CN208969005U - 基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器，包括测量组件、前盖、固定支架、壳体、后盖、荧光帽和电缆，测量组件包括LED灯、探测器、透镜、滤光片和电路板，荧光帽上的第一玻璃片上涂有氧敏感膜，荧光帽安装于前盖上，前盖、壳体和后盖依次连接，固定支架安装于前盖内，固定支架上设有LED灯安装孔和光路固定孔，LED灯安装于LED灯安装孔内，光路固定孔位于固定支架的中心，电路板位于壳体内，电路板一端连接LED灯和探测器，电缆穿过后盖连接电路板另一端，LED灯、探测器、透镜和滤光片均安装在固定支架上，实现光路一体化，一致性好，LED灯、探测器、透镜和滤光片安装到位，不易移位，避免了移位造成的测量误差。

Description

基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器

技术领域

本实用新型涉及溶解氧测量领域，具体涉及一种基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器。

背景技术

溶解氧(dissolved oxygen)是指溶解在水里的氧，溶解氧浓度与水中植物、有机物污染程度有关，因此浓度检测对于环境监测、工业生产、临床医学以及水产养殖等领域均有十分重要的意义。

溶解氧浓度传统的检测方法有碘量法、Clark电极法等，碘量法适合实验室检测，不能实现在线检测；Clark电极法虽然可以实现在线检测，但是由于其测量过程中会消耗电极附近的氧分子，存在测量误差。

实用新型内容

本实用新型针对上述问题，提出了一种基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器。

本实用新型采取的技术方案如下：

一种基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器，包括测量组件、前盖、固定支架、壳体、后盖、荧光帽和电缆，测量组件包括LED灯、透镜、滤光片、探测器和电路板，荧光帽安装于前盖上，荧光帽上设有第一玻璃片，第一玻璃片外侧涂有氧敏感膜，前盖、壳体和后盖依次连接，测量组件安装于固定支架上，固定支架安装于前盖内，固定支架上设有LED灯安装孔和光路固定孔，LED灯安装于LED灯安装孔内，光路固定孔位于固定支架的中心，透镜、滤光片、探测器依次安装于光路固定孔内，电路板位于壳体内，电路板一端连接LED灯和探测器，电缆穿过后盖连接电路板另一端。

进一步在于，LED灯安装孔为两个，两个LED灯安装孔分别设于光路固定孔两侧，LED灯安装孔与光路固定孔之间具有夹角。

进一步在于，LED灯安装孔与光路固定孔之间的夹角角度为30度。

进一步在于，后盖上设置有前安装螺纹和后安装螺纹。

进一步在于，基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器还包括保护罩，保护罩安装于前盖上，保护罩用于盖住荧光帽，保护罩底部和侧面设有通孔。

进一步在于，前盖上设有第一螺纹和第二螺纹，保护罩通过第一螺纹安装于前盖上，荧光帽通过第二螺纹安装于前盖上。

进一步在于，前盖和后盖上均设有放置密封圈的凹槽，凹槽位于前盖和后盖与壳体连接处。

进一步在于，前盖具有第二玻璃片，第二玻璃片用于透光和防水。

进一步在于，壳体内壁上安装有温度传感器。温度传感器用于测量水温。

进一步在于，基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器还包括防水接头，防水接头连接后盖，电缆穿过后盖和防水接头连接电路板。

本实用新型的有益效果是：本实用新型基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器在测量过程中并不产生氧分子的消耗、灵敏度高、可以实现在线检测；LED灯、探测器、透镜和滤光片均安装在固定支架上，实现光路一体化，保证光路的一致性，简化的光路的安装方式，固定支架上设有LED灯安装孔和光路固定孔，使得LED灯、探测器、透镜和滤光片安装到位，不易移位，避免了移位造成的测量误差。

附图说明

图1是基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器的爆炸图；

图2是基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器的剖面图；

图3是基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器的硬件结构示意图。

图中各附图标记为：2、前盖，3、壳体，4、后盖，41、前安装螺纹，42、后安装螺纹，5、密封圈，6、防水接头，7、电缆，8、固定支架，81、LED灯安装孔，82、光路固定孔，9、荧光帽，10、LED灯，11、透镜，12、滤光片，13、探测器，14、温度传感器，15、第一玻璃片，16、电路板，17、保护罩，18、通孔，21、第二玻璃片，22、第二螺纹，23、第一螺纹，24、凹槽。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的部分实施例，而不是全部实施例。

