专利名称：脉冲光源光纤测氧仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量仪器，尤其是一种化工、医药、环境等领域测试溶液、水中含氧量的装置，具体地说是一种脉冲光源光纤测氧仪。
背景技术：
溶解氧，简称溶氧，是指溶解在溶液或水中氧气的含量。溶氧传感器或称溶氧仪广泛用于各种场合下的溶氧含量的测量，用来对氧含量会影响反应速度、流程效率或环境的流程进行监控，尤其是养殖水、光合作用和呼吸作用及现场测量，环境测试(湖、溪、海洋)、 水处理、废水处理、葡萄酒生产等。在对溪水和湖水支持生物存活的能力进行评估时，要进行生化需氧量测试(BOD)；在消耗氧气的含有机物的样品水溶液变腐时对其进行测量并确定溶氧浓度和样品水溶液温度之间的关系。目前，公知的溶氧含量测定采用的是电化学方法，即使用电化学氧传感器或叫隔膜电极[Clark，L. C.，Electrochemical devices for chemical analysis, US patent, 1959，No. 2 913 386.]，将氧浓度(或氧分压)转换成电信号，再经放大、调整(包括盐度、 温度补偿)，模数转换后显示。溶氧仪使用的隔膜电极有两种类型极谱型(Polarography) 和原电池型((Galvanic Cell)。极谱型电极中，由金或钼作阴极，银作阳极，电解液为氯化钾溶液，阴极外表面覆盖一层透氧薄膜。薄膜可采用聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、硅橡胶等透气材料。阴阳两电极之间外加0. 5 1 . 5伏偏压，对电极进行极化；电极极化后，产生的电极电流与扩散到电极表面的氧气量成线性关系，即和溶氧浓度成正比。原电池型类似极谱型，但阳极由铅或锌组成，电解液为氢氧化钾溶液；由于铅阳极被氢氧化钾溶液腐蚀，生成铅酸氢钾，同时向外电路输出电子，所以原电池式的电压是自发产生而不用外界提供的。 接通外电路(负载)之后，便有信号电流通过，其值与溶氧浓度成正比。虽然电化学测氧法受到广泛应用，但其仍然有局限性，主要是因为电化学方法在原理上是耗氧的，电信号与氧从周围介质中传递到电极表面的传质过程和传质速率有关，故溶液的流动速度、搅拌状态、粘度变化均能影响电化学氧传感器的稳定性和准确度。不仅如此，电化学氧传感器无法测量粘度高的样品如血浆、凝胶等中的溶氧量。为弥补电化学氧传感器的不足，比较新颖的光学测氧方法逐渐被研究[Bergmarm， I. , Nature, 1968，218，396. Lubbeers, D. W. , Opitz, N., Ζ. Naturforsch. Teil C, 1975，30，532]。采用光学传感器的测氧仪由光源、光电探测器、二进一出三叉光纤，光纤探头组成。光源，通常为激光、发光二级管、或灯泡，发出的蓝光(420 - 490nm)通过二进一出光纤的一端进入，照射到嵌入在光纤探头中的荧光化学物质(通常为金属螯合物)上； 荧光化学物质受激发光照射后从基态跃迁到激发态。激发态是短寿命的，很容易返回到基态，同时放出多余的能量。此荧光物质激发态去活的途径是辐射跃迁，即发出红色荧光(550 -700nm)o红色荧光通过二进一出光纤的另一端被光电探测器接收。荧光强度和光纤探头周围介质中的氧气含量有关，原因是荧光物质激发态会被周围的氧淬灭而通过无辐射跃迁回到基态。这一淬灭过程是动态可逆的，即荧光强度随周围的氧气含量变化而变化。荧光强度和周围介质中的氧气浓度关系符合Mern-Volmer方程，因此将仪器在已知溶氧含量的介质中校正后便可准确测得氧的含量。由此可见，光学氧传感器不消耗氧，所以测定信号不受溶液流动状态的干扰，并能准确地测定高粘度样品中溶氧含量。目前已知的光学氧传感器或光纤测氧仪均采用连续光源[4-8]测定荧光强度，即激发光是持续地照射在光纤探头荧光物质上。其优点是，因激发光源处在持续工作状态，信号在短时间内相对稳定。但缺点是，由于光源是连续的，荧光物质在入射光持续照射下会慢慢发生光降解去活性，从而长期稳定性变差，表现出来就是漂移现象严重。
