专利名称：生物行为传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于水环境监测的传感器，尤其是涉及一种生物行为传感器，用于水质安全在线监测预警系统中。
背景技术：
为了保护水生生物生活环境质量和人类饮用水的安全健康，人们常采用各种方法对水环境质量进行监测，以有效地实现对水环境质量的安全预警。水体的生物监测是反映水环境质量状况的标准和依据，它直接反映了水环境质量变化对生物的影响和危害程度， 是实现水环境监测目的的一种最直接而有效的手段。生物监测有以下几种一、在线生物发光检测技术，它利用了发光菌在水质监测中发挥了光照强度受环境内污染物影响的特点，通过光学传感器监测发光菌的发光强度变化，反应水质情况。但是，发光菌强度受本身新陈代谢的影响，不能实现水体的在线监测， 只能依靠间隔抽样监测，很难反映水质本身的实时变化情况；二、在线摄像技术(on-line image analysis)可以通过摄像记录受试生物的运动行为变化，并根据生物的行为变化对水质进行在线评价。但这种技术存在的误差会因为水体的透明度、水体流速、光照等因素的影响而加大，并且此技术只实现了对生物的二维监测，不能对生物在立体空间内的行为变化进行综合评价、分析；三、多物种淡水生物监测系统可以克服外界环境因子对受试生物的影响，最大程度的实时监测环境内受试生物的行为学变化。但是，此技术不能结合合理的生物运动行为变化规律对受试生物的行为学变化进行分析、评估；四、水质在线安全预警系统 (water quality on-line warning system)应用生物在一定环境压力下表现出运动的规律变化以及本身具有的对环境压力的回避本能，它能够实现水质在线三维监测的同时又能够结合生物的运动行为变化规律对受试生物的行为学变化进行分析、评估。在此系统中为了了解分析受试生物运动行为的规律性以及其本身具有的对外界环境压力的回避本能，采用了与生物行为规律相适应的的传感器(Biological Behavior biosensor，生物行为传感器)。但此系统中现使用的生物行为传感器在监测水质时易受外界干扰，且不能够监测到高频低强度的生物行为的变化。实用新型专利申请(名称用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器，申请号200710065436. 9)公开了一种通过检测生物在一定环境压力下的回避行为来监测水质安全的生物行为传感器，其采用单个腔体结构，其所感应到的信号除了生物行为，还包括外界的信号，如外界噪声、震动等信号，并且不能检测高频低强度生物行为的信号，这就使得水质监测结果不精确。另外，现有的生物行为传感器中通常采用平板电极，这种电极不能均勻分布在腔体中，电场范围小，这就使得部分有用且强度低、频率高的信号不能采集到，而此类信号更能反应生物在低浓度有毒物质环境中行为变化，因此，这同样影响到水质监测结果的精确度
实用新型内容
[0005]本申请人针对上述的问题，进行了研究改进，提供一种生物行为传感器，在水质在线预警系统中能更精确地检测生物行为信号，能够在不受外界干扰的情况下监测受试生物的运动行为变化，且能够监测的信号范围更广。为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案—种生物行为传感器，包括两个串联的腔体，所述腔体为透明圆柱管，两个腔体的内径相等并通过螺纹连接，两个腔体之间设有分隔两个腔体的隔网，两个腔体的外端固定安装有圆盖，所述圆盖的中心设有水管接头；每个腔体中安装至少一组电极，每组电极由相对设置的两对电极组成，两对电极的结构一致，其中一对为发射电极，另一对为信号接收电极，两对电极分别与水质在线安全预警系统连接。进一步的所述电极为网状电极，呈圆弧形，贴合安装在所述腔体的内壁上。所述电极覆盖除电极之间的空隙以外的整个所述腔体内壁。所述电极由不锈钢制成。所述水管接头与外部水管连接，所述外部水管的进水管上安装有流量计。所述腔体的透明圆柱管由有机玻璃、PVC或ABS材料制成。所述隔网的直径与所述腔体内径相等。所述隔网由尼龙或聚乙烯制成。本实用新型使用的生物行为传感器设置两个腔体，检测时，在两个腔体中，一个腔体中放受试生物，另一个腔体中不放，这样两腔体所感应到的信号差即是受试生物的行为变化，排除了外界环境的影响，确保检测精度。