CN217277875U - 一种基于荧光猝灭原理的溶解氧实时监测传感器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于荧光猝灭原理的溶解氧实时监测传感器装置，包括光学探头、光电转换单元和信号处理单元，光学部分包括壳体、荧光膜以及保护层，壳体内设中空腔，壳体上设置光窗，光窗前表面涂覆有荧光膜；荧光膜表面覆盖保护层；光电转换单元包括蓝色LED光源、红色LED光源、感光器和红色滤光片，蓝色LED光源和红色LED光源分别设置于中空腔相对两侧；感光器设置于荧光膜正后方；红光滤光片设置于荧光膜与感光器之间；信号处理电路包括模拟电路装置和数模转化装置，模拟电路装置包括模拟电源和数字电源，模拟电源和数字电源物理隔离，并各自拥有独立的地线和供电电源。本实用新型的有益效果是：响应时间短、信号值稳定、可逆性好、稳定性高。

Description

一种基于荧光猝灭原理的溶解氧实时监测传感器装置

技术领域

本实用新型属于水体溶解氧监测领域，涉及一种基于荧光猝灭原理的溶解氧实时监测传感器装置。

背景技术

随着社会与科学技术的发展，我们已经进入到了一个信息化的时代，人们对各种数据信息的需求显现得更为迫切，因为这些数据信息与人们生活质量、生产力发展、科学研究、国民经济乃至国家安全等方面息息相关，溶解氧检测技术的创新发展具有深远意义。

溶解在水中的分子态氧称为溶解氧,水中的溶解氧的含量与空气中氧的分压、水的温度等都有着密切的联系。水中溶解氧的多少是衡量水体洁净程度的一项重要指标。水中的溶解氧含量的测定对于环境监测，水产养殖，工业生产，医疗卫生等领域来说有着重要的意义。

目前，国内外拥有多种测量溶解氧的技术，其中传统的方法有碘量法、分光光度法、气相色谱法、比色目测法、电极法等。这些传统的测量方法有着各自的合理性，但都存在着一些缺陷。例如碘量法适用于实验室中的水体溶解氧检测，但存在着操作复杂、耗时冗长、无法实现实时在线检测等问题；电极法在检测水体溶解氧时对水体中的溶解氧会有所消耗，存在着较大的测量误差，电极与氧透膜易老化，需要不断更换透气膜，有着维护过程复杂的问题；气相色谱法测量水体中的溶解氧浓度快速准确，但那难以得到大规模的推广。而基于荧光猝灭原理的溶解氧实时监测传感器具有不消耗水体中的溶解氧，灵敏度高，测量精确度高等优点，更加满足现今水体中溶解氧浓度的实时在线监测需求，更加符合当今对溶解氧检测的研究方向。

荧光猝灭原理是指氧分子能使特定的荧光物质产生荧光猝灭效应，荧光物质与猝灭剂分子作用使得荧光分子的荧光强度降低、寿命减少的现象，从而凭借这两种本征参数测定溶解氧含量。常见的荧光猝灭剂有卤素离子、重金属离子、氧分子以及硝基化合物、重氮化合物、羧基和羰基化合物等。氧是一些荧光物质的天然猝灭剂，氧猝灭过程已经被证明是动态猝灭，原理是氧与激发态的荧光物质发生碰撞后发生能量转移，从而造成荧光强度的减弱。但是，碰撞之后，两者会立即分开，荧光分子并没有发生化学变化，因此氧对荧光分子的猝灭是可逆的。溶解氧含量的测量可大致分为三个过程——吸光过程、荧光过程和猝灭过程。这种动态猝灭过程符合Stern-Volmer方程，荧光物质的猝灭程度与氧浓度呈正相关。