发明内容本实用新型的目的是针对现有的光纤测氧仪的长期稳定性差，信号容易漂移的问题，设计一种稳定性好，电能消耗小的脉冲光源光纤测氧仪。本实用新型的技术方案是一种脉冲光源光纤测氧仪，其特征是它包括一个三叉式二进一出光路组件3，三叉式二进一出光路组件3的一个进口端与发光装置相连，三叉式二进一出光路组件3的另一个进口端连接有探头8，探头8上涂覆有能激发出红光的荧光涂层4，荧光涂层4上设有透氧高分子膜，三叉式二进一出光路组件3的一个出口端连接有能将荧光激发量转换成电流的电流感应装置；所述的发光装置由能发出蓝光的脉冲光源1和窄带滤光片2组成，脉冲光源1发出的蓝光经过窄带滤光片2进入三叉式二进一出光路组件3的一个进口端中，所述的电流感应装置由长通滤光片5、聚焦透镜6和光电探测器7组成，三叉式二进一出光学组件3的出口端的反射光经长通滤光片5滤光和聚焦透镜6聚焦后照射在光电探测器7上产生感应电流。所述的三叉式二进一出光路组件3为直径在10-1000微米之间的二进一出三叉光
纤或由纯由光学元件组成的二进一出结构体。所述的脉冲光源1的开启时间在0. 1毫秒至10秒之间，关闭时间在1毫秒至10 分钟之间。所述的脉冲光源1为激光、LED、钨灯、氙灯或氘灯，有效照射光的波长在420 -490nm之间，所述的窄带滤光片2的中心在420 - 490nm之间。所述的探头8上涂覆的荧光物质受激发后发出的红色荧光波长在550 - 700nm 之间。所述的光电探测器7为光电二极管、光电倍增管或CCD ；所述的长通滤光片6的截止波长在550 - 700nm之间。所述的脉冲光源光纤测氧仪还包括一个温度传感器。所述的温度传感器为内置于探头中的内置式结构。所述的探头8为不锈钢管，不锈钢管的一端设有分别与三叉式二进一出光学组件 3的一个进口端和一个出口端相连的光缆接口 9，不锈钢管的另一端上涂覆有荧光物质4， 荧光物质4上覆有透氧高分子薄膜，透氧高分子薄膜外设有阻止杂散光干扰的黑色高分子涂层。所述的不锈钢管探头8的涂覆有荧光物质4的一端呈尖角状结构以便于穿刺样品，尖角的角度在30-60度之间。[0018]本实用新型的实质是使用一个脉冲激发光源，使入射光间歇性地照射荧光物质， 从而使荧光物质在同样的使用时间段内实际受光照的时间大大缩短。典型的脉冲光源开启时间在0.1毫秒至10秒之间，关闭时间可以在1毫秒至10分钟之间。以1赫兹的采样显示速率(即每1秒钟测试显示1次)和使用10毫秒光脉冲为例，脉冲光源开启10毫秒，关闭990毫秒，然后开始下一个循环；也就是说，在1秒钟内，只有1%的时间光源是开启的， 因此大大缩短了荧光物质被照射时间。再以0. 1赫兹的采样显示速率(每10秒钟测试显示 1次)为例，脉冲光源开启10毫秒，关闭9990毫秒，然后开始下个循环，即在10秒钟内，只有千分之一的时间光源是开启的。采用此新技术的光纤测氧仪长期稳定性大大提高，连续工作数月没有发生明显的荧光物质光降解去活现象。由于激发光源只开启很短时间，电源消耗大大降低，通常电源消耗只有使用连续光源的同类仪器的十分之一。本实用新型的有益效果本实用新型可明显降低仪器的电能消耗，使野外光纤测氧仪工作寿命更长，故适用于长期在线检测、监控、和存档记录溶氧数据。