CN204203101U - 一种基于荧光分析的溶解氧检测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于荧光分析的溶解氧检测装置，基于荧光猝灭原理，以高功率蓝色发光LED为激发光源，耦合到光纤中，从四端口光纤环形器第一端口进入，第二端口输出，经光纤准直器入射到氧荧光敏感物质上，激发敏感物质产生荧光，返回环形器后从环形器的第三端口传输到达光纤布拉格光栅，在光纤布拉格光栅的滤波作用下反射所需波长的荧光信号经环形器的第四端口输出到光电探测器，然后进行信号的采集与处理，通过测定荧光强度即可测定水体中溶解氧浓度。本实用新型利用四端口光纤环形器进行各模块之间的光路连接，避免了激发光与荧光之间的掺杂耦合，有效地提高了测量精度，稳定性好，系统集成度高，具有操作简单易实现等优点。

Description

一种基于荧光分析的溶解氧检测装置及系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于水质、水产养殖检测的基于荧光分析的溶解氧检测装置及系统，属于溶解氧测量技术领域。

背景技术

空气中的分子态氧溶解在水中称为溶解氧，它是水生动植物生存的必要条件，对水中溶解氧浓度的检测在工业、医学及环境领域等方面都具有非常重要的意义。传统的溶解氧测量方法有碘量法和氧电极法。碘量法是一种国标方法，但由于其测定过程复杂，不利于实时在线检测。而氧电极法虽然能够在线检测溶解氧浓度，但由于它是通过电极本身在氧的作用下所发生的氧化还原反应来测定氧的浓度，在测量过程中需要消耗氧，因此其测量精度和响应时间都有很大的限制。

随着光学传感器的发展，一种基于荧光猝灭原理的光学测量法逐渐替代了传统的碘量法和氧电极法。然而，在许多基于荧光分析的溶解氧浓度检测系统中，如一篇中国发明《水下实时光学溶解氧测量装置》，申请号为200510044440.8，申请日为2005.8.17，描述了一种基于荧光猝灭原理实时在线的光学氧传感器，该传感器尽管使用了成8-12°的小角度的双激发光源来提高测量精度，但由于激发光和荧光处在同一光传输腔体内，这将会导致激发光和荧光之间出现掺杂混合，不能有效分离，这就会使得探测到的荧光不准确，光路结构的设计显得复杂，从而将会对工艺结构设计提出更高的要求。

采用光纤进行光传输实现溶解氧浓度的检测多数使用的是单一的Y型光纤、U型光纤进行激发光传输和信号光接收，并将荧光敏感材料固定于光纤公共端面上。该法虽然简化了光路结构，但由于荧光是微弱信号，这就会对光纤的耦合效率和荧光的接收效率提出更大的挑战。

此外，许多氧浓度测量系统在光源激发敏感物质产生荧光后多数是使用滤光片、光栅光谱仪进行滤波处理，但采用滤光片依然不可避免的引入杂散光且不利于全光集成，同时滤波处理功效一般，而采用光栅光谱仪即便有较好的滤波效果，也会因为庞大的设备体积从而不利于检测系统的小型化，实用性大大降低。

进一步的，基于荧光分析的溶解氧浓度测量系统大多采用的是分立探测的结构，容易受到环境变化等因素的影响，也不利于测量系统的高度集成。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种基于荧光分析的溶解氧检测装置及系统，解决了激发光和荧光处于同一光传输腔体内，导致激发光和荧光之间掺杂混合，不能有效分离的问题，使得探测到的荧光更准确，提高了测量精度。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于荧光分析的溶解氧检测装置，包括用于产生激发光的激发光源模块、用于接收激发光并产生荧光的荧光产生模块、用于接收荧光并对荧光进行滤波的荧光滤波模块、用于接收滤波后的荧光并进行处理的荧光处理模块，还包括四端口光纤环形器，所述激发光源模块的输出端与四端口光纤环形器的第一端口连接，所述荧光产生模块的输入输出端均与四端口光纤环形器的第二端口连接，所述荧光滤波模块的输入输出端均与四端口光纤环形器的第三端口连接，所述荧光处理模块的输入端与四端口光纤环形器的第四端口连接。

优选的，所述激发光源模块包括光源调制电路、光源驱动电路、光源，所述光源调制电路、光源驱动电路分别与所述光源电连接，光源与四端口光纤环形器的第一端口连接。

优选的，所述荧光产生模块包括光学传感器探头，所述光学传感器探头包括封装在一起的光纤准直器、水密玻璃片、荧光敏感材料，所述荧光敏感材料涂覆于水密玻璃片的其中一个表面且涂覆有荧光敏感材料的表面可与外界接触，所述光纤准直器与四端口光纤环形器的第二端口连接。

优选的，所述荧光滤波模块包括光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅与四端口光纤环形器的第三端口连接。