综合对比了各种溶解氧的测量方法，基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器脱颖而出，具有众多优势：测量过程中不会消耗水体的溶解氧、无需考虑水体的流动速度和搅拌速度、抗电磁干扰、无需参比电极、小巧便携、操作简便、可以实现远程、连续、在线监测等，拥有更加良好的应用前景。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种基于荧光猝灭原理的溶解氧实时监测传感器装置，该设备利用荧光猝灭原理可以实时检测溶解氧，并且设备小巧便携、密封防水、耐腐蚀性、耐高压性、硬度强度、透光性好。

为满足这些需求，本实用新型通过以下技术方案实现：

本实用新型所述的一种基于荧光猝灭原理的溶解氧实时监测传感器装置，其特征在于：包括光学探头、光电转换单元和信号处理单元，所述光学探头包括壳体、荧光膜以及保护层，所述壳体内设中空腔，所述壳体上设置有可供光线通过的光窗，壳体的设置光窗的一侧为前，反之为后，在所述光窗的前表面涂覆有荧光膜；所述荧光膜的表面覆盖用于遮光及避免水体污染的保护层；

所述光电转换单元设置于壳体的中空腔内，包括作为激发光源的蓝色LED光源、作为参比光源的红色LED光源、感光器、红色滤光片和I/V转换器，所述蓝色LED光源和所述红色LED光源分别设置于所述壳体的中空腔相对两侧，所述蓝色LED光源和所述红色LED光源的光射方向同时对准所述荧光膜的中心区域，使得荧光膜位于蓝色LED 光源、红色LED光源的焦点处；所述感光器设置于所述荧光膜正后方的壳体中空腔内，所述感光器的荧光信号输出端与所述信号处理部分的荧光信号输入端电路连接，用于将接收的荧光信号传输给信号处理部分；所述红色滤光片设置于在荧光膜与感光器之间，用于消除杂散光对感光器的干扰，以选择性透过特定波段的光；所述I/V转换器的信号输出端与所述信号处理电路300的信号输入端电连接，用于将电流信号转换为电压信号；

所述信号处理电路包括模拟电路装置和数模转化装置，所述模拟电路装置包括模拟电源和数字电源，模拟电源和数字电源物理隔离，并各自拥有独立的地线和供电电源，其中模拟电源通过模拟电路分别与所述感光器以及所述蓝色LED光源的驱动端、红色LED光源的驱动端电连接，用于控制传感器设备工作；所述数字电源通过微控制器分别与所述感光器、所述蓝色LED光源的驱动端、红色LED光源的驱动端电连接，所述数字电源通过I/O接口电路与外界存储设备信号连接，用于实时监测、控制传感器装置。

进一步，所述数字电源包括供电电源、LED驱动芯片、光电转换器、I/V转换器、交流放大滤波单元、微控制器以及信号处理和传输单元；

所述供电电源的输电端分别与所述LED驱动芯片、光电转换器、交流放大滤波单元、相位检测单元电连接；

所述光电转换器的光信号输入端与所述传感器的光信号输出端电连接，所述光电转换器的电流信号输出端与所述I/V转换器的电输入端电连接，用于将光信号转换为电流信号并传输给I/V转换器；

所述I/V转换器的信号输出端与所述交流放大滤波单元的信号输入端电连接，用于将电流信号转换为电压信号；

所述交流放大滤波单元的信号输出端与所述微控制器的信号输入端电连接，用于将电压信号进行方波调制获取相应的方波信号。

所述微控制器的控制端通过LED驱动芯片与所述蓝色LED光源的驱动端、红色LED光源电连接，用于控制所述蓝色LED光源和所述红色LED光源工作；所述微控制器内设有相位检测单元，并且所述相位检测单元的信号输入端与所述交流放大滤波单元的信号输出端电连接，并通过信号处理和传输单元与所述数模转化装置的信号传输端电连接，所述微控制器的数据信号输出端通过I/O接口电路传输给外部存储设备信号连接。

进一步，所述溶解氧实时在线监测传感器装置还包括多个温度传感器，所述温度传感器分布于各个采样点处，且所述温度传感器的信号输出端与所述微控制器的温度信息输入端电连接。

