CN204613108U - 一种高精度光学溶解氧测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度光学溶解氧测量装置，包括密封外壳，以及设置于密封外壳内部的激发光源模块、第一~第四光耦合器、第一~第二光传导装置、荧光产生模块、荧光处理模块；密封外壳的下表面为斜面，第一光耦合器、第一光传导装置、第二光耦合器封装为一体，且垂直于密封外壳的下表面；荧光产生模块镶嵌于密封外壳的斜面上，第四光耦合器、第二光传导装置、第三光耦合器封装为一体。本实用新型采用基于荧光寿命的检测方法，解决通过测定荧光强度来得到检测结果和溶解氧测量过程中单一参数的测量所带来的误差问题，实现荧光激发过程中光激发效率和荧光接收效率的提高，装置集成度高，且结构紧凑。

Description

一种高精度光学溶解氧测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种高精度光学溶解氧测量装置，特别是涉及一种可用于化工、环境、水产养殖检测的高精度、实时光学溶解氧测量装置，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，水中溶解氧的多少是衡量水体自净能力的一个重要指标。对水中溶解氧浓度的检测在工农业、医学及环境监测领域等方面都具有重要的意义。传统的氧浓度测量法主要有碘量法和Clark氧电极法。碘量法是一种国标法，但由于其测量过程繁琐，很难做到实时在线检测。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，因而其测量精度、响应时间及后期维护都将有很大的限制。

随着荧光检测技术及光学传感器的发展，一种基于荧光猝灭原理的光学测量法逐渐代替了传统的碘量法和氧电极法。然而，在许多现有的专利技术中，如中国的一篇发明(授权号：CN 1731154 A)、一篇实用新型(授权号：CN 201974383U) 二者都描述了一种实时在线的光学氧传感器，但其都是通过测量荧光强度的方法来测定水体中溶解氧浓度，这将会带来由于光源波动等因素而产生的误差，降低了系统灵敏度以及测量结果的准确性，解决误差问题通常是增加复杂的电路和光学结构，这就将会对测量装置结构的设计和制作成本提出一新的挑战。

众所周知，溶解氧与温度、PH值、氧分压及含盐量等有密切的关系，如温度较高时，氧浓度下降，海水和淡水中的含盐量的不同也会大大影响溶解氧浓度。而许多现有的专利技术只是单一地检测水体中氧浓度，而这些影响因子在某些情况下是不能忽略的，特别是温度对溶解氧浓度的影响，温度检测不准确将会极大降低系统的测量精度。

此外，基于荧光猝灭原理的氧浓度测量系统在进行荧光激发的过程中，多数采用的是LED光源，而LED光源有一定的发散角，发光过程是在空气为介质的条件下实现的，导致部分激励光分散在空气中，造成光损耗，大大降低了激发光效率，不利于荧光的分析检测。此外，许多现有的专利技术使用单一的荧光敏感材料，而氧分子作为一种猝灭剂，这就会使得在氧浓度较高的水体中，产生的荧光非常微弱，不利于光电探测器的接收，也不利于溶解氧测量系统的实用化发展。

进一步的，现有的氧浓度测量系统很少实现对液体表面气泡的消除，同时，装置价格低廉、结构小型化一直是急需解决的问题，许多测量系统采用分立探测的结构，容易受到环境变化、背景光等因素的干扰，降低了测量系统的集成度。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种高精度光学溶解氧测量装置，采用基于荧光寿命的检测方法，解决通过测定荧光强度来得到检测结果和溶解氧测量过程中单一参数的测量所带来的误差问题，实现荧光激发过程中光激发效率和荧光接收效率的提高，有效地降低液体中气泡所带来的影响以及分立探测结构导致的系统集成度较低，结构不紧凑的劣势，从而能实现在复杂环境条件下水体中溶解氧浓度的实时在线快速检测。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种高精度光学溶解氧测量装置，包括密封外壳，以及设置于密封外壳内部的激发光源模块、第一~第四光耦合器、第一~第二光传导装置、荧光产生模块、荧光处理模块；所述密封外壳的下表面为斜面，第一光耦合器、第一光传导装置、第二光耦合器封装为一体，且垂直于密封外壳的下表面，第一光耦合器、第二光耦合器分别设置于第一光传导装置的两端；荧光产生模块镶嵌于密封外壳的斜面上，第四光耦合器、第二光传导装置、第三光耦合器封装为一体，且设置于荧光产生模块与荧光处理模块之间，第四光耦合器、第三光耦合器分别设置于第二光传导装置的两端；

激发光源模块产生的激发光依次经第一光耦合器、第一光传导装置、第二光耦合器到达荧光产生模块，荧光产生模块接收激发光并产生荧光，该荧光依次经第四光耦合器、第二光传导装置、第三光耦合器到达荧光处理模块，荧光处理模块接收并处理该荧光。

