氧气检测装置与系统的制作方法

本申请涉及光学传感器技术领域，特别是涉及一种氧气检测装置与系统。

背景技术：

氧气检测装置是检测待检测空间氧气浓度或氧气含量的装置，广泛应用于化学、医药、航天航空等领域。市面上的常见的氧气检测装置为氧气传感器。目前使用的氧气传感器主要包括传统电化学原理的含铅氧气传感器、浓差电池型二氧化锆氧传感器、半导体电阻型二氧化钛氧传感器、以及应用荧光猝灭原理的氧气传感器。应用荧光猝灭原理的氧气传感器称为荧光氧气传感器。与其它传感器相比较，荧光氧气传感器测量精度高，稳定性好，抗干扰能力强。而且荧光氧气传感器在检测过程中不会对氧气进行损耗，一直是氧气传感器的研究热点。

传统方案中的荧光氧气传感器一般采用一体化设计。其设置有内腔，内腔内设置光电模块，并整体进行封装。传统荧光氧气传感器一般设计为圆柱体，圆柱体前端为透气膜，圆柱体后端用于氧气浓度测量。

然而，传统方案中的荧光氧气传感器存在一个很大的问题，即无法应用于小型密闭空间的氧气数据测量。由于传统方案中的荧光氧气传感器在测量时无法将传感器整体置入小型密闭空间内，导致其应用范围受限。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统方案中氧气检测装置无法应用于小型密闭空间的问题，提供一种氧气检测装置与系统。

本申请提供一种氧气检测装置，包括：

本体，所述本体的表面设置有通孔；

辅助检测元件，所述辅助检测元件的一端通过所述通孔伸入所述本体，与所述本体固定连接，所述辅助检测元件的另一端贴附荧光物质膜；

所述氧气检测装置在使用时，所述辅助检测元件贴附有所述荧光物质膜的一端插入待检测空间，以使所述本体根据荧光物质膜所发出的荧光的变化检测所述待检测空间的氧气浓度。

本申请涉及一种氧气检测装置，通过设置与主体固定的辅助检测元件，并在辅助检测元件与待检测空间接触的一端贴附荧光物质膜，使得所述氧气检测装置在检测小尺寸密闭容器时，可以将辅助检测元件伸入小尺寸密闭容器中进行检测，从而实现小型密闭空间的氧气浓度测试。

在其中一实施例中，所述本体包括：

光源组件，用于产生并发射激发光；

导光元件，用于改变所述光源组件发射的所述激发光的方向以使所述激发光射入所述辅助检测元件，并使所述激发光与所述荧光物质膜接触产生荧光；

光电检测元件，用于接收所述荧光并对所述荧光进行光电转换，生成电信号。

在其中一实施例中，所述本体还包括：

壳体，所述壳体具有收纳空间，所述光源组件、导光元件和所述光电检测元件设置于所述收纳空间。

在其中一实施例中，所述壳体还包括顶部盖板、底部垫板和多个依次首尾连接的壁板，所述顶部盖板、底部垫板和所述多个壁板共同围绕形成所述收纳空间。

在其中一实施例中，所述辅助检测元件为导光棒，用于所述收纳空间和所述荧光物质膜之间光的传输。

在其中一实施例中，所述导光元件为一个二向色镜，所述二向色镜反射所述激发光，所述二向色镜透过所述荧光。

在其中一实施例中，所述导光元件相对于所述辅助检测元件的长度方向倾斜设置，以使由所述光源组件射出的所述激发光经由所述导光元件反射后，射入所述辅助检测元件；所述导光元件还使得所述荧光透过，射入所述光电检测元件。