进一步，所述荧光膜为氧敏钌络合物层。

进一步，所述蓝光LED为激发光源，所述红色LED为参比光源，蓝光LED经过荧光物质跃迁所得波长与红光LED激发波长相近；所述蓝色LED光源和所述红色LED光源均配有LED驱动芯片，所述LED驱动芯片为带6只引脚的MAX1916 LED驱动芯片。

进一步，所述壳体为3D打印的空心圆管。

进一步，所述感光器是光电二极管。

进一步，所述光窗采用蓝宝石玻璃光窗。

如本实用新型所述溶解氧实时在线监测传感器装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)微控制器控制蓝色LED光源和所述红色LED光源发出蓝光和红光，其中蓝光照射到传感器膜的荧光物质上，氧气与荧光发生猝灭反应激发出红色荧光；

(2)激发的红色荧光透过光窗后，经过红色滤光片，消除杂散光干扰，被位于壳体中空腔底部中心位置的感光器捕获，并将光信号传输至光电转换器；

(3)光电转换器将获取的光信号转换为电流信号，再通过I/V 转换器将电流信号转换为电压信号，将电压信号通过交流放大滤波单元进行方波调制，然后将调制好的方波信号与激发光的方波信号通过微控制器的相位检测单元处理后得到表征相位偏差值的波形信号；

(4)微控制器的相位检测单元将基于电压的波形信号传输至数模转换装置，数模转换装置将基于电压的波形信号进行模数转换，使其转化为可以被微控制器处理的数字信号，最终微控制器将这一数据通过I/O接口电路传输给外部的存储设备，用于观察记录测试结果。

如本实用新型所述溶解氧实时在线监测传感器装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备含不同荧光指示剂的荧光膜，并在荧光膜表层涂覆保护层，用于遮光及避免水体污染；

2)将光窗固定于配套的壳体的顶部，然后将带保护层的荧光膜与光窗表面结合固定，避免渗水；

3)调整传感器装置内部的蓝色LED光源与红色LED光源，使激发波长处于450-490nm，发射波长处于580-680nm，然后将传感器装置放入无氧水及饱和氧水中；

4)待在无氧水中测得的信号值稳定后，每隔固定时间间隔记录一个数据的频率并导出多组信号值，即为原始相位偏差值；

5)将传感器装置放入饱和氧水中，并导出记录信号值的数据，再次记录多组数据，获取测定的相位偏差值，根据获取的数据绘制溶解氧传感器的工作曲线。

本实用新型的原理是：蓝色LED光源发出的蓝光照射到荧光膜荧光物质上，激发出红色荧光(氧气与荧光发生猝灭反应)。荧光透过光窗后，经过红色滤光片，消除杂散光干扰。位于壳体中心位置的感光器接收荧光并通过模拟电路装置检测荧光滞后相位，溶解氧浓度低时，荧光寿命增长，对应相位滞后变大，溶解氧浓度高时，荧光寿命减小，对应相位滞后变小。而红色LED光源的作用是作为蓝光发射时间的参考，校准电路滞后，然后经标定得到溶解氧浓度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于

1、自制核心部件氧敏荧光膜的性能优异，响应时间短、信号值稳定、可逆性好、稳定性高；

2、制备的光学溶解氧传感器轻便且便于携带，与电源相连可实时读出数据，大大提高了在外工作时的便利性；

3、传感器原理为荧光猝灭原理，通过测量相位差，计算可得溶解氧浓度，本装置的荧光寿命比值高，数值稳定可靠；

4、制备含荧光指示剂的纳米粒子氧敏荧光膜，将指示剂包埋在纳米粒子内，避免了指示剂的泄露；

5、采用3D打印技术打印塑料外壳，对传感器装置进行艺术加工。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为本实用新型的工作过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制。