光纤探头具有不耗氧和不受溶液流动状态干扰影响的特点，使本实用新型能应用于高粘度溶液和样品中氧的连续接触监测。本实用新型可由计算机软件控制并在计算机Window支持的环境下操作，软件设计非常方便用户， 使用者可以很方便灵活地校正仪器、采集、和展示数据、改变参数、和处理数据。校正可简易地采用一点法(在100%空气饱和的水，或空气中)或两点法校正(100%和0%空气饱和的水， 或在空气和氮气中)。测氧和测温探头均采用316不锈钢材料制作，能适用于生物环境，可用肚0 (氧化乙烯)，双氧水，高緑酸钠，和Gamma射线无菌消毒。探头不须保持润湿，使其既可检测溶氧，也可检测气态氧。氧传感器同时附加精确测温功能；当使用光纤氧探头时，只需外接一个不锈钢温度探头。同现有技术比较，本实用新型具有如下突出优点1)消除荧光物质受激光降解去活现象，延长光学探头的使用寿命；2)极大提高光学溶氧传感器的长期稳定性；3)明显降低仪器的电能消耗，延长野外光纤溶氧仪工作时效；4)传感器稳定性和重现性好，达 0. 02ppm(即mg/L) ；5)动态范围广，在0-480 mmHg、或0_25ppm、或0%_300%空气饱和度之间；6)响应时间快，T90为10秒；7)抗干扰性好，对电场、磁场、不同化学品及气体环境、pH 值、盐度、离子强度的改变、以及污垢均有免疫性；8)由于在探头表面荧光物质薄膜上再镀一层黑色高分子材料保护膜，所以无杂散光干扰影响；9)使用简单，校正极为方便，只须简单的一点法校正(100%空气饱和的水中或空气中)；10)低维护，无须更换电解膜、填充电解液、和进行费时的极化；11)不耗氧，无流动干扰，使其能检测高粘度样品。本实用新型可广泛应用于生物化学技术(如细胞培养，发酵，和生物样品)、医药研究，高校及科研实验室、生物耗氧量(BOD)、食品和饮料生产业(如食品包装和软饮料装瓶)等领域。
图1是本实用新型的结构原理示意图。图2是本实用新型的不锈钢探头的剖视结构示意图。图3是本实用新型的电气原理示意图。[0027]图4是本实用新型的脉冲光源工作时序图。图5是本实用新型的光纤测氧仪的输出信号即荧光强度随氧气百分浓度增加而减弱。荧光强度随氧气浓度变化获得的工作曲线用于校正仪器。图6是本实用新型的光纤测氧仪交替暴露在氮气(0%氧气)和空气(20. 9%氧气) 中时的响应工作曲线。响应时间(T90)为10秒。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。如图1-6所示。一种脉冲光源光纤测氧仪，它包括一个三叉式二进一出光路组件3，三叉式二进一出光路组件3的一个进口端与发光装置相连，三叉式二进一出光路组件3的另一个进口端连接有探头8，探头8上涂覆有能激发出红光的荧光涂层4，荧光涂层4上设有透氧高分子膜，三叉式二进一出光路组件3的一个出口端连接有能将荧光激发量转换成电流的电流感应装置；所述的发光装置由能发出蓝光的脉冲光源1和窄带滤光片2组成，脉冲光源1发出的蓝光经过窄带滤光片2进入三叉式二进一出光路组件3的一个进口端中，所述的电流感应装置由长通滤光片5、聚焦透镜6和光电探测器7组成，三叉式二进一出光学组件3的出口端的反射光经长通滤光片5滤光和聚焦透镜6聚焦后照射在光电探测器7上产生感应电流。如图1所示。其中脉冲光源1发出蓝光，通过窄带滤光片2滤光后，进入二进一出三叉光纤3的一端，通过光纤公共端，照射到镀在光纤末端的荧光物质层4上，荧光物质受光激发后发出红色荧光(550-700nm)，此红色荧光发射回三叉光纤的另一端，通过长通滤光片5 滤光、透镜6聚焦后，被光电探测器7接收。通过检测光电探测器产生的光电流大小测定荧光强度，从而测得氧浓度。