本实用新型中，每个腔体中所使用的两对电极的结构一致，其中一对作为发射电极，另一对作为信号接收电极，电极呈圆弧形，贴合安装在腔体的内壁上，并且电极覆盖除电极之间的空隙以外的整个腔体内壁，这就使得电场分布均勻且更加灵敏，接收频率更广。本实用新型的原理每个腔体中一对电极连接矩形脉冲交变电流(此为发射信号的电极)，从而在管内形成一个低压电场；另一对电极不接矩形脉冲交变电流，而是连接信号采集器，为感应电极(此为信号接收电极)。在一个腔体中不放受试生物，在此腔体中传感器低压电场发生变化以后，接受信号电极感应电场变化，记为El ；在另一腔体中放入受试生物，当受试生物在传感器的运动导致低压电场发生变化后，与此对应的接受信号电极感受电场的变化，记为E2 ；E2和El经水质在线安全预警系统处理以后的差值即是受试生物的运动行为变化，然后对此运动行为变化进行分析，并依据生物行为分析结果，对水质变化进行在线评估。本实用新型的生物行为传感器可根据受试生物个体大小进行选择，并保持生物行为传感器内受试生物的数量为3-10只。在每个生物行为传感器内装入的受试生物为出生后25-70小时的被监测水源原生种的水生生物幼体，在实验室内使用常规的标准水培养进化至少三代以上，作为受试生物使用；或是出生后25-70小时的被监测水源标准模式生物的水声生物幼体，直接作为受试生物使用。本实用新型采用的受试生物为被监测水源标准模式下的脊椎动物鲭鏘鱼。鲭鏘隶属鏘科，个体小，全长2.5 — 5. 0cm，可以耐受低溶氧和较宽的水温和盐度范围，生命力强，疾病少，易于在实验室条件下饲养与培育。第二性征明显，可通过臀鳍和背鳍的形状及颜色比较精确区分雌雄。本实用新型的技术效果在于本实用新型公开的一种生物行为传感器，用于水质安全在线监测预警系统中，对动态的流水进行监测，设置两个腔体，检测时，一个腔体中放入受试生物，另一个腔体中不放，将两腔体所感应到的信号差作为受试生物的行为变化，排除了外界环境的影响，克服外界环境因子对受试生物的影响，最大程度地实时监测环境内受试生物的行为学变化，不仅能够监测到正常频率下的生物行为信号，也能监测到高频低强度的生物行为信号，提高检测精确度；另外，每个腔体中所使用的两对电极的结构一致，电极呈圆弧形，贴合安装在腔体的内壁上，并且电极覆盖除电极之间的空隙以外的整个腔体内壁，这就使得电场分布均勻且更加灵敏，接收频率更广。
图1为本实用新型的三维剖切示意图。图2为本实用新型的三维爆破图。图3为利用生物行为传感器监测鲭鏘鱼在正常水体内的行为周期变化图；图中横坐标为暴露时间，纵坐标为日本鲭鏘的行为强度变化。图4为利用生物行为传感器监测鲭鏘鱼M小时内行为变化曲线图，图中横坐标为暴露时间，纵坐标为日本鲭鏘的行为强度变化。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细的说明。如图1、2所示，本实用新型包括两个串联的腔体，第一腔体1及第二腔体2，第一腔体1及第二腔体2均为透明圆柱管，可以根据被监测水体的性质选择由有机玻璃、PVC或 ABS材料制造。第一腔体1及第二腔体2的内径相等并通过螺纹连接，两个腔体之间设有隔网3，隔网3将第一腔体1及第二腔体2分隔成两个独立的腔体，隔网3的直径与第一腔体 1及第二腔体2内径相等，隔网3通过第一腔体1及第二腔体2之间的卡槽固定，隔网3由尼龙或聚乙烯制成，隔网3的网眼大小由受试生物决定。第一腔体1及第二腔体2的外端分别通过螺纹固定安装圆盖4，圆盖4的中心设有水管接头5。第一腔体1及第二腔体2中分别安装至少一组电极，每组电极由相对设置的两对电极组成，其中一对为发射电极6，另一对为信号接收电极7，两对电极的结构一致，发射电极6及信号接收电极7分别与水质在线安全预警系统连接。发射电极6及信号接收电极7均为网状电极，呈圆弧形，贴合安装在第一腔体1及第二腔体2的内壁上。在本实施例中，发射电极6及信号接收电极7由不锈钢制成，一对发射电极6及一对信号接收电极7覆盖除电极之间的空隙8以外的整个第一腔体1及第二腔体2内壁。本实施例用对正常无污染水源进行在线安全预警的过程以及预警的效果进行详细说明。以鲭鏘作为受试生物，构成第一腔体1及第二腔体2的透明圆柱管的内径为40mm， 外径为50mm。在第一腔体1及第二腔体2的内壁上分别安装两对不锈钢制作的电极，每对电极由相对设置的两个电极组成，其电极大小由受试管决定，对日本鲭鏘监测时，电极选择弧长为50mm，高度为70mm。两对电极与水质在线安全预警系统用连接，其中一对为发射电极6，另一对为信号接收电极7 ；水管接头5与外部水管连接，外部水管的进水管上安装有流量计，以便通过流量计控制进水和出水。