参见图1、2，本实用新型提供了一种基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器，包括测量组件、前盖2、固定支架8、壳体3、后盖4、荧光帽9和电缆7，测量组件包括LED灯10、探测器13、透镜11、滤光片12和电路板16，荧光帽9安装于前盖2上，荧光帽9上设有第一玻璃片15，第一玻璃片15外侧涂有氧敏感膜，前盖2、壳体3和后盖4依次连接，测量组件安装于固定支架8上，固定支架8安装于前盖2内，固定支架8上设有LED灯安装孔81和光路固定孔82，LED灯10安装于LED灯安装孔81内，光路固定孔82位于固定支架8的中心，透镜11、滤光12片和探测器13依次安装于光路固定孔82内，电路板16位于壳体3内，电路板16一端连接LED灯10和探测器13，电缆7穿过后盖4连接电路板16另一端。本实用新型基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器在测量过程中并不产生氧分子的消耗、灵敏度高、可以实现在线检测；LED灯10、探测器13、透镜11和滤光片12均安装在固定支架8上，实现光路一体化，保证光路的一致性，简化的光路的安装方式，固定支架8上设有LED灯安装孔81和光路固定孔82，使得LED灯10、探测器13、透镜11和滤光片12安装到位，不易移位，避免了移位造成的测量误差。具体的，LED灯10和探测器13焊接于电路板16上，电路板16通过螺丝固定于前盖2上。

参见图1、2，LED灯安装孔81为两个，两个LED灯安装孔81分别设于光路固定孔82两侧，LED灯安装孔81与光路固定孔82之间具有夹角，两个LED灯10发出的光线相交于光路固定孔82的中心线上，两个LED灯10一个作为测量LED灯，另一个作为参考LED灯，使得计算出的结果更加准确。优选的，LED灯安装孔81与光路固定孔82之间的夹角角度为30度，使得安装后的LED灯10的光路与光路固定孔82的中心线夹角为30度，LED灯10、探测器13、透镜11和滤光片12组装紧凑的同时，光路长度也合适。

参见图1、2，后盖4上设置有前安装螺纹41和后安装螺纹42，前安装螺纹41和后安装螺纹42的设置增加本实用新型基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器的在实际应用中的适用性。

参见图1、2，基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器还包括保护罩17，保护罩17安装于前盖2上，保护罩17用于盖住荧光帽9，保护罩17底部和侧面设有通孔18，保护罩17可以保护涂有氧敏感膜的第一玻璃片15不受外界物质的磨损，同时保证水的流通性。具体的，前盖2上设有第一螺纹23和第二螺纹22，保护罩17通过第一螺纹23安装于前盖2上，荧光帽9通过第二螺纹22安装于前盖2上，通过在前盖2上设置直径不同的第一螺纹23和第二螺纹22，使得保护罩17和荧光帽9均连接在前盖2上，且保护罩17罩住荧光帽9对荧光帽9进行保护。

参见图1、2，前盖2和后盖4上均设有放置密封圈5的凹槽24，凹槽24位于前盖2和后盖4与壳体3连接处，通过密封圈5对前盖2和后盖4与壳体3连接处进行密封防水。

参见图1、2，前盖2具有第二玻璃片21，第二玻璃片21可以作为透光窗口，且具有防水作用，防止水渗透进传感器内部造成破坏。

参见图1、2，壳体3内壁上安装有温度传感器14，温度传感器14用于测量水体的温度。

参见图1、2，基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器还包括防水接头6，防水接头6连接后盖4，防水接头6与后盖4之间设有密封圈5进行防水，电缆7穿过后盖4和防水接头6，设置防水接头6避免电缆7穿过后盖4的位置进水。

参考图3，基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器的硬件包括测量LED、参考LED、探测器、信号处理电路、测量LED驱动、参考LED驱动、相位比较电路、低通滤波电路、模数转换电路(ADC)、温度传感器、温度测量电路、微控制器、通信接口和电流接口；

测量LED所选用的波长为氧敏感膜吸收峰值波长附近，常用470nm左右的蓝光，接收测量LED驱动触发信号后发出蓝光照射到荧光膜上，产生波长为650nm的荧光；

参考LED所选用的波长氧敏感膜吸收峰无关波长，常用650nm左右的红光，接收参考LED驱动触发信号照射到荧光膜上后，荧光膜仅造成反射，反射的光仍为650nm红光；

氧敏感膜产生的650nm荧光和反射的650nm红光通过滤光片和透镜后到达探测器，由探测器接收并转换为电信号，输入到信号处理电路中；探测器可以为光电二极管、雪崩光电二极管、光电倍增管等；