图2为本发明的不锈钢探头8的结构示意图。探头8为一外径3. 18mm,长度6. 4cm 的316不锈钢管，一端带有一个不锈钢光缆接口 9 (型号可为SMA905)，石英光纤芯线直径为1000 μ m。荧光物质与透氧高分子膜基质一起镀在探头表面形成荧光层4，并外加一层黑色高分子材料以阻止杂散光的干扰影响.探头尖端被磨成45度角(也可为30-60度之间的任意角度)以便穿刺样品薄膜及某些软质样品。此外，具体实施时还可配制一个精确测温的温度传感器以便根据温度变化进行相关参数的调整和设定，温度传感器可外加也可与不锈钢探头集成在一起。光纤测氧仪电气原理如图3所示，计算机10通过USB接口和数据采集控制板11 连接，数据采集控制板11连接微电流调节放大和光源控制线路板12，电流放大和控制线路板12在仪器机壳内部和光纤氧传感器的光学和硬件系统13联结，从而控制光源按设定的脉冲时序开关并且同步采集荧光强度数据。+5V直流电源14为数据采集控制板11和电流放大和控制线路板12提供电源。图3所示的控制电路均可采用教科书常见电路加以实现。图4为本发明的光纤测氧仪脉冲激发光源工作时序图。图4中横坐标为时间，纵坐标为光源强度。典型的脉冲光源开启时间在0.1毫秒至10秒之间，关闭时间可以在1毫秒至10分钟之间。实际试验时采用0. 2Hz的采样显示速率(即每5秒钟测试显示1次)和 10毫秒脉冲光源，也即光源启动10毫秒，关闭4990毫秒，然后开始下个循环。实际测得的光纤氧传感器的输出信号，即荧光强度，随氧气浓度变化的工作曲线如图5所示。图5显示，荧光强度随氧气百分浓度增加而减弱。荧光强度随氧气浓度变化获得的工作曲线用于校正仪器。光纤溶氧仪经校正后直接显示待测介质的氧气浓度并用六种不同的单位显示， 包括氧气偏压(mmHg，毫米汞柱)、氧气偏压(mbar，毫巴)、空气饱和度(%Air)、氧气饱和度(%02)、毫克/升(mg/L，即ppm)、和mM (毫摩尔)，并用6个虚拟长图记录仪显示在计算机屏幕上连续显示测定数据走向。光纤溶氧仪还能对压力、温度、相对湿度、和盐度进行补偿。图6为光纤测氧仪交替暴露在氮气(0%氧气)和空气(20. 9%氧气)中时的响应工作曲线。测试结果表明，仪器具有很高的灵敏度(0.02ppm)、优越的长期稳定性(0.01ppm/M 小时)、和快速的响应时间(T90 = 10秒)。由于在探头表面荧光物质薄膜上外镀一层黑色高分子材料，所以无杂散光干扰影响。本发明的光纤溶氧仪是由计算机软件控制并在计算机 Window支持的环境下操作，软件设计非常方便用户，使用者可以很方便灵活地校正仪器、采集、和展示数据、改变参数、和处理数据。具体实施实施时，三叉式二进一出光路组件3可直接采用直径在10-1000微米之间的二进一出三叉光纤加以实现，也可采用由纯由光学元件组成的二进一出结构体。对光学设计人员而言，采用光学元件组建满足本实用新型要求的光路组件3是很容易实现的， 也是本实用新型的等效设计。对于脉冲光源1而方，它的开启时间可控制在0. 1毫秒至10秒之间，关闭时间可控制在1毫秒至10分钟之间，通过适当的面板调节或电脑键盘和软件操作能很方便地实现调节。具体实施时脉冲光源1可采用激光、LED、钨灯、氙灯或氘灯中的一种，光源的有效照射光的波长应控制在420 - 490nm之间，对应的窄带滤光片2的中心也应控制在在420 -490nm 之间。具体实施时探头8上涂覆的荧光物质受激发后发出的红色荧光波长可选用550 -700nm之间的荧光涂层。 光电探测器7可采用光电二极管、光电倍增管或CXD中的一种，这些光电管均是感光器件，它们能根据所接收的光的大小自动输出对应的电流量，经过电路放大后很容易检测出来；相应的长通滤光片6最好选择截止波长在550 - 700nm之间的滤光片。 