优选的，所述荧光处理模块包括依次连接的光纤聚焦器、光电探测器、信号处理单元，所述光纤聚焦器与四端口光纤环形器的第四端口连接。

进一步的，所述基于荧光分析的溶解氧检测装置还包括温度传感器，所述温度传感器与所述荧光处理模块电连接。

一种基于荧光分析的溶解氧检测系统，包括如上所述基于荧光分析的溶解氧检测装置、上位机，所述上位机与所述荧光处理模块电连接。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型的溶解氧检测装置及系统，利用四端口光纤环形器进行激发光源模块、荧光产生模块、荧光滤波模块、荧光处理模块之间的光路连接，避免了激发光与荧光之间的掺杂耦合，大大提高了荧光的接收效率，避免了外界环境温度变化、背景光干扰等条件对信号探测的影响，并利用光纤准直器对激发光及荧光进行处理，进一步提高了荧光分析法测量氧浓度的精度。

2、本实用新型的溶解氧检测装置及系统，提出了一种基于四端口光纤环形器和光纤布拉格光栅相结合的激发光传输和荧光接收的新型光路结构，该光路结构紧凑简单，光纤布拉格光栅具有较好的波长选择性，对产生的荧光信号进行高效滤波，更好地避免杂散光的影响，且集成度高，有利于测量系统小型化，稳定性好，克服了现有基于荧光分析法的氧浓度检测系统中多传感器使用带来的传感器间相互干扰，多元器件使用使得系统集成度低的劣势。

附图说明

图1是本实用新型溶解氧检测装置的结构示意图。

其中：1为光源调制电路，2为光源驱动电路；3为光源，4为四端口光纤环形器，4A为第一光纤，4B为第二光纤，4C为第三光纤，4D为第四光纤，5为光纤准直器，6为水密玻璃片，7为荧光敏感材料，8为光纤布拉格光栅，9为光纤聚焦器，10为光电探测器，11为信号处理单元。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

如图1所示，为本实用新型基于荧光分析的溶解氧检测装置的一个优选实施例。该检测装置主要包括以下四个部分：激发光源模块、荧光产生模块、荧光滤波模块、荧光处理模块，利用四端口光纤环形器4对上述四个模块之间的光路进行连接。

激发光源模块包括光源调制电路1、光源驱动电路2、光源3、第一光纤4A。光源驱动电路2用于驱动光源3发光并通过第一光纤4A输出至四端口光纤环形器4的第一端口，光源调制电路1用于调节光源3所发射光的波长。本实施例中光源3采用高亮度的蓝色发光LED，波长为450-455nm的蓝光，通过对光源调制使输出的激发光的波长为455nm。四端口光纤环形器4，插入损耗≤0.8dB、隔离度≥40dB，能有效地将激发光和荧光分离。

荧光产生模块包括第二光纤4B、光学传感器探头，光学传感器探头包括光纤准直器5、水密玻璃片6、荧光敏感材料7。为了有效地防水，将水密玻璃片和光纤准直器封装在密封壳体中，荧光敏感材料7涂敷于水密玻璃片6的下表面且能与外界接触。荧光敏感材料7是通过溶胶-凝胶技术制得，可从现有发现的各种荧光敏感物质中选择，本实施例中对水体中溶解氧敏感的物质为钌络合物，如Ru(dpp)₃Cl₂。光纤准直器5、水密玻璃片6、荧光敏感材料7封装在一密封壳体中且其外壳为不锈钢防水外壳。该小型密封装置相当于一光学传感器探头，结构紧凑，易于小型化，集成度高。

荧光滤波模块包括第三光纤4C、光纤布拉格光栅8。荧光敏感材料产生的荧光返回四端口光纤环形器后，从四端口光纤环形器的第三端口经第三光纤传输到光纤布拉格光栅，在光纤布拉格光栅的滤波作用下反射所需波长的荧光信号。本实施例中，光纤布拉格光栅是一种高反射率光纤光栅，其波长平均分布在605-625nm之间，其中心波长为615nm，峰值反射率大于0.99，3dB带宽0.2nm，具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响等优势。实际上，本实施例列举的光纤布拉格光栅仅是针对水体中溶解氧而言，不同液体的理化参数可选用不同参数的光纤布拉格光栅。

荧光处理模块包括第四光纤4D、光纤聚焦器9、光电探测器10、信号处理单元11。光纤聚焦器9能将从四端口光纤环形器第四端口经第四光纤4D输出的荧光信号准直输出，提高了光电探测器接收荧光的效率。光电探测器是用来高效地探测来自第四光纤输出的荧光信号。本实施例中，光电探测器是一硅光电二极管，波长探测范围为200-1100nm。

信号处理单元11主要包括控制电路、信号处理电路，控制电路分别与光源调制电路、光源驱动电路、光电探测器、信号处理电路连接，并且控制电路还与上位机PC相连接。本实施例中，控制电路是MSP430单片机，其具有片内资源丰富、超低功耗等优势。第一~第四光纤、四端口光纤环形器、光纤准直器均采用单模光纤器件，具有体积小和损耗低等特点。

