CN220932788U - 一种荧光氧气传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及传感器技术领域，尤其涉及一种荧光氧气传感器，包括光电元件、光源元件和光敏元件，所述光电元件连接光源元件，所述光电元件包括光电二极管；所述光源元件包括激发光源和激光光源模块，所述激光光源模块用于控制激发光源的通断；所述光敏元件包括荧光片和滤光片；所述荧光片设置在光路固定件的顶部方且滤光片设置在光路固定件的底部，所述光电二极管设置在滤光片的下方。本申请实现了环境空气中的氧含量的实时测量，灵敏度高、线性范围宽，有效解决了常见电化学传感器由于电解质溶液特性寿命短的问题，同时良品率也能得到保障；光路固定件固定荧光片和滤光片，整体结构稳定，能有效解决接触不良，易损坏的问题。
Description
技术领域
本申请属于传感器技术领域，更具体地说，是涉及一种荧光氧气传感器。
背景技术
电化学氧气传感器主要用于测量环境空气中的氧含量。化学氧气传感器基于其构造简单和操作方便等优势，被大量应用于能源、生物、化工、医疗、实验室以及军事领域。但是，现有的电化学传感器存在诸多问题，例如电解质溶液易挥发、泄露；阳极消耗严重；内部集流器容易脱落或是接触不良等，上述问题的存在易致使电化学传感器达不到预期的寿命，使用年限缩短。
发明内容
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种荧光氧气传感器，包括光电元件、光源元件和光敏元件，所述光电元件连接光源元件，所述光电元件包括光电二极管；所述光源元件包括激发光源和激光光源模块，所述激光光源模块用于控制激发光源的通断；所述光敏元件包括荧光片和滤光片；
所述荧光片设置在光路固定件的顶部方且滤光片设置在光路固定件的底部，所述光电二极管设置在滤光片的下方；所述光路固定件为中空结构。
可选的，所述光路固定件的顶部设置下凹凹槽，所述荧光片可内嵌在下凹凹槽中；所述光路固定件的底部设置有上凹凹槽，所述滤光片内嵌在上凹凹槽中，所述光电二极管也位于上凹凹槽内。
可选的，所述荧光片包括基片，所述基片上敷设有氧荧光敏感发光层，所述氧荧光敏感发光层由氧荧光敏感发光材料制备而成。
可选的，所述氧荧光敏感发光层位于激发光源所在的一侧。
可选的，所述激发光源连接有电路板，所述光路固定件设置在电路板上方，所述激发光源位于光路固定件的上方，所述激发光源的光束穿过荧光片和滤光片照射在光电二极管上。
可选的，所述电路板上设置有MCU控制模块、电源模块和ADC采样模块；
所述MCU控制模块连接电源模块，所述MCU控制模块还连接ADC采样模块和激光光源模块，所述ADC采样模块和激光光源模块均连接有环境光传感器。
可选的，所述MCU控制模块包括芯片U3，芯片U3包括芯片U3A和芯片U3B；
芯片U3A的5脚连接无源晶振XTAL1的3脚，无源晶振XTAL1的3脚分别连接电阻R8的一端、电容C15的一端，电容C15的另一端接地，电阻R8的另一端经电容C16后接地，电阻R8的另一端还连接无源晶振XTAL1的1脚；芯片U3A的6脚连接无源晶振XTAL1的1脚；无源晶振XTAL1的2脚、4脚均接地；
芯片U3A的10脚分别连接ADC采样模块、接线端子P2、接线端子P6，芯片U3A的34脚连接接线端子P4和接线端子P5。
可选的，所述MCU控制模块包括芯片U3，芯片U3包括芯片U3A和芯片U3B；ADC采样模块包括AD芯片U4和光电二极管D5，AD芯片U4的1脚连接芯片U3A的10脚，芯片U3A的10脚还分别连接电阻R11的一端、电阻R5的一端、电阻R4的一端，电阻R11的另一端连接并联的电容C8和电容C9后接地；AD芯片U4的2脚接地；AD芯片U4的3脚经并联的电阻R9和电容C7后接地，AD芯片U4的3脚还经电阻R10后连接3.3V电源；AD芯片U4的4脚分别连接电阻R5的另一端、电阻R7的一端，光电二极管D5的2脚，电阻R7的另一端接地，光电二极管D5的1脚连接3.3V电源；AD芯片U4的4脚还经串联的电阻R3、电容C6连接电阻R4的另一端；AD芯片U4的5脚、6脚均连接3.3V电源。