参照附图：

实施例1本实用新型所述的溶解氧实时在线监测传感器装置的，包括光学探头100、光电转换单元200和信号处理单元300，所述光学探头100包括壳体10、荧光膜6以及保护层9，所述壳体10内设中空腔，所述壳体10上设置有可供光线通过的光窗1，壳体的设置光窗的一侧为前，反之为后，在所述光窗1的前表面涂覆有荧光膜6；所述荧光膜6的表面覆盖用于遮光及避免水体污染的保护层9；

所述光电转换单元200设置于壳体10的中空腔内，包括作为激发光源的蓝色LED光源2、作为参比光源的红色LED光源5、感光器 3、红色滤光片4和I/V转换器，所述蓝色LED光源2和所述红色LED 光源5分别设置于所述壳体10的中空腔相对两侧，所述蓝色LED光源2和所述红色LED光源5的光射方向同时对准所述荧光膜6的中心区域，使得荧光膜位于蓝色LED光源、红色LED光源的焦点处；所述感光器3设置于所述荧光膜6正后方的壳体10中空腔内，所述感光器3的信号输出端与所述信号处理部分300的信号输入端电路连接，用于将接收的荧光信号传输给信号处理部分；所述红色滤光片4设置于在荧光膜6与感光器3之间，用于消除杂散光对感光器的干扰；所述I/V转换器的信号输出端与所述信号处理电路300的信号输入端电连接，用于将电流信号转换为电压信号；

所述信号处理电路300包括模拟电路装置7和数模转化装置8，所述模拟电路装置7包括模拟电源和数字电源，模拟电源和数字电源物理隔离，并各自拥有独立的地线和供电电源，其中模拟电源通过模拟电路分别与所述感光器以及所述蓝色LED光源的驱动端、红色LED 光源的驱动端电连接，用于控制传感器设备工作；所述数字电源通过微控制器分别与所述感光器、所述蓝色LED光源的驱动端、红色LED 光源的驱动端以及数模转化装置8电连接，所述数字电源通过I/O接口电路与外界存储设备信号连接，用于实时监测、控制传感器装置。

所述数字电源包括供电电源、LED驱动芯片、光电转换器、I/V 转换器、交流放大滤波单元、微控制器以及信号处理和传输单元；

所述供电电源的输电端分别与所述LED驱动芯片、光电转换器、交流放大滤波单元、相位检测单元电连接；

所述光电转换器的光信号输入端与所述传感器的光信号输出端电连接，所述光电转换器的电流信号输出端与所述I/V转换器的电输入端电连接，用于将光信号转换为电流信号并传输给I/V转换器；

所述I/V转换器的信号输出端与所述交流放大滤波单元的信号输入端电连接，用于将电流信号转换为电压信号；

所述交流放大滤波单元的信号输出端与所述微控制器的信号输入端电连接，用于将电压信号进行方波调制获取相应的方波信号。

所述微控制器的控制端通过LED驱动芯片与所述蓝色LED光源的驱动端、红色LED光源电连接，用于控制所述蓝色LED光源和所述红色LED光源工作；所述微控制器内设有相位检测单元，并且所述相位检测单元的信号输入端与所述交流放大滤波单元的信号输出端电连接，并通过信号处理和传输单元与所述数模转化装置的信号传输端电连接，所述微控制器的数据信号输出端通过I/O接口电路传输给外部存储设备信号连接。