信号处理电路实现信号放大、脉冲整形功能，输出矩形脉冲信号到相位比较电路；

相位比较电路对来自控制器的脉冲信号和来自信号处理电路的脉冲信号进行相位比较，输出代表相位差信号的相位差脉冲信号，相位差脉冲信号的宽度即代表相位差的量；

相位差脉冲信号经过低通滤波电路后变成直流信号，输入到模数转换电路(ADC)；

模数转换电路(ADC)在控制器的控制下完成直流信号的采集，并输入到控制器中；

控制器负责产生参考LED驱动的触发信号和测量LED驱动的触发信号，同时将触发信号输入到相位比较电路中，作为触发参考信号；控制器实现模数转换电路的控制和接收模数转换电路产生的数字信号，控制器还实现温度测量电路中温度信号的采集，将采集得到的相位差信息、温度信号用于传感器温敏系数标定、K系数标定、溶解氧浓度计算，最终得到溶解氧浓度输出到数字输出模块和模拟输出模块；

数字输出模块为常用的数字接口，如RS232、RS485、RJ45、USB等；

模拟输出模块为常用的电流输出接口，如0-20mA、4-20mA模块；

温度传感器固定在壳体的内壁上，输出信号经过温度测量电路到达控制器，温度传感器可以为NTC、PT100、DS18B20等；

温度测量电路将传感器输出的温度信号转换成微控制器可以识别的信号，输入到控制器中。

传感器温敏系数标定流程：

步骤一：恒温过饱和无氧水制作，纯净水温在某一较低的温度，优选为10℃，加入过量的亚硫酸钠，水体保持过无氧状态；

步骤二：传感器测量信号值，传感器测量在每个温度下的测量值；

步骤三：计算变化的百分比，取平均值即为传感器温敏系数C。

K系数标定流程：

步骤一：将传感器放置在空气，等显示值稳定，测量空气的中测量光寿命、参考光寿命、空气温度，分别为τ_测量空气(T_空气)、τ_参考空气、T_空气；

步骤二：测量无氧水的中测量光寿命、参考光寿命、无氧水温度，分别为τ_测量无氧(T_无氧)、τ_参考无氧、T_无氧；

步骤三：计算无氧水中的测量光强度在空气中的温补

τ_测量无氧(T_空气)＝τ_测量无氧(T_无氧)×[1+C×(T_空气-T_无氧)]，C值为温敏系数；

步骤四：计算系数K

溶解氧浓度计算流程：

步骤一：测量蓝光强度、红光强度、溶液温度，分别为τ_测量(T_测量)、τ_参考、T_测量；

步骤二：计算测量光温度补偿后的值

τ_测量(T_空气)＝τ_测量(T_测量)×[1+C×(T_空气-T_测量)]

步骤三：溶解氧(DO)浓度计算

本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器，其特征在于，包括测量组件、前盖、固定支架、壳体、后盖、荧光帽和电缆，测量组件包括LED灯、透镜、滤光片、探测器和电路板，荧光帽安装于前盖上，荧光帽上设有第一玻璃片，第一玻璃片外侧涂有氧敏感膜，前盖、壳体和后盖依次连接，测量组件安装于固定支架上，固定支架安装于前盖内，固定支架上设有LED灯安装孔和光路固定孔，LED灯安装于LED灯安装孔内，光路固定孔位于固定支架的中心，透镜、滤光片、探测器依次安装于光路固定孔内，电路板位于壳体内，电路板一端连接LED灯和探测器，电缆穿过后盖连接电路板另一端。

2.如权利要求1所述的基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器，其特征在于，LED灯安装孔为两个，两个LED灯安装孔分别设于光路固定孔两侧，LED灯安装孔与光路固定孔之间具有夹角。

3.如权利要求2所述的基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器，其特征在于，LED灯安装孔与光路固定孔之间的夹角的角度为30度。

4.如权利要求1所述的基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器，其特征在于，后盖上设置有前安装螺纹和后安装螺纹。

5.如权利要求1所述的基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器，其特征在于，还包括保护罩，保护罩安装于前盖上，保护罩用于盖住荧光帽，保护罩底部和侧面设有通孔。

6.如权利要求5所述的基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器，其特征在于，前盖上设有第一螺纹和第二螺纹，保护罩通过第一螺纹安装于前盖上，荧光帽通过第二螺纹安装于前盖上。

7.如权利要求1所述的基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器，其特征在于，前盖和后盖上均设有放置密封圈的凹槽，凹槽位于前盖和后盖与壳体连接处。

8.如权利要求1所述的基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器，其特征在于，前盖具有第二玻璃片，第二玻璃片用于透光和防水。

9.如权利要求1所述的基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器，其特征在于，壳体内壁上安装有温度传感器，温度传感器用于测量水温。

10.如权利要求1所述的基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器，其特征在于，还包括防水接头，防水接头连接后盖，电缆穿过后盖和防水接头连接电路板。