可选的，所述MCU控制模块包括芯片U3，芯片U3包括芯片U3A和芯片U3B；所述激光光源模块包括光电二极管D5，芯片U3A的11脚还连接光电二极管D5的1脚，芯片U3A的13脚还连接光电二极管D5的3脚，光电二极管D5的2脚和4脚均连接3.3V电源；芯片U3A的11脚还连接接线端子P1的2脚，芯片U3A的13脚还连接接线端子P1的3脚，接线端子P1的1脚连接3.3V电源；
所述环境光传感器包括芯片U1，芯片U3A的39脚连接芯片U1的3脚，芯片U1的3脚连经电阻R1连接3.3V电源；芯片U3A的40脚连接芯片U1的4脚，芯片U1的4脚还经电阻R2连接3.3V电源；芯片U1的1脚接地；芯片U1的6脚连接3.3V电源；芯片U1的7脚接地；芯片U1的8脚经电容C3后接地；芯片U1的8脚还连接3.3V电源。
可选的，所述电源模块包括芯片U2，芯片U2的1脚分别经电容C1和电容C2后接地；芯片U2的1脚还经二极管D1后连接5V电源，二极管D1还经二极管D2后接地；芯片U2的2脚接地；芯片U2的3脚连接芯片U2的1脚；芯片U2的4脚经电容C5后接地；芯片U2的5脚经电容C4后接地，芯片U2的5脚还连接3.3V电源。
本申请提供了一种荧光氧气传感器，采用光电元件、光源元件和光敏元件等非电解质器件实现环境空气中的氧含量的实时测量，灵敏度高、线性范围宽，有效解决了常见电化学传感器由于电解质溶液特性寿命短的问题，具有很好的光化学稳定性、重现性、无延迟、精度高、寿命长；同时良品率也能得到保障。光路固定件固定荧光片和滤光片，整体结构稳定，能有效解决接触不良，易损坏的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请荧光氧气传感器的爆炸图；
图2为本申请荧光氧气传感器的剖视图；
图3为光路固定件的结构示意图；
图4为MCU控制模块、电源模块、ADC采样模块、激光光源模块和环境光传感器的连接示意图；
图5是电源模块的电路图；
图6是环境光传感器的电路图；
图7是接线端子P1的电路图；
图8是MCU控制模块的电路图；
图9为ADC采样模块的电路图；
图10为荧光氧气传感器的工作原理流程图。
图中符号说明：
1-壳体；11-盖体；12-底座；13-防水透气膜；14-透气孔；15-出气孔；2-光路固定件；3-荧光片；4-滤光片；5-电路板；6-双色灯；7-针脚；8-光电二极管。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
现对本申请实施例提供的荧光氧气传感器进行说明。参见图1和图2，一种荧光氧气传感器，包括光电元件、光源元件和光敏元件。光电元件连接光源元件。
光电元件包括光电二极管8；
光源元件包括激发光源和激光光源模块；激光光源模块用于控制激发光源的通断，激发光源优选双色灯6。
光敏元件包括荧光片3和滤光片4。
具体的，光电二极管8设置在光路固定件2的底部，光路固定件2为中空结构。
光路固定件2的上方设置有荧光片3且底部设置有滤光片4，光电二极管8设置在滤光片4的下方。
激发光源连接有电路板5，光路固定件2设置在电路板5上方，激发光源位于光路固定件2的上方，使激发光源的光束能够穿过荧光片3、滤光片4照射在光电二极管8上。
光电二极管8连接电路板5。
进一步地，参见图3，可在光路固定件2的顶部设置下凹凹槽，荧光片3可内嵌在下凹凹槽中，荧光片3和下凹凹槽的形状相适配；光路固定件2的底部设置有上凹凹槽，滤光片4内嵌在上凹凹槽中，滤光片4和上凹凹槽的形状相适配；光电二极管8也位于上凹凹槽内。光束可穿过荧光片3、中空的光路固定件2、滤光片4照射在光电二极管8上。
