CN205449813U - 一种基于led光源的溶解氧光电检测探头及溶解氧探测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于LED光源的溶解氧光电检测探头及溶解氧探测仪，用于探测溶解氧，包括非透光壳体、LED光源、比色皿和光电探测器，所述比色皿可活动地设置在非透光壳体内，所述LED光源和光电探测器均嵌于非透光壳体的内壁，且LED光源发出的光束可穿过比色皿照射到光电探测器上，从LED光源引出电源导线，从光电探测器引出信号导线。本实用新型采用LED光源和光电探测器，成本低，和成百上千元的电极比起来成本相差几个数量级；采用了比色皿的设计，测量精度高；小巧携带方便。

Description

一种基于LED光源的溶解氧光电检测探头及溶解氧探测仪

技术领域

本实用新型属于光学传感技术领域，尤其涉及一种运用了3mmLED光源和光电探测器组件构成的溶解氧光电检测探头。

背景技术

随着工业的高速发展，人们生活需求的不断增大，环境的人为污染日趋严峻。工农业生产及人民生活产生大量生产生活废物和污水,这对地表、地下水资源造成了严重污染，在没有监管条件下对环境造成的危害的事件也越来越多。水产养殖过程对水质好坏依赖性很强，养殖水泊遭到污染后，对水产品的产量和质量是有着十分显著得影响的，所以对于养殖户来说,水质检测和控制是十分重要和迫切需要的,是水产养殖过程中必不可少的。本专利旨在设计一款易维护、低成本的水质检测探头，满足大众化的水质检测需求，方便一般用户在生产中生活中的水质的检测。

溶解在水中的氧称为溶解氧，溶解氧指的是以分子状态存在于水中的氧,水中溶解氧量是水质重要指标之一。

水中溶解氧含量受到两种作用的影响：一种是使溶解氧下降的耗氧作用，包括有机物降解的耗氧、生物耗氧；另一种是使溶解氧增加的复氧作用，主要有空气中氧的溶解，水生植物的光合作用等。这两种作用的相互消长，使水中溶解氧含量呈现出时空变化。

如果水中有机物含量较多，其耗氧速度超过氧的补给速度，则水中溶解氧量将不断减少，当水体受到有机物的污染时，水中溶解氧量甚至可接近于零，这时有机物在缺氧条件下分解就出现腐败发酵现象，使水质严重恶化。

为了检测水中的溶解氧含量，目前常用的溶解氧检测方法有以下几种：

1）碘量法（等效于国际标准ISO5813-1983）是测定水中溶解氧的基准方法，使用化学检测方法，测量准确度高，是最早用于检测溶解氧的方法。其原理是在水样中加入硫酸锰和碱性碘化钾，生成氢氧化锰沉淀。此时氢氧化锰性质极不稳定，迅速与水中溶解氧化合生成锰酸锰：加入浓硫酸使已化合的溶解氧（以MnMnO3的形式存在）与溶液中所加入的碘化钾发生反应而析出碘：再以淀粉作指示剂，用硫代硫酸钠滴定释放出的碘，来计算溶解氧的含量。

在没有干扰的情况下，此方法适用于各种溶解氧浓度大于0.2mg/L和小于氧的饱和度两倍（约20mg/L）的水样。

2）电流测定法根据分子氧透过薄膜的扩散速率来测定水中溶解氧的含量。溶解氧电极的薄膜只能透过气体，透过气体中的氧气扩散到电解液中，立即在阴极（正极）上发生还原反应：在阳极（负极），如银－氯化银电极上发生氧化反应：产生的电流与氧气的浓度成正比，通过测定此电流就可以得到溶解氧的浓度。

电流测定法的测量速度比碘量法要快，操作简便，干扰少（不受水样色度、浊度及化学滴定法中干扰物质的影响），而且能够现场自动连续检测。

3）分光光度法：往水中加入特定药剂与溶解氧反应，使水体发生褪色，显色或产生可显色的中间产物，再通过分光光度法测量水中的溶解氧。

4）荧光猝灭法的测定是基于氧分子对荧光物质的猝灭效应原理，根据试样溶液所发生的荧光的强度来测定试样溶液中荧光物质的含量。通过利用光纤传感器来实现光信号的传输，由于光纤传感器具有体积小、重量轻、电绝缘性好、无电火花、安全、抗电磁干扰、灵敏度高、便于利用现有光通信技术组成遥测网络等优点，对传统的传感器能起到扩展、提高的作用，在很多情况下能完成传统的传感器很难甚至不能完成的任务，因此非常适合于荧光的传输与检测。