本实用新型的溶解氧检测装置还包括一温度传感器，该温度传感器与控制电路连接，用于检测水体温度，进行温度补偿，将检测到的数据实时上传至上位机处理。该温度传感器具有体积小，抗干扰能力强，精度高等优点。

为了便于进一步理解本实用新型技术方案，下面对上述基于荧光分析的溶解氧检测装置及系统的使用方法及工作过程作简要说明。

首先利用光源调制电路对光源进行调制，光源驱动电路使得光源稳定输出，由光纤传输入射到氧荧光敏感材料上，激发产生的荧光通过滤波、聚焦后被光电探测器所接收，再通过信号处理，将荧光信号转化为电压信号，再将所得的电压信号与溶解氧浓度变化关系比对，得出溶解氧浓度信息，具体包括如下步骤：

步骤1、利用信号处理单元中的MSP430单片机发出脉冲指令，控制光源调制电路对光源进行调制，光源驱动电路为其提供稳定地功率输出。调制后的光经第一光纤传输到四端口光纤环形器的第一端口，然后从四端口光纤环行器的第二端口输出到光纤准直器，自光纤准直器出射的光通过水密玻璃片入射到氧荧光敏感材料上，由荧光猝灭效应产生的荧光反馈回光纤准直器。

步骤2、激发产生的荧光经光纤准直器从四端口光纤环行器的第三端口输出，将第三端口输出的荧光耦合到第三光纤再传送到光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅作为一波长选择器将满足布拉格条件的信号光反射。

步骤3、在光纤布拉格光栅的作用下，返回四端口光纤环形器的荧光信号再经四端口光纤环形器的第四端口输出，通过第四光纤和光纤聚焦器后，由光电探测器接收滤波处理后的荧光，将荧光信号转化为电信号。

步骤4、光电探测器转化后到的电信号经信号处理模块处理后传送至上位机，由上位机显示解调后的电压信号，将显示的电压信号与溶解氧浓度变化关系比对，得出溶解氧浓度信息。

当然，本实用新型仅仅以溶解氧浓度的检测为例，其他类似基于荧光分析的液体理化参数的检测利用本实用新型的检测装置也可实现(如液体中PH值、氨氮浓度等)，检测液体中PH值、氨氮浓度只需更换对PH值、氨氮浓度敏感的荧光材料，简易实用，其检测方法与上述雷同，此处不再赘述。

本实用新型通过采用四端口光纤环形器和光纤布拉格光栅相结合的装置结构大大优化了激发光传输和信号光接收效率，光路结构的设计显得更加紧凑高效，有效地提高了基于荧光分析的光学检测系统的测量精度，有利于测量系统小型化，具有很强的实用性。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于荧光分析的溶解氧检测装置，包括用于产生激发光的激发光源模块、用于接收激发光并产生荧光的荧光产生模块、用于接收荧光并对荧光进行滤波的荧光滤波模块、用于接收滤波后的荧光并进行处理的荧光处理模块，其特征在于：还包括四端口光纤环形器，所述激发光源模块的输出端与四端口光纤环形器的第一端口连接，所述荧光产生模块的输入输出端均与四端口光纤环形器的第二端口连接，所述荧光滤波模块的输入输出端均与四端口光纤环形器的第三端口连接，所述荧光处理模块的输入端与四端口光纤环形器的第四端口连接。

2.如权利要求1所述基于荧光分析的溶解氧检测装置，其特征在于：所述激发光源模块包括光源调制电路、光源驱动电路、光源，所述光源调制电路、光源驱动电路分别与所述光源电连接，光源与四端口光纤环形器的第一端口连接。

3.如权利要求1所述基于荧光分析的溶解氧检测装置，其特征在于：所述荧光产生模块包括光学传感器探头，所述光学传感器探头包括封装在一起的光纤准直器、水密玻璃片、荧光敏感材料，所述荧光敏感材料涂覆于水密玻璃片的其中一个表面且涂覆有荧光敏感材料的表面可与外界接触，所述光纤准直器与四端口光纤环形器的第二端口连接。

4.如权利要求1所述基于荧光分析的溶解氧检测装置，其特征在于：所述荧光滤波模块包括光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅与四端口光纤环形器的第三端口连接。

5.如权利要求1所述基于荧光分析的溶解氧检测装置，其特征在于：所述荧光处理模块包括依次连接的光纤聚焦器、光电探测器、信号处理单元，所述光纤聚焦器与四端口光纤环形器的第四端口连接。

6.如权利要求1所述基于荧光分析的溶解氧检测装置，其特征在于：所述基于荧光分析的溶解氧检测装置还包括温度传感器，所述温度传感器与所述荧光处理模块电连接。

7.一种基于荧光分析的溶解氧检测系统，其特征在于：包括如权利要求1-6任一项所述基于荧光分析的溶解氧检测装置、上位机，所述上位机与所述荧光处理模块电连接。