光路固定件2的设置，主要考虑到荧光片3、滤光片4较小，不便于操作安装，因此放置在光路固定件2上加以固定，便于安装。
荧光片3包括基片，基片上敷设有氧荧光敏感发光层，氧荧光敏感发光层由氧荧光敏感发光材料制备而成。氧荧光敏感发光层位于激发光源所在的一侧。工作时，参见图10，MCU控制模块控制激发光源发光，光束照射在荧光片3上，荧光片3的氧荧光敏感发光层朝向激发光源，激发光源发出的光束激发荧光片3上氧荧光敏感发光层，使氧荧光敏感发光层产生荧光，荧光透过基片照射到滤光片4上，滤光片4过滤掉激发光源且使荧光透过，进而使荧光照射到光电二极管8上，光电二极管8接收荧光后通过运放电路产生相应的电信号。
光电元件、光源元件和光敏元件均设置在壳体1内，壳体1包括盖体11和底座12，盖体11和底座12可拆卸连接。具体的，盖体11优选设置为圆筒状，当然，盖体11还可以设置为其他形状，底座12的形状和盖体11的形状相适配。
另外，电路板5还连接有针脚7。
电路板5上还设置有MCU控制模块，用于控制激光光源模块进而控制光源的通断。
盖体11的顶部设置有透气孔14，透气孔14上盖设有防水透气膜13。
底座12上设置有出气孔15，出气孔15上也盖设有防水透气膜13。另外底座12上还设有针脚孔，针脚7穿过针脚孔探出壳体1设置。
参见图4，电路板5上还设置有电源模块、ADC采样模块；MCU控制模块连接电源模块，MCU控制模块还连接ADC采样模块和激光光源模块，ADC采样模块和激光光源模块均连接有环境光传感器。
参见图10，MCU控制模块通过ADC采样模块和控制激光光源模块，使激光光源模块控制激发光源的亮灭来采集环境光传感器中得到的模拟量，进而通过计算转为数字量，实现环境中氧气的实时测定。
具体的，参见图5，电源模块包括芯片U2，采用市售方式取得，芯片U2的型号为SGM2019-3.3YN5G/TR。
芯片U2的1脚分别经电容C1和电容C2后接地；芯片U2的1脚还经二极管D1后连接5V电源，二极管D1还经二极管D2后接地；
芯片U2的2脚接地；
芯片U2的3脚连接芯片U2的1脚；
芯片U2的4脚经电容C5后接地；
芯片U2的5脚经电容C4后接地，芯片U2的5脚还连接3.3V电源。
二极管D1的型号为SS14，二极管D2的型号为SMF5CA。
参见图8，所述MCU控制模块包括芯片U3，芯片U3采用市售方式取得，型号为STM32F103C8T6。本申请为了便于展示附图连接关系，故将芯片U3分成芯片U3A和芯片U3B进行描述。
芯片U3A的5脚连接无源晶振XTAL1的3脚，无源晶振XTAL1的3脚分别连接电阻R8的一端、电容C15的一端，电容C15的另一端接地，电阻R8的另一端经电容C16后接地，电阻R8的另一端还连接无源晶振XTAL1的1脚；芯片U3A的6脚连接无源晶振XTAL1的1脚；无源晶振XTAL1的2脚、4脚均接地。
无源晶振XTAL1采用市售方式取得，型号为3225贴片无源晶振，频率为8M Hz。
芯片U3A的7脚经电容C14后接地；芯片U3A的7脚还经电阻R17连接3.3V电源。3.3V电源经并联的电容C10、电容C11、电容C12、电容C13后接地。
参见图9，ADC采样模块包括AD芯片U4和光电二极管D5，AD芯片U4和光电二极管D5均采用市售方式取得，AD芯片U4的型号为OPA357，光电二极管D5的型号为sfh2440。
芯片U3A的10脚分别连接AD芯片U4的1脚、电阻R11的一端、电阻R5的一端、电阻R4的一端，电阻R11的另一端连接并联的电容C8和电容C9后接地；AD芯片U4的2脚接地；AD芯片U4的3脚经并联的电阻R9和电容C7后接地，AD芯片U4的3脚还经电阻R10后连接3.3V电源；AD芯片U4的4脚分别连接电阻R5的另一端、电阻R7的一端，光电二极管D5的2脚，电阻R7的另一端接地，光电二极管D5的1脚连接3.3V电源；AD芯片U4的4脚还经串联的电阻R3、电容C6连接电阻R4的另一端；AD芯片U4的5脚、6脚均连接3.3V电源。