所述溶解氧实时在线监测传感器装置还包括多个温度传感器，所述温度传感器分布于各个采样点处，且所述温度传感器的信号输出端与所述微控制器的温度信息输入端电连接。

所述荧光膜为氧敏钌络合物层，内含荧光指示剂。

所述蓝色LED光源和所述红色LED光源均配有LED驱动芯片，所述LED驱动芯片为带6只引脚的MAX1916 LED驱动芯片。

所述壳体为3D打印的空心圆管。

所述感光器是光电二极管。

所述光窗采用蓝宝石玻璃光窗，有较强的耐划伤特性，并且具有防化学腐蚀、耐高温、化学稳定性好以及透光率高的特点。

实施例2如实施例1所述溶解氧实时在线监测传感器装置的控制方法，包括以下步骤：

(1)微控制器控制蓝色LED光源和所述红色LED光源发出蓝光和红光，其中蓝光照射到传感器膜的荧光物质上，氧气与荧光发生猝灭反应激发出红色荧光；

(2)激发的红色荧光透过光窗后，经过红色滤光片，消除杂散光干扰，被位于壳体中空腔底部中心位置的感光器捕获，并将光信号传输至光电转换器；

(3)光电转换器将获取的光信号转换为电流信号，再通过I/V 转换器将电流信号转换为电压信号，将电压信号通过交流放大滤波单元进行方波调制，然后将调制好的方波信号与激发光的方波信号通过微控制器的相位检测单元处理后得到表征相位偏差值的波形信号；

(4)微控制器的相位检测单元将基于电压的波形信号传输至数模转换装置，数模转换装置将基于电压的波形信号进行模数转换，使其转化为可以被微控制器处理的数字信号，最终微控制器将这一数据通过I/O接口电路传输给外部的存储设备，用于观察记录测试结果。

实施例3如实施例1所述溶解氧实时在线监测传感器装置的使用方法，包括以下步骤：

1)制备含不同荧光指示剂的荧光膜，并在荧光膜表层涂覆保护层，用于遮光及避免水体污染；

2)将光窗固定于配套的壳体的顶部，然后将带保护层的荧光膜与光窗表面结合固定，避免渗水；

3)调整传感器装置内部的蓝色LED光源与红色LED光源，使激发波长处于450-490nm，发射波长处于580-680nm，然后将传感器装置放入无氧水及饱和氧水中；

4)待在无氧水中测得的信号值稳定后，每隔固定时间间隔记录一个数据的频率并导出多组信号值，即为原始相位偏差值；

5)将传感器装置放入饱和氧水中，并导出记录信号值的数据，再次记录20组数据，获取测定的相位偏差值，根据获取的数据绘制溶解氧传感器的工作曲线。

具体的，将含有钌配合物指示剂的荧光膜6固定于荧光帽，微控制器控制蓝色LED光源2、红色LED光源5的驱动工作，向荧光膜6 发射的蓝色激发光激发了荧光物质，发射光(荧光)被传感器的感光器3接收，通过光电转换电路将光信号转换为电流信号，再通过I/V转换器将电流信号转换为电压信号，将电压信号进行方波调制，将调制好的方波信号与激发光的方波信号通过单片机的计算处理得到相位偏差值，最后通过数模转换装置进行模数转换，将基于电压的波形信号转化为可以被微控制器处理的数字信号，最终微控制器将这一数据通过I/O接口电路传输给外部存储设备，便于观察记录。

本实施例的荧光膜中的指示剂为钌配合物Ⅰ，经过完整实验步骤后更换为钌配合物Ⅱ、钌配合物Ⅲ、钌配合物Ⅳ，信号值与响应时间如下表所示(I₀/I₁₀₀指的是无氧水中信号与饱和氧水中的信号值之比)。该溶解氧实时在线监测传感器的溶解氧浓度测量范围为0.01mg/L–20mg/L，信号比值位于3-7，响应时间小于25s，灵敏度高。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包括本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种基于荧光猝灭原理的溶解氧实时监测传感器装置，其特征在于：包括光学探头、光电转换单元和信号处理单元，所述光学探头包括壳体、荧光膜以及保护层，所述壳体内设中空腔，所述壳体上设置有可供光线通过的光窗，壳体的设置光窗的一侧为前，反之为后，在所述光窗的前表面涂覆有荧光膜；所述荧光膜的表面覆盖用于遮光及避免水体污染的保护层；