在其中一实施例中，所述光源组件与所述辅助检测元件设置于同一平面内，且所述激发光的发射方向与所述辅助检测元件的长度方向垂直。

在其中一实施例中，所述导光元件与所述辅助检测元件的长度方向呈135度角或45度角设置。

在其中一实施例中，所述光源组件包括：

光源调制电路板，用于发出光源调制信号；

led芯片，安装于所述光源调制电路板的表面，用于接收所述光源调制信号，并在所述光源调制信号的控制下产生激发光；

准直透镜，安装于所述led芯片的表面，用于将所述led芯片产生的所述激发光调整为一束平行的光线。

在其中一实施例中，所述光电检测元件包括：

光电检测电路板，与所述光源调制电路板通过导电线路电连接，用于向所述光源组件供电并控制所述光源调制电路板发出所述光源调制信号的频率；

光电收集元件，与所述光电检测电路板固定连接，用于收集所述荧光并对所述荧光进行光电转换；

聚焦镜，与所述光电收集元件对齐，用于聚集所述荧光，以便于所述光电收集元件收集所述荧光；以及

数据接口，与所述光电检测电路板电连接，用于向外界输出所述电信号。

在其中一实施例中，所述氧气检测装置还包括：

第一螺纹卡环，套设于所述辅助检测元件，用于将所述本体与所述检测元件卡紧固定；

第二螺纹卡环，套设于所述辅助检测元件，用于将所述辅助检测元件与所述待检测空间的壁卡紧固定。

本申请还提供一种氧气检测系统，包括如前述内容提及的所述氧气检测装置；

上位机，与所述氧气检测装置通信连接，用于接收所述氧气检测装置输出的电信号并对所述电信号进行处理。

本申请涉及一种氧气检测系统，通过设置氧气检测装置获取待检测空间的氧气浓度数据。所述氧气检测装置通过设置主体、与主体固定的辅助检测元件，并在辅助检测元件与待检测空间接触的一端贴附荧光物质膜，使得所述氧气检测装置在检测小尺寸密闭容器时，可以将检测元件伸入小尺寸密闭容器中，进行检测，从而实现小型密闭空间的氧气浓度测试。在所述氧气检测装置获取所述氧气浓度数据后，输出电信号并将所述电信号发送至上位机。上位机对所述电信号进行后续处理，分端处理节约处理器处理压力。

附图说明

图1为本申请提供的氧气检测装置的一个实施例的结构示意图；

图2是本申请提供的氧气检测装置的一个实施例的结构爆炸图；

图3为本申请提供的氧气检测装置的一个实施例的装配后的结构示意图；

图4为本申请提供的氧气检测系统的一个实施例的结构示意图。

附图标记：

100氧气检测装置

200上位机

10本体

20辅助检测元件

30荧光物质膜

40第一螺纹卡环

50第二螺纹卡环

110通孔

120光源组件

121光源调制电路板

122led芯片

123准直透镜

130导光元件

140光电检测元件

141光电检测电路板

142光电收集元件

143聚焦镜

144数据接口

150壳体

151收纳空间

152顶部盖板

153底部垫板

154壁板

160导电线路

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。

本申请提供一种氧气检测装置100。需要说明的是，本申请并不限制所述氧气检测装置100的应用场景。所述氧气检测装置100可以检测任意待检测空间内的氧气浓度。可选的，所述氧气检测装置100可以检测小型密闭空间或小尺寸密闭容器内的氧气浓度。例如，所述氧气检测装置100可以检测人体呼吸罩内的氧气浓度。

可选地，所述氧气检测装置100可以为氧气传感器。所述氧气传感器可以为荧光氧气传感器。

如图1所示，在本申请的一实施例中，所述氧气检测装置100包括本体10和辅助检测元件20。所述本体10与所述辅助检测元件20固定连接。所述本体10的表面设置有通孔110。所述辅助检测元件20的一端通过所述通孔110伸入所述本体10，与所述本体10固定连接。所述辅助检测元件20的另一端贴附荧光物质膜30。所述氧气检测装置100在使用时，所述辅助检测元件20贴附有所述荧光物质膜30的一端插入待检测空间，以检测所述待检测空间的氧气浓度。

具体地，本实施例中的所述氧气检测装置100为荧光氧气传感器。所述氧气检测装置100包括本体10和与所述本体10固定连接的辅助检测元件20。所述辅助检测元件20一端插入所述本体10表面的通孔110，另一端贴附荧光物质膜30。所述氧气检测装置100的工作原理为荧光淬灭原理。荧光淬灭原理需要通过荧光淬灭的过程来解释。荧光淬灭的过程为：处于基态的荧光分子吸收与其具有相同特征频率的光能，转化为激发态荧光分子。由于激发态荧光分子不稳定，最终重新返回至基态，在这个过程中散射出响应光量子。这些响应光量子称为荧光。激发荧光物质或荧光分子与氧气发生的荧光淬灭，会同时导致荧光寿命的缩短和荧光强度的衰弱。荧光淬灭环境下的氧气浓度的计算公式如公式1所示。