芯片U3A的10脚连接接线端子P2的3脚；接线端子P2的2脚经电阻R15连接芯片U3A的11脚；接线端子P2的1脚经电阻R14连接芯片U3A的13脚。
芯片U3A的10脚连接接线端子P6的3脚，接线端子P6的2脚连接芯片U3A的11脚，接线端子P6的1脚连接芯片U3A的13脚。
芯片U3A的11脚还连接接线端子P3的2脚，接线端子P3的3脚连接芯片U3A的13脚，接线端子P3的1脚连接3.3V电源。
芯片U3A的34脚连接接线端子P4的2脚，芯片U3A的37脚连接接线端子P4的3脚，接线端子P4的1脚连接3.3V电源，接线端子P4的4脚接地。
芯片U3A的34脚连接接线端子P5的2脚，芯片U3A的37脚连接接线端子P5的3脚，接线端子P5的1脚连接3.3V电源，接线端子P5的4脚接地。
激光光源模块包括光电二极管D5，芯片U3A的11脚还连接光电二极管D5的1脚，芯片U3A的13脚还连接光电二极管D5的3脚，光电二极管D5的2脚和4脚均连接3.3V电源。
参见图7，芯片U3A的11脚还连接接线端子P1的2脚，芯片U3A的13脚还连接接线端子P1的3脚，接线端子P1的1脚连接3.3V电源。
参见图6，环境光传感器包括芯片U1，芯片U1采用市售方式取得，型号为BMP280。
芯片U3A的39脚连接芯片U1的3脚，芯片U1的3脚连经电阻R1连接3.3V电源；
芯片U3A的40脚连接芯片U1的4脚，芯片U1的4脚还经电阻R2连接3.3V电源；
芯片U1的1脚接地；
芯片U1的6脚连接3.3V电源；
芯片U1的7脚接地；
芯片U1的8脚经电容C3后接地；芯片U1的8脚还连接3.3V电源。
芯片U3A的44脚经电阻R10后接地。
芯片U3B的1脚、9脚、24脚、36脚、48脚均连接3.3V电源；
芯片U3B的8脚、23脚、35脚、47脚均接地。
本申请电路中的光电二极管D5为光电二极管8。
本申请中光电二极管D5经第一级放大后，输出稳定电平信号ADC1。可以通过改变电阻R3、电阻R4、电阻R5的阻值来调节ADC1的信号值。将光电二极管D5和激发光源组成一条光路。通过控制光源强度和光路长度，在不同氧气浓度下，光电二极管D5输出的信号会发生变化，将输出信号通过AD芯片U4 OPA357采集放大后，发送给芯片U3(单片机)处理。计算并分析不同氧气浓度对应不同的信号值，即可实现氧气浓度的测量。
本申请提供了一种荧光氧气传感器，采用光电元件、光源元件和光敏元件等非电解质器件实现环境空气中的氧含量的实时测量，灵敏度高、线性范围宽，有效解决了常见电化学传感器由于电解质溶液特性寿命短的问题，具有很好的光化学稳定性、重现性、无延迟、精度高、寿命长；同时良品率也能得到保障。光路固定件固定荧光片和滤光片，整体结构稳定，能有效解决接触不良，易损坏的问题。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种荧光氧气传感器，包括光电元件、光源元件和光敏元件，所述光电元件连接光源元件，其特征在于：所述光电元件包括光电二极管；所述光源元件包括激发光源和激光光源模块，所述激光光源模块用于控制激发光源的通断；所述光敏元件包括荧光片和滤光片；
所述荧光片设置在光路固定件的顶部方且滤光片设置在光路固定件的底部，所述光电二极管设置在滤光片的下方；所述光路固定件为中空结构。
2.如权利要求1所述的荧光氧气传感器，其特征在于：所述光路固定件的顶部设置下凹凹槽，所述荧光片可内嵌在下凹凹槽中；所述光路固定件的底部设置有上凹凹槽，所述滤光片内嵌在上凹凹槽中，所述光电二极管也位于上凹凹槽内。
3.如权利要求1所述的荧光氧气传感器，其特征在于：所述荧光片包括基片，所述基片上敷设有氧荧光敏感发光层，所述氧荧光敏感发光层由氧荧光敏感发光材料制备而成。