所述光电转换单元设置于壳体的中空腔内，包括作为激发光源的蓝色LED光源、作为参比光源的红色LED光源、感光器和红色滤光片，所述蓝色LED光源和所述红色LED光源分别设置于所述壳体的中空腔相对两侧，所述蓝色LED光源和所述红色LED光源的光射方向同时对准所述荧光膜的中心区域，使得荧光膜位于蓝色LED光源、红色LED光源的焦点处；所述感光器设置于所述荧光膜正后方的壳体中空腔内，所述感光器的荧光信号输出端与所述信号处理部分的荧光信号输入端电路连接，用于将接收的荧光信号传输给信号处理部分；所述红色滤光片设置于在荧光膜与感光器之间，用于消除杂散光对感光器的干扰；

所述信号处理电路包括模拟电路装置和数模转化装置，所述模拟电路装置包括模拟电源和数字电源，模拟电源和数字电源物理隔离，并各自拥有独立的地线和供电电源，其中模拟电源通过模拟电路分别与所述感光器以及所述蓝色LED光源的驱动端、红色LED光源的驱动端电连接，用于控制传感器设备工作；所述数字电源通过微控制器分别与所述感光器、所述蓝色LED光源的驱动端、红色LED光源的驱动端以及数模转化装置电连接，所述数字电源通过I/O接口电路与外界存储设备信号连接，用于实时监测、控制传感器装置。

2.如权利要求1所述一种基于荧光猝灭原理的溶解氧实时监测传感器装置，其特征在于：所述数字电源包括供电电源、LED驱动芯片、光电转换器、I/V转换器、交流放大滤波单元、微控制器以及信号处理和传输单元；

所述供电电源的输电端分别与所述LED驱动芯片、光电转换器、I/V转换器、交流放大滤波单元、相位检测单元电连接；

所述光电转换器的光信号输入端与所述传感器的光信号输出端电连接，所述光电转换器的电流信号输出端与所述I/V转换器的电输入端电连接，用于将光信号转换为电流信号并传输给I/V转换器；

所述I/V转换器的信号输出端与所述交流放大滤波单元的信号输入端电连接，用于将电流信号转换为电压信号；

所述交流放大滤波单元的信号输出端与所述微控制器的信号输入端电连接，用于将电压信号进行方波调制获取相应的方波信号；

所述微控制器的控制端通过LED驱动芯片与所述蓝色LED光源的驱动端、红色LED光源电连接，用于控制所述蓝色LED光源和所述红色LED光源工作；所述微控制器内设有相位检测单元，并且所述相位检测单元的信号输入端与所述交流放大滤波单元的信号输出端电连接，并通过信号处理和传输单元与所述数模转化装置的信号传输端电连接，所述微控制器的数据信号输出端通过I/O接口电路传输给外部存储设备信号连接。

3.如权利要求2所述一种基于荧光猝灭原理的溶解氧实时监测传感器装置，其特征在于：所述溶解氧实时在线监测传感器装置还包括多个温度传感器，所述温度传感器分布于各个采样点处，且所述温度传感器的信号输出端与所述微控制器的温度信息输入端电连接。

4.如权利要求3所述一种基于荧光猝灭原理的溶解氧实时监测传感器装置，其特征在于：所述荧光膜为氧敏钌络合物层。

5.如权利要求4所述一种基于荧光猝灭原理的溶解氧实时监测传感器装置，其特征在于：所述蓝色LED光源和所述红色LED光源均配有LED驱动芯片，所述LED驱动芯片为带6只引脚的MAX1916 LED驱动芯片。

6.如权利要求4所述一种基于荧光猝灭原理的溶解氧实时监测传感器装置，其特征在于：所述壳体为3D打印的空心圆管。

7.如权利要求1所述一种基于荧光猝灭原理的溶解氧实时监测传感器装置，其特征在于：所述感光器是光电二极管。

8.如权利要求1～7任意一项所述一种基于荧光猝灭原理的溶解氧实时监测传感器装置，其特征在于：所述光窗采用蓝宝石玻璃光窗。

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