上述方法都存在各自的缺陷：碘量法操作复杂，使用化学药品繁多，容易受水中杂质干扰；电流测定法速度较快,但是由于它的透氧膜和电极比较容易老化，当水样中含藻类、硫化物、碳酸盐、油类等物质时，会使透氧膜堵塞或损坏。荧光猝灭法比较复杂，优点是响应速度快（可低于50ms），并有很好的稳定性，但国内相关技术尚没有成熟。分光光度法能够借助显色剂在水体中使用，容易受水中其他离子干扰。

便携水质检测仪的应用现状

中国对水质检验的常规程序是取样后拿到实验室检验分析，中间的工作环节复杂，导致检测时间长，不能及时得到水质情况。国内一些单位和研究机构已经开发研制出一些小型溶解氧检测仪，一般都基于电流测定法，如上海雷磁仪器厂生产的JPSJ－605型溶解氧分析仪，北京北斗星工业化学研究所研制的H－BD5W手持式水质通用测试仪等，其速度方面同国外同类仪器还有一定的差距；总的来说，市场上大多数商品化溶解氧测量仪都是基于Clark溶解氧电极的,基于光学方法检测的探头还是比较少的。

水质检测设备按其功能划分可分为三类：一是实验室用检测仪器，主要用于水质的评判和深层次的水质检测工作；二是供制水过程水质监测的仪器，主要是各类在线水质监测仪器；三是针对突发水质异常情况，确保供水安全的，操作简便、快速，定性或半定量的应急检测仪器。而本专利实现的就是上述第三种功能。

溶解氧的测定方法很多，包括碘滴定法(碘标准溶液反滴定法)、分光光度法和电流测定法等，由于本文主要目的是开发低成本、易维护的溶解氧光学探头，因此研究的方法是分光光度法。

上述两种方法中，分光光度法主要被用在非便携检测设备如台式检测仪器上，而电极测量法的适用条件不受限制，台式检测仪器和便携式检测仪器上都有应用，但是电极测量中所用的氨氮、溶解氧电极成本比较高，而且很多电极都依靠国外进口，从溶解氧电极的成本就可以知道电极法测量的成本较高，而现在市面上主要的便携式溶解氧检测设备几乎都采用溶解氧电极作为传感器，对于低成本大众化水质测量来说，电极法仍然是不太实际的。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：现有电极法溶解氧检测精度高，但是电极都依靠国外进口，成本高，而分光光度法可以做到较高的检测精度，而且成本可以很低，完全可以满足一般的溶解氧测量需求，但是分光光度法一般只在台式检测仪器中使用，无法实现便携式设计，不利于大众化水质测量。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种技术方案是：一种基于LED光源的溶解氧光电检测探头，用于探测溶解氧，其包括非透光壳体、LED光源、比色皿和光电探测器，所述比色皿可活动地设置在非透光壳体内，所述LED光源和光电探测器均嵌于非透光壳体的内壁，且LED光源发出的光束可穿过比色皿照射到光电探测器上，从LED光源引出电源导线，从光电探测器引出信号导线。

进一步地，所述光电探测器采用硅PIN光电探测器。

进一步地，所述比色皿的外形为方形柱，与之匹配的，所述非透光壳体内壁包围的内腔为方形柱。

进一步地，所述LED光源和光电探测器嵌于非透光壳体中间部分的内壁中。

一种溶解氧探测仪，包括上述的一种基于LED光源的溶解氧光电检测探头，还包括驱动电路单元和信号检测电路单元，所述驱动电路单元用于驱动LED光源，所述信号检测电路单元用于接收处理光电探测器的传感信号并计算显示溶解氧。

进一步地，所述信号检测电路单元包括放大电路单元、模数转换单元、处理器单元和显示单元；所述溶解氧光电检测探头中的光电探测器通过信号导线与放大电路单元连接，所述放大电路单元与模数转换单元连接，所述模数转换单元与处理器单元连接，所述显示单元与处理器单元连接。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：采用LED光源和光电探测器，成本低，和成百上千元的电极比起来成本相差几个数量级；采用了比色皿的设计，测量精度高；小巧携带方便。

附图说明

图1本实用新型中溶解氧光电检测探头的结构示意图；

其中，1、非透光壳体2、LED光源3、比色皿4、光电探测器5、待测液6、电源导线7、信号导线。

具体实施方式

结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行说明；

实施例1如图1所示，一种基于LED光源的溶解氧光电检测探头，用于探测溶解氧，其包括非透光壳体1、LED光源2、比色皿3和光电探测器4，所述比色皿3可活动地设置在非透光壳体1内，所述LED光源2和光电探测器4均嵌于非透光壳体1的内壁，且LED光源2发出的光束可穿过比色皿3照射到光电探测器4上，从LED光源2引出电源导线6，从光电探测器4引出信号导线7。在实际使用时，所述非透光壳体1的内壁尽可能靠近比色皿3的外壁，即非透光壳体1的内壁与比色皿3的外壁之间存在较小的间隙，这样，一方面可以保证比色皿3可活动地设置在非透光壳体1中，另一方面，可以保证光路中的不确定因素减少，测量精度也会提高。优选地，所述光电探测器4采用硅PIN光电探测器。