本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求1.一种脉冲光源光纤测氧仪，其特征是它包括一个三叉式二进一出光路组件(3)，三叉式二进一出光路组件(3)的一个进口端与发光装置相连，三叉式二进一出光路组件(3) 的另一个进口端连接有探头(8)，探头(8)上涂覆有能激发出红光的荧光涂层(4)，荧光涂层(4)上设有透氧高分子膜，三叉式二进一出光路组件(3)的一个出口端连接有能将荧光激发量转换成电流的电流感应装置；所述的发光装置由能发出蓝光的脉冲光源(1)和窄带滤光片(2 )组成，脉冲光源(1)发出的蓝光经过窄带滤光片(2 )进入三叉式二进一出光路组件(3)的一个进口端中，所述的电流感应装置由长通滤光片(5)、聚焦透镜(6)和光电探测器(7)组成，三叉式二进一出光学组件(3)的出口端的反射光经长通滤光片(5)滤光和聚焦透镜(6 )聚焦后照射在光电探测器(7 )上产生感应电流。
2.根据权利要求1所述的脉冲光源光纤测氧仪，其特征是所述的三叉式二进一出光路组件(3)为直径在10-1000微米之间的二进一出三叉光纤或由纯由光学元件组成的二进一出结构体。
3.根据权利要求1所述的脉冲光源光纤测氧仪，其特征是所述的脉冲光源(1)的开启时间在0.1毫秒至10秒之间，关闭时间在1毫秒至10分钟之间。
4.根据权利要求1所述的脉冲光源光纤测氧仪，其特征是所述的脉冲光源(1)为激光、 LED、钨灯、氙灯或氘灯，有效照射光的波长在420 - 490nm之间，所述的窄带滤光片(2)的中心在420 - 490nm之间。
5.根据权利要求1所述的脉冲光源光纤测氧仪，其特征是所述的探头(8)上涂覆的荧光物质受激发后发出的红色荧光波长在阳0 - 700nm之间。
6.根据权利要求1所述的脉冲光源光纤测氧仪，其特征是所述的光电探测器(7)为光电二极管、光电倍增管或CXD ；所述的长通滤光片(6)的截止波长在550 - 700nm之间。
7.根据权利要求1所述的脉冲光源光纤测氧仪，其特征是它还包括一个温度传感器。
8.根据权利要求7所述的脉冲光源光纤测氧仪，其特征是所述的温度传感器为内置于探头中的内置式结构。
9.根据权利要求1所述的脉冲光源光纤测氧仪，其特征是所述的探头(8)为不锈钢管， 不锈钢管的一端设有分别与三叉式二进一出光学组件(3)的一个进口端和一个出口端相连的光缆接口(9)，不锈钢管的另一端上涂覆有荧光物质(4)，荧光物质(4)上覆有透氧高分子薄膜，透氧高分子薄膜外设有阻止杂散光干扰的黑色高分子涂层。
10.根据权利要求9所述的脉冲光源光纤测氧仪，其特征是所述的不锈钢管探头(8)的涂覆有荧光物质(4)的一端呈尖角状结构以便于穿刺样品，尖角的角度在30-60度之间。
专利摘要一种脉冲光源光纤测氧仪，其特征是它包括一个三叉式二进一出光路组件(3)，三叉式二进一出光路组件(3)的一个进口端与发光装置相连，另一个进口端连接有探头(8)，探头(8)上涂覆有能激发出红光的荧光涂层(4)，荧光涂层(4)上设有透氧高分子膜，三叉式二进一出光路组件(3)的一个出口端连接有能将荧光激发量转换成电流的电流感应装置；所述的发光装置由能发出蓝光的脉冲光源(1)和窄带滤光片(2)组成，所述的电流感应装置由长通滤光片(5)、聚焦透镜(6)和光电探测器(7)组成。本实用新型结构简单，稳定性好，使用寿命长。
文档编号G01N21/01GK201974383SQ20112001641
公开日2011年9月14日 申请日期2011年1月19日 优先权日2011年1月19日
发明者高国强 申请人:高国强