4.如权利要求3所述的荧光氧气传感器，其特征在于：所述氧荧光敏感发光层位于激发光源所在的一侧。
5.如权利要求1所述的荧光氧气传感器，其特征在于：所述激发光源连接有电路板，所述光路固定件设置在电路板上方，所述激发光源位于光路固定件的上方，所述激发光源的光束穿过荧光片和滤光片照射在光电二极管上。
6.如权利要求5所述的荧光氧气传感器，其特征在于：所述电路板上设置有MCU控制模块、电源模块和ADC采样模块；
所述MCU控制模块连接电源模块，所述MCU控制模块还连接ADC采样模块和激光光源模块，所述ADC采样模块和激光光源模块均连接有环境光传感器。
7.如权利要求6所述的荧光氧气传感器，其特征在于：所述MCU控制模块包括芯片U3，芯片U3包括芯片U3A和芯片U3B；
芯片U3A的5脚连接无源晶振XTAL1的3脚，无源晶振XTAL1的3脚分别连接电阻R8的一端、电容C15的一端，电容C15的另一端接地，电阻R8的另一端经电容C16后接地，电阻R8的另一端还连接无源晶振XTAL1的1脚；芯片U3A的6脚连接无源晶振XTAL1的1脚；无源晶振XTAL1的2脚、4脚均接地；
芯片U3A的10脚分别连接ADC采样模块、接线端子P2、接线端子P6，芯片U3A的34脚连接接线端子P4和接线端子P5。
8.如权利要求6所述的荧光氧气传感器，其特征在于：所述MCU控制模块包括芯片U3，芯片U3包括芯片U3A和芯片U3B；ADC采样模块包括AD芯片U4和光电二极管D5，AD芯片U4的1脚连接芯片U3A的10脚，芯片U3A的10脚还分别连接电阻R11的一端、电阻R5的一端、电阻R4的一端，电阻R11的另一端连接并联的电容C8和电容C9后接地；AD芯片U4的2脚接地；AD芯片U4的3脚经并联的电阻R9和电容C7后接地，AD芯片U4的3脚还经电阻R10后连接3.3V电源；AD芯片U4的4脚分别连接电阻R5的另一端、电阻R7的一端，光电二极管D5的2脚，电阻R7的另一端接地，光电二极管D5的1脚连接3.3V电源；AD芯片U4的4脚还经串联的电阻R3、电容C6连接电阻R4的另一端；AD芯片U4的5脚、6脚均连接3.3V电源。
9.如权利要求6所述的荧光氧气传感器，其特征在于：所述MCU控制模块包括芯片U3，芯片U3包括芯片U3A和芯片U3B；所述激光光源模块包括光电二极管D5，芯片U3A的11脚还连接光电二极管D5的1脚，芯片U3A的13脚还连接光电二极管D5的3脚，光电二极管D5的2脚和4脚均连接3.3V电源；芯片U3A的11脚还连接接线端子P1的2脚，芯片U3A的13脚还连接接线端子P1的3脚，接线端子P1的1脚连接3.3V电源；
所述环境光传感器包括芯片U1，芯片U3A的39脚连接芯片U1的3脚，芯片U1的3脚连经电阻R1连接3.3V电源；芯片U3A的40脚连接芯片U1的4脚，芯片U1的4脚还经电阻R2连接3.3V电源；芯片U1的1脚接地；芯片U1的6脚连接3.3V电源；芯片U1的7脚接地；芯片U1的8脚经电容C3后接地；芯片U1的8脚还连接3.3V电源。
10.如权利要求6所述的荧光氧气传感器，其特征在于：所述电源模块包括芯片U2，芯片U2的1脚分别经电容C1和电容C2后接地；芯片U2的1脚还经二极管D1后连接5V电源，二极管D1还经二极管D2后接地；芯片U2的2脚接地；芯片U2的3脚连接芯片U2的1脚；芯片U2的4脚经电容C5后接地；芯片U2的5脚经电容C4后接地，芯片U2的5脚还连接3.3V电源。
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2023
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| GR01 | Patent grant | ||
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