其中，i0为无氧气环境下的荧光强度。i为有氧气环境下的荧光强度。τ0为无氧气环境下的荧光寿命。τ为有氧气环境下的荧光寿命。k为stern-volmer常量。x(o2)为荧光淬灭环境下的氧气浓度。

k是一个固定的常量，对于特定的淬灭剂而言其值是不会变化的。换言之，k的数值与所述荧光物质膜30的材料有关。因此，在本实施例中，在保持荧光物质膜30材料不变的条件下，荧光淬灭环境下的氧气浓度可以有两种计算方法。

如公式1所示，第一种计算方法是通过计算无氧气环境下的荧光强度与有氧气环境下的荧光强度的比值，进而得出荧光淬灭环境下的氧气浓度。然而，由于在荧光淬灭的过程中，激发光不可避免的会产生衰减现象。因此，荧光强度的数值不准确，进而计算得出的氧气浓度值也不准确。

如公式1所示，第二种计算方法是通过计算无氧气环境下的荧光寿命与有氧气环境下的荧光寿命的比值，进而得出荧光淬灭环境下的氧气浓度。由于荧光寿命是荧光物质的本征参量，不受荧光体积分数变化的影响，也不受荧光光源光强变化的影响。因此，通过荧光寿命计算得出的氧气浓度值较为准确。本实施例也是采用这种计算方法。

在具体实施时，将所述辅助检测元件20插入所述待检测空间，并将所述辅助检测元件20与所述待检测空间进行密封。由所述本体10产生并向所述辅助检测元件20发射激发光。所述激发光经所述辅助检测元件20传导至所述荧光物质膜30。所述荧光物质膜30吸收激发光的光能，产生荧光。由于所述待检测空间内含有氧气，因此荧光的寿命被缩短，荧光逐渐消失。所述本体10可以获取整个过程中的荧光信号和时间信息，生成电信号，进而计算出所述荧光淬灭环境下的氧气浓度。

本实施例中，通过设置与本体10固定的辅助检测元件20，并在所述辅助检测元件20与待检测空间接触的一端贴附荧光物质膜30，使得所述氧气检测装置100在检测小尺寸密闭容器时，可以将辅助检测元件20伸入小尺寸密闭容器中进行检测，从而实现小型密闭空间的氧气浓度测试。

如图2所示，在本申请的一实施例中，所述本体10包括光源组件120、导光元件130和光电检测元件140。所述光源组件120用于产生并发射激发光。所述导光元件130用于改变所述光源组件120发射的所述激发光的方向以使所述激发光射入所述辅助检测元件20，并使所述激发光与所述荧光物质膜30接触产生荧光。所述光电检测元件140用于接收所述荧光并对所述荧光进行光电转换，生成电信号。

具体地，在所述氧气检测装置100工作时，所述光源组件120产生激发光，并将所述激发光射向所述导光元件130。所述导光元件130对所述激发光具有反射作用。可选地，所述导光元件130可以是合光元件。所述导光元件130将所述激发光反射，所述激发光射入所述辅助检测元件20。当所述激发光传输至所述辅助检测元件20的荧光物质膜30时，所述荧光物质膜30中的荧光物质吸收所述激发光的光能，产生荧光。所述荧光释放于所述待检测空间，与待检测空间中的氧气接触，寿命缩短。所述荧光在寿命终止后消失。

在所述荧光出现到所述荧光消失的时间段内，部分所述荧光透过所述辅助检测元件20返回所述导光元件130。所述荧光和所述激发光是两种波长不同的光。所述导光元件130对所述荧光具有透过作用。因此，所述荧光可以透过所述导光元件130，被所述光电检测元件140接收。所述光电检测元件140对所述荧光进行光电转换，生成电信号。

本实施例中，通过设置光源组件120、导光元件130和光电检测元件140，可以在体积小的所述本体10内完成荧光淬灭的过程，占用体积小且成本低。并且以上结构可以及时收集荧光信号，计算所述荧光淬灭环境下的氧气浓度，检测效率高。

请继续参阅图2，在本申请的一实施例中，所述本体10还包括壳体150。所述壳体150具有收纳空间151。所述壳体150包括顶部盖板152、底部垫板153和多个依次首尾连接的壁板154。所述顶部盖板152、底部垫板153和所述多个壁板154共同围绕形成所述收纳空间151。

可选地，所述壳体150的最长边的长度小于15毫米。换言之，所述壳体150的长、宽和高均小于15毫米。这样可以保证整个氧气检测装置100体积小，重量轻，从而保证小型密闭空间测试氧气浓度的便捷性。所述壳体150为立方体。所述壳体150包括顶部盖板152、底部垫板153和多个依次首尾连接的壁板154，共同围绕形成所述收纳空间151。