优选的，所述激发光源模块包括光源发生器、光源调制电路、光源驱动电路，所述光源调制电路、光源驱动电路分别与光源连接。

优选的，所述荧光产生模块包括水密玻璃窗、荧光敏感膜、荧光增敏剂，所述水密玻璃窗镶嵌于密封外壳的斜面上，其中一个表面位于密封外壳的内部，另一个表面与外界接触，且水密玻璃窗与外界接触的表面依次涂覆有荧光敏感膜和荧光增敏剂。

优选的，所述荧光处理模块包括滤光片、汇聚透镜、光电探测器、信号处理单元、四个光隔离板，四个光隔离板围成一个上下通透的长方体，滤光片、汇聚透镜依次设置于长方体内部，荧光依次经滤光片、汇聚透镜后到达光电探测器，光电探测器设置于汇聚透镜的焦点处，光电探测器与信号处理单元连接，信号处理单元还分别与光源调制电路、光源驱动电路连接。

进一步的，该测量装置还包括设置于密封外壳内部的多个温度传感器，所述温度传感器均与信号处理单元连接。

进一步的，该测量装置还包括固定于密封外壳外壁的PH值传感器、气压传感器以及盐度传感器，所述PH值传感器、气压传感器、盐度传感器分别与信号处理单元连接。

进一步的，该测量装置还包括设置于密封外壳内部的无线发射单元、存储单元，以及设置于密封外壳外部的发射天线，存储单元与信号处理单元连接，无线发射单元与存储单元连接，发射天线与无线发射单元连接。

进一步的，该测量装置还包括设置于密封外壳内部的蓄电池，所述蓄电池与信号处理单元连接。

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、本实用新型溶解氧测量装置，利用光耦合器和光传导装置来提高激励光源的发光效率，减小激励光的损耗，通过在荧光敏感膜表面涂覆一层荧光增敏剂再结合一路光传导装置来解决在特定情形下由于荧光信号微弱使得光探测器无法探测到荧光的问题。

2、本实用新型溶解氧测量装置，下表面为一斜面式的结构，相比现有技术中的平行结构式设计，一方面能良好地避免较多气泡积累在荧光敏感膜的四周所带来的测量干扰，另一方面，斜面式结构也有利于测量装置的小型化，也减少了相应的成本，具有很强的实用性。

3、本实用新型溶解氧测量装置，采用了多通道温度测量方法实现对温度的测量，与传统的温度检测措施相比，具有成本低、耐用、精确度和检测效率较高的优势。

4、本实用新型溶解氧测量装置，设计了多传感器组合的模块，能检测氧分压、液体中PH值、含盐量，将氧浓度影响因子考虑在内，大大提高了装置测量精度。

5、本实用新型溶解氧测量装置，设计了GPRS无线发射单元，降低了水文站工作人员的作业强度，提高了检测工作效率。

6、本实用新型溶解氧测量装置，通过测量荧光寿命的方法来检测溶解氧浓度，应用该法检测氧浓度的最大优势在于降低了光源光强变化等其他因素所带来的测量结果不准的缺陷。

附图说明

图1是本实用新型高精度光学溶解氧测量装置的结构示意图。

其中：1为密封外壳，2为光源发生器，3为光源驱动电路，4为光源调制电路，5A为第一光耦合器，5B为第二光耦合器，5C为第三光耦合器，5D为第四光耦合器，6A为第一光传导装置，6B为第二光传导装置，7为水密玻璃窗，8为荧光敏感膜，9为荧光增敏剂，10为光隔离板，11为滤光片，12为汇聚透镜，13为光电探测器，14为信号处理单元，15为温度传感器，16为PH值传感器，17为气压传感器，18为盐度传感器，19为机械开关，20为紧固部件，21为无线发射单元，22为存储单元，23为发射天线，24为蓄电池，25为机械把手。

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，为本实用新型高精度光学溶解氧测量装置的一个优选实施例。该测量装置包括以下部分：密封外壳、激发光源模块、荧光产生模块、荧光接收模块、荧光处理模块、温度测量模块、多传感器组合模块、无线发射模块。

本实施例中的密封外壳1的材质优选为不锈钢或防水的高分子材料，如PVC、ABS材料，且该外壳组成一截面为梯形、下表面与外壳左侧内壁成角的立体装置结构，角度范围为30°-60°；优选的，为45°。

本实施例中的激发光源模块，包括光源发生器2、光源驱动电路3、光源调制电路4、第一光耦合器5A、第二光耦合器5B、第一光传导装置6A。本实施例中的光源发生器为高亮度蓝色发光LED，波长范围为460-470nm，优选的，通过光源调制电路使得输出光的波长为463nm，光源驱动电路可为光源提供稳定的功率输出。光源驱动电路、光源调制电路还与信号处理单元进行电连接。第一光耦合器5A、第二光耦合器5B、第一光传导装置6A通过胶合保护套封装为一体，且与密封外壳1下表面的垂直距离为3-7cm，优选为5cm。优选的，本实施例中的第一~第四光耦合器5A、5B、5C、5D均为耦合光学透镜，第一~第二光传导装置6A、6B均为复合光导管。