工作原理：将待测液5置入比色皿3中，加入显色剂，利用显色剂和溶解氧的显色反应生成絮状反应物进行显色，并在溶解氧光电检测探头的光路部分插入待测液5即可测量，溶解氧越高，显色效果越好，显色越好，透光度就减少，吸光度就增加了。溶液吸光度和浓度之间的关系就是著名的朗伯比尔定律。该定律的物理表述是，物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时,其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比，数学表达式为，A=Kbc。其中，A为吸光度,K为摩尔吸收系数，它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关，c为吸光物质的浓度，b为吸收层厚度。一束蓝光从LED光源发出，透过比色皿中的溶解氧反应絮状生成物，被光电探测器吸收，测量透过光的光强规律就可以得出吸光度的相应规律，通过联系朗伯比尔定律，就可以得到溶解氧浓度，值得注意的是，LED灯源发出的入射光波长峰值、光电探测器的波长检测峰值和溶解氧反应物的吸收波长一致。

为了方便计算吸收层厚度，优选的，所述比色皿3的外形为方形柱，与之匹配的，所述非透光壳体1内壁包围的内腔为方形柱。

为了减少探头外部杂散光对光路的影响，所述LED光源2和光电探测器4嵌于非透光壳体1中间部分的内壁中，尽量不让光线从非透光壳体1的两端漏光。

实施例2一种溶解氧探测仪，包括上述的一种基于LED光源的溶解氧光电检测探头，还包括驱动电路单元和信号检测电路单元，所述驱动电路单元用于驱动LED光源，所述信号检测电路单元用于接收处理光电探测器的传感信号并计算显示溶解氧浓度，所述溶解氧光电检测探头中的电源导线和信号导线端部设有锁卡口，可拆卸地与驱动电路单元和信号检测电路单元连接。其中，所述信号检测电路单元包括放大电路单元、模数转换单元、处理器单元和显示单元；所述溶解氧光电检测探头中的光电探测器通过信号导线与放大电路单元连接，所述放大电路单元与模数转换单元连接，所述模数转换单元与处理器单元连接，所述显示单元与处理器单元连接。

工作原理及工作过程是：LED光源发出的光束照射在待测液体上，经待测液体透射出来的光束垂直照射在光电探测器上，由于待测液体的溶解氧不一样，所以LED光源所发出的光束经过显色液体透射后，光强会有不同程度的衰减，因此光电探测器接收到不同大小透射光线信号，光电探测器对光信号进行光电转换后输出电压值，在经放大电路单元放大处理，然后转换为数字信号，由处理器计算吸光度，根据朗伯比尔定律，计算出溶解氧，并通过显示单元显示数值，方便读取。

需要理解的是：上述实施方式对本实用新型的涉及思路做了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本实用新型设计思路的简单文字描述，而不是对本实用新型设计思路的限制，任何不超出本实用新型设计思路的组合，增加或修改，均落入本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于LED光源的溶解氧光电检测探头，用于探测溶解氧，其特征在于，包括非透光壳体、LED光源、比色皿和光电探测器，所述比色皿可活动地设置在非透光壳体内，所述LED光源和光电探测器均嵌于非透光壳体的内壁，且LED光源发出的光束可穿过比色皿照射到光电探测器上，从LED光源引出电源导线，从光电探测器引出信号导线。

2.如权利要求1所述的一种基于LED光源的溶解氧光电检测探头，其特征在于，所述光电探测器采用硅PIN光电探测器。

3.如权利要求1或者2所述的一种基于LED光源的溶解氧光电检测探头，其特征在于，所述比色皿的外形为方形柱，与之匹配的，所述非透光壳体内壁包围的内腔为方形柱。

4.如权利要求3所述的一种基于LED光源的溶解氧光电检测探头，其特征在于，所述LED光源和光电探测器嵌于非透光壳体中间部分的内壁中。

5.一种溶解氧探测仪，其特征在于，包括权利要求1-4任意一项所述的一种基于LED光源的溶解氧光电检测探头，还包括驱动电路单元和信号检测电路单元，所述驱动电路单元用于驱动LED光源，所述信号检测电路单元用于接收处理光电探测器的传感信号并计算显示溶解氧。

6.如权利要求5所述的一种溶解氧探测仪，其特征在于，所述信号检测电路单元包括放大电路单元、模数转换单元、处理器单元和显示单元；所述溶解氧光电检测探头中的光电探测器通过信号导线与放大电路单元连接，所述放大电路单元与模数转换单元连接，所述模数转换单元与处理器单元连接，所述显示单元与处理器单元连接。