可选地，所述光源组件120、导光元件130和光电检测元件140均设置于所述收纳空间151。可选地，所述光源组件120、导光元件130和光电检测元件140均与所述壁板154固定连接。可选的，一个所述壁板154上设置有多个凹槽，所述光源组件120、导光元件130和光电检测元件140均通过所述凹槽插设于所述壁板154。在装配时，通过密封胶将所述壁板154与其它结构粘合。

本实施例中，通过设置所述壳体150，实现对放置于所述壳体150内部的光学元件的保护。此外，所述壳体150的设置也能减轻整个氧气检测装置100的重量。

在本申请的一实施例中，所述辅助检测元件20为导光棒，用于所述收纳空间151和所述荧光物质膜30之间光的传输。

具体地，所述辅助检测元件20的形状和材料可以不做限定。可选地，所述辅助检测元件20可以为导光棒。可选地，所述导光棒可以为圆柱体。所述导光棒的直径小于或等于3毫米。可选地，所述导光棒可以为实心。所述导光棒的一端与所述壳体150的壁板154固定连接。所述导光棒的另一端贴附所述荧光物质膜30。

本实施例中，通过选取直径尺寸小的所述导光棒作为所述辅助检测元件20，使得在氧气浓度检测过程中，所述辅助检测元件20可以轻易插入所述待检测空间的壁，从而实现小型密闭空间的氧气浓度测试。此外，所述导光棒使得测试中，荧光与氧气快速且充分的接触。

在本申请的一实施例中，所述导光元件130为一个二向色镜，所述二向色镜反射所述激发光，所述二向色镜透过所述荧光。

具体地，所述二向色镜对所述激发光的反射率不小于90％。所述二向色镜对所述荧光的透过率不小于98％。

本实施例中，通过选取二向色镜作为所述导光元件130，仅适用了一片二向色镜既实现了激发光的传导，又实现了荧光的收集，节约了整个氧气检测装置100的成本。

如图3所示，在本申请的一实施例中，所述导光元件130相对于所述辅助检测元件20的长度方向倾斜设置。所述导光元件130使得由所述光源组件120射出的所述激发光，经由所述导光元件130反射后，射入所述辅助检测元件20。所述导光元件130还可以使得所述荧光透过，射入所述光电检测元件140。

具体地，所述辅助检测元件20的长度方向上设置有所述光电检测元件140。所述导光元件130设置于所述辅助检测元件20与所述光电检测元件140之间。所述导光元件130相对于所述辅助检测元件20的长度方向倾斜设置，可以更明确的体现所述导光元件130的作用。所述导光元件130既可以反射所述激发光，又可以透过所述荧光。所述导光元件130还可以使得所述荧光准确的被所述光电检测元件140收集。

本实施例中，通过相对于所述辅助检测元件20的长度方向倾斜设置所述导光元件130，使得所述导光元件130既可以反射所述激发光，又可以透过所述荧光，并使得所述荧光被所述光电检测元件140收集。

请继续参阅图3，在本申请的一实施例中，所述光源组件120与所述辅助检测元件20设置于同一平面内。所述激发光的发射方向与所述辅助检测元件20的长度方向垂直。

可选地，所述光源组件120、所述辅助检测元件20和所述光电检测元件140均设置于同一平面内。所述光电检测元件140设置在所述辅助检测元件20长度方向的延长线上。所述导光元件130设置于所述光电检测元件140和所述辅助检测元件20之间。所述光源组件120的设置位置，使得所述激发光的发射方向与所述辅助检测元件20的长度方向垂直。

本实施例中，通过设置述光源组件120与所述辅助检测元件20在同一平面内，且所述激发光的发射方向与所述辅助检测元件20的长度方向垂直，最大程度上减小了所述壳体150的体积，从而节省了整个氧气检测装置100的成本。

请继续参阅图3，在本申请的一实施例中，所述导光元件130与所述辅助检测元件20的长度方向呈135度角或45度角设置。

具体地，如图3所示，若建立如下的坐标系：把所述导光元件130的物理中心作为坐标轴原点。把所述辅助检测元件20的长度方向作为x轴。将所述激发光的发射方向作为y轴。则当所述导光元件130与x轴呈135度角时，所述激发光刚好在反射后水平射入所述检测软件。可以理解，所述导光元件130可以视为与所述辅助检测元件20的长度方向呈135度角(与x轴的正半轴呈135度角)。所述导光元件130也可以视为与所述辅助检测元件20的长度方向呈45独角(与x轴的负半轴呈45度角)。