本实施例中的荧光产生模块，主要包括涂覆于水密玻璃窗7其中一表面的荧光敏感膜8，以及均匀涂覆于荧光敏感膜表面的荧光增敏剂9，水密玻璃窗其中的一表面可与外界接触。优选的，本实施中的水密玻璃窗是采用石英材质组成，莫氏硬度为9.0、抗压强度20Mpa，透光率达到95%。优选的，本实施中的荧光敏感膜是以钌络合物为荧光敏感材料，通过溶胶-凝胶技术制备，钌络合物可从现有发现的各种荧光敏感材料中选择，本实施例中优选为，荧光增敏剂也可从现有发现的各种荧光增敏剂中选择，本实施例中优选为-环糊精或其衍生物。

本实施例中的荧光接收模块，主要包括第三光耦合器5C、第四光耦合器5D、第二光传导装置6B、4块光隔离板10、滤光片11、汇聚透镜12、光电探测器13。本实施例中的4块光隔离板均为大小相同，颜色为黑色的光隔离板且通过紧固部件固定在装置内部上侧1/4高度处。本实施例中的滤光片11为一中心波长615                                                5nm的带通滤光片，带宽30nm。所述光电探测器可从现有的探测器中选择，本实施例中优选为PIN型光电二极管，波长探测范围为300-1100nm。

本实施例中的信号处理单元14为信号采集与控制电路板，其不仅与光源调制电路4、光源驱动电路3电连接，还与光电探测器13、无线发射单元21以及小型温度传感器15、小型PH值传感器16、小型气压传感器17、小型盐度传感器18进行电连接。信号采集与控制电路板中有一主控制器，为MSP430单片机，具有资源丰富，功耗低的优势。

本实施例中的温度测量模块，主要包括四个小型温度传感器15，组成多通道温度测量电路系统来对水温进行实时地、精准地监测。优选的，本实施例中小型温度传感器15为DS18B20温度传感器，其具有价格低廉、耐用、精确度较高等优点。

本实施例中的多传感器组合模块，主要包括小型PH值传感器16、小型气压传感器17、小型盐度传感器18、机械开关19。PH值传感器、气压传感器、盐度传感器可有效、实时地对其相应的理化参数进行检测。机械开关的材质为高机械强度、防腐蚀的高分子材料，通过紧固部件20将其固定在密封外壳的外壁上，有效地控制三个传感器的工作同时性与先后顺序且机械开关有多个控制按钮，本实施例中为四个，分别为A、B、C、D按钮。A能控制PH值传感器的升降，当需要检测待测水体的PH值时，只需按下A按钮，即可使其下降伸入到待测水体中，再按一下，传感器上升回到原位。同理，B、C按钮分别控制气压传感器和盐度传感器的升降，进一步的，D按钮能同时控制控制三个传感器的升降过程，将实时检测到的数据上传。

本实施例中的存储单元22为SIM卡存储，存储单元22置于无线发射单元21上，无线发射单元通过数据传输线与发射天线23电连接，用于将检测到数据信息进行远程传输。

本实施例还包括一大功率蓄电池24，能长时间为测量系统进行供电，大功率蓄电池通过数据传输线同信号处理单元电连接。

为了方便使用，本实施例还在测量装置的密封外壳1上通过紧固部件固定有机械把手25。

为了便于进一步理解本实用新型技术方案，下面对上述一种高精度光学溶解氧测量装置的工作过程作简要说明。

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发生器进行调制，光源驱动电路为其提供稳定地功率输出。调制后的光通过第一光耦合器耦合后，再入射到第一光传导装置，第一光传导装置再经第二光耦合器将激励光源高效的传输，有效地降低了激励光在空气中传输的损耗。

步骤2、激励光经水密玻璃窗入射到氧荧光敏感膜上，激发荧光敏感膜产生荧光，在荧光增敏剂的作用下，有效地提高荧光强度，同时再结合一路光传导装置，减少了荧光在传输过程中的损耗，荧光通过滤光片、汇聚透镜后被PIN型光电二极管接收。

步骤3、由PIN型光电二极管将接收到的荧光信号实现光电转换，得到荧光衰减信号所对应的电压脉冲信号，电压脉冲信号传给MSP430单片机，进行模数转换，同时计数器开始计时，一旦电压脉冲信号低于预设电压时，计数将停止。通过计数器开始停止的时间，推算出荧光衰减时间，再由经验公式即可得溶解氧浓度。

