述温度补偿单元中预先存储有表征不同温度条件下对应荧光寿命与氧分压Po2间映射关系的函数组；
在带温度补偿的荧光测氧系统中，所述基于TCSPC的光源与探测模块先根据所述温度传感器检测到的环境温度，请求向所述温度补偿单元调用函数组中的对应函数，然后根据实测出的荧光寿命采用当前环境温度对应的淬灭函数，计算出氧分压Po2的检测结果。
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