生物行为传感器安装在水质安全预警系统中，除生物行为传感器两端的水管接头5以外，生物行为传感器的整个管体为由隔网3分隔成第一腔体1及第二腔体2的封闭系统。使用本实用新型的生物行为传感器，在第一腔体1内不放受试物体，在第二腔体2 内放置4-10只鲭鏘鱼，进行监测(45-50小时开始监测)在正常水体内的行为周期变化，具体监测实验如下该实验进行的温度控制在20 士 2°C，光照周期为自然光照周期。流水暴露实验维持在2天。实验过程中，流水速率控制在3L/h，食物通过流水系统投喂。利用生物行为传感器 (参考图1)监测鲭鏘鱼(45-50小时开始监测)在正常水体内的行为周期变化图。如图3所示，在2天流水试验过程中，日本鲭鏘的行为学变化表现出明显的昼夜变化，即生物种现象 (Biological Clock)。如图4，为M小时内鲭鏘鱼行为变化曲线，不同曲线代表鲭鏘鱼不同频率的行为反应，图4中纵坐标表示各频率行为强度的大小，横坐标为时间，各曲线从下到上依次代表IOHz、5Hz、2Hz、IHz、0. 5Hz频率的行为强度变化，有明显昼夜节率变化，高强度低频率(10Ηζ、5Ηζ、2Ηζ)行为曲线昼夜节率变化更加明显，低强度高频率(1Ηζ、0. 5Hz)行为曲线昼夜节率变化不明显。本实用新型的生物行为强度传感器可以检测到高频低强度的行为信号，如频率为IOHz的行为强度，像鱼鳃部呼吸运动等生物行为运动方式，对污染物更加敏感等微弱电信号，而且可以最大程度降低生物昼夜节律变化对预警系统运行稳定性的影响，利用此类行为信号，以达到生物预警系统运行更加稳定，精确地检测出低浓度污染物的目的。本实用新型所提供的生物行为传感器通过多点监测获得的电信号方式显示受试生物的行为变化信号，并经过对信号的分析评估，实现了原位(In situ)、在线(On line)和实时(Real time)的在线生物监测，并且可以对水体的未知污染进行预警，对于研究环境污染，尤其是突发性、剧烈的事故性变化具有非常重要的指示作用。此外本实用新型进行水质预警的投入很少，不需要专业人员进行操作，占用有限的人力、物理，水质预警期间的维护费用极低。
权利要求1.一种生物行为传感器，其特征在于包括两个串联的腔体，所述腔体为透明圆柱管， 两个腔体的内径相等并通过螺纹连接，两个腔体之间设有分隔两个腔体的隔网，两个腔体的外端固定安装有圆盖，所述圆盖的中心设有水管接头；每个腔体中安装至少一组电极，每组电极由相对设置的两对电极组成，两对电极的结构一致，其中一对为发射电极，另一对为信号接收电极，两对电极分别与水质在线安全预警系统连接。
2.按照权利要求1所述的生物行为传感器，其特征在于所述电极为网状电极，呈圆弧形，贴合安装在所述腔体的内壁上。
3.按照权利要求2所述的生物行为传感器，其特征在于所述电极覆盖除电极之间的空隙以外的整个所述腔体内壁。
4.按照权利要求1至3任一项所述的生物行为传感器，其特征在于所述电极由不锈钢制成。
5.按照权利要求1所述的生物行为传感器，其特征在于所述水管接头与外部水管连接，所述外部水管的进水管上安装有流量计。
6.按照权利要求1所述的生物行为传感器，其特征在于所述腔体的透明圆柱管由有机玻璃、PVC或ABS材料制成。
7.按照权利要求1所述的生物行为传感器，其特征在于所述隔网的直径与所述腔体内径相等。
8.按照权利要求1或7所述的生物行为传感器，其特征在于所述隔网由尼龙或聚乙烯制成。
专利摘要本实用新型涉及一种生物行为传感器，其特征在于包括两个串联的腔体，两个腔体之间设有隔网，两个腔体的外端固定安装有圆盖，圆盖的中心设有水管接头；每个腔体中安装至少一组电极，每组电极由相对设置的两对电极组成，其中一对为发射电极，另一对为信号接收电极，两对电极分别与水质在线安全预警系统连接。本实用新型用于水质安全在线监测预警系统中，对动态的流水进行监测，检测时，一个腔体中放入受试生物，另一个腔体中不放，将两腔体所感应到的信号差作为受试生物的行为变化，排除了外界环境的影响，最大程度地实时监测环境内受试生物的行为学变化，能够监测到正常频率及高频低强度的生物行为信号，提高检测精确度。
文档编号G01N33/18GK202230076SQ20112039042
公开日2012年5月23日 申请日期2011年10月14日 优先权日2011年10月14日
发明者刘勇, 王子健, 饶凯锋 申请人:无锡中科水质环境技术有限公司