步骤4、由4个DS18B20小型温度传感器组成多通道温度测量系统，将实时监测到的温度信号上传给信号处理单元进行分析处理，并且在得知温度数值后，通过有效的算法、数据、公式来等对求得的溶解氧浓度值进行线性补偿，减小溶解氧浓度受温度影响所带来的误差。

步骤5、多传感器组合模块中的机械开关可有效地控制三个小型传感器的工作同时性和先后顺序。当需要检测待测水体的PH值时，只需按下A按钮，即可使其下降伸入到待测水体中，再按一下，传感器上升回到原位。同理，B、C按钮分别控制气压传感器和盐度传感器的升降，而D按钮则能同时控制控制三个传感器的升降过程，将实时检测到的数据进行上传。将得到的PH值、氧分压、盐含量数据信号通过信号处理单元处理后，再通过相应的算法、数据、公式等来对溶解氧浓度值进行线性补偿，从而使得所测得的溶解氧浓度更加精确。

步骤6、将通过数据采集、处理、优化得到的溶解氧浓度信号经数据传输线存储在无线发射单元上的存储单元中，再经发射天线实现远程传输。

本实用新型的高精度光学溶解氧测量装置，还可以应用于其他科研领域，如在氧传感器外加上一层对葡萄糖浓度变化敏感的固定化葡萄糖氧化酶膜，利用氧传感器可以制造成葡萄糖分析仪。再如在氧传感器外加上一层专用的对BOD浓度变化敏感的细菌/微生物膜，可以制造成BOD分析仪，大大扩展了本实用新型的应用范围，具有较强的实用性，其检测方法与上述雷同，此处不再赘述。

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 (8)

1.一种高精度光学溶解氧测量装置，其特征在于：包括密封外壳，以及设置于密封外壳内部的激发光源模块、第一~第四光耦合器、第一~第二光传导装置、荧光产生模块、荧光处理模块；所述密封外壳的下表面为斜面，第一光耦合器、第一光传导装置、第二光耦合器封装为一体，且垂直于密封外壳的下表面，第一光耦合器、第二光耦合器分别设置于第一光传导装置的两端；荧光产生模块镶嵌于密封外壳的斜面上，第四光耦合器、第二光传导装置、第三光耦合器封装为一体，且设置于荧光产生模块与荧光处理模块之间，第四光耦合器、第三光耦合器分别设置于第二光传导装置的两端； 

激发光源模块产生的激发光依次经第一光耦合器、第一光传导装置、第二光耦合器到达荧光产生模块，荧光产生模块接收激发光并产生荧光，该荧光依次经第四光耦合器、第二光传导装置、第三光耦合器到达荧光处理模块，荧光处理模块接收并处理该荧光。

2.如权利要求1所述高精度光学溶解氧测量装置，其特征在于：所述激发光源模块包括光源发生器、光源调制电路、光源驱动电路，所述光源调制电路、光源驱动电路分别与光源连接。

3.如权利要求1所述高精度光学溶解氧测量装置，其特征在于：所述荧光产生模块包括水密玻璃窗、荧光敏感膜、荧光增敏剂，所述水密玻璃窗镶嵌于密封外壳的斜面上，其中一个表面位于密封外壳的内部，另一个表面与外界接触，且水密玻璃窗与外界接触的表面依次涂覆有荧光敏感膜和荧光增敏剂。

4.如权利要求2所述高精度光学溶解氧测量装置，其特征在于：所述荧光处理模块包括滤光片、汇聚透镜、光电探测器、信号处理单元、四个光隔离板，四个光隔离板围成一个上下通透的长方体，滤光片、汇聚透镜依次设置于长方体内部，荧光依次经滤光片、汇聚透镜后到达光电探测器，光电探测器设置于汇聚透镜的焦点处，光电探测器与信号处理单元连接，信号处理单元还分别与光源调制电路、光源驱动电路连接。

5.如权利要求4所述高精度光学溶解氧测量装置，其特征在于：该测量装置还包括设置于密封外壳内部的多个温度传感器，所述温度传感器均与信号处理单元连接。

6.如权利要求4所述高精度光学溶解氧测量装置，其特征在于：该测量装置还包括固定于密封外壳外壁的PH值传感器、气压传感器以及盐度传感器，所述PH值传感器、气压传感器、盐度传感器分别与信号处理单元连接。

7.如权利要求4所述高精度光学溶解氧测量装置，其特征在于：该测量装置还包括设置于密封外壳内部的无线发射单元、存储单元，以及设置于密封外壳外部的发射天线，存储单元与信号处理单元连接，无线发射单元与存储单元连接，发射天线与无线发射单元连接。

8.如权利要求4所述高精度光学溶解氧测量装置，其特征在于：该测量装置还包括设置于密封外壳内部的蓄电池，所述蓄电池与信号处理单元连接。