本实施例中，通过设置所述导光元件130与所述辅助检测元件20的长度方向呈135度角或45度角，使得垂直射向所述导光元件130的所述激发光，经所述导光元件130反射后，刚好水平射入所述辅助检测元件20，反射精准度高。进一步实现荧光与氧气快速接触。

请继续参阅图3，在本申请的一实施例中，所述光源组件120包括光源调制电路板121、led芯片122和准直透镜123。所述led芯片122安装于所述光源调制电路板121的表面。所述准直透镜123安装于所述led芯片122的表面。所述光源调制电路板121用于发出光源调制信号。所述led芯片122用于接收所述光源调制信号，并在所述光源调制信号的控制下产生激发光。所述准直透镜123用于将所述led芯片122产生的所述激发光调整为一束平行的光线。

具体地，所述光源调制电路板121、led芯片122和准直透镜123可以均设置于一个密封的模块内。所述模块可以为一个由透光材料制成的壳体。所述led芯片122可以焊接于所述光源调制电路板121之上。所述led芯片122产生的激发光是多束不同方向的激发光。所述准直透镜123用于将多束不同方向的激发光调整为一束平行的光线，射入所述导光元件130。

本实施例中，通过设置光源调制电路板121、led芯片122和准直透镜123，实现了激发光周期性的产生与发射，为整个氧气检测装置100提供了激发光光源。

请继续参阅图3，在本申请的一实施例中，所述光电检测元件140包括光电检测电路板141、光电收集元件142、聚焦镜143和数据接口144。所述光电检测电路板141与所述光电收集元件142固定连接。所述光电检测电路板141还与所述光源调制电路板121通过导电线路160电连接。所述聚焦镜143与所述光电收集元件142对齐。所述数据接口144与所述光电检测电路板141电连接。

所述光电检测电路板141用于向所述光源组件120供电。所述光电检测电路板141还用于控制所述光源调制电路板121发出所述光源调制信号的频率。所述光电收集元件142用于收集所述荧光。所述光电收集元件142还用于对所述荧光进行光电转换。所述聚焦镜143用于聚集所述荧光，以便所述光电收集元件142收集所述荧光。所述数据接口144用于向外界输出所述电信号。

具体地，所述光电检测电路板141、光电收集元件142、聚焦镜143和数据接口144可以均设置于一个密封的模块内。所述模块可以为一个由透光材料制成的壳体。所述光电收集元件142可以焊接于所述光电检测电路板141之上。所述光电收集元件142可以设置有一个探测口。所述探测口的形状可以为边长为1毫米的正方形。所述探测口与所述聚焦镜143对齐，使得聚焦后的荧光能够水平经所述探测口射入所述所述光电收集元件142，避免其它杂光进入。

可选地，所述光电检测电路板141内置有处理器，用于控制所述光源调制电路板121发出所述光源调制信号的频率。

本实施例中，通过设置光电检测电路板141、光电收集元件142、聚焦镜143和数据接口144，实现了对荧光的收集与光电处理，为后续计算氧气浓度提供基础。

请继续参阅图3，在本申请的一实施例中，所述氧气检测装置100还包括第一螺纹卡环40和第二螺纹卡环50。所述第一螺纹卡环40和所述第二螺纹卡环50均套设于所述辅助检测元件20。所述第一螺纹卡环40用于将所述本体10与所述辅助检测元件20卡紧固定。所述第二螺纹卡环50用于将所述辅助检测元件20与所述待检测空间的壁卡紧固定。

具体地，所述第一螺纹卡环40和所述第二螺纹卡环50的设置，使得所述氧气检测装置100的安装方式满足任意壁厚的待检测空间的固定和密封需求。在安装所述氧气检测装置100时，执行以下步骤：

s100，根据所述待检测空间的体积，选择所述辅助检测元件20的长度。

具体地，若所述待检测空间的体积较大，所述辅助检测元件20的长度就需要设置的大一些。

s110，将所述辅助检测元件20的一端与所述壳体固定连接。

具体地，所述壳体的通孔110可以设置有内螺纹，所述辅助检测元件20的一端可以设置有外螺纹。所述辅助检测元件20的一端与所述壳体150通过所述通孔110进行螺纹连接。

s120，将所述第一螺纹卡环40安装于所述壳体150与所述辅助检测元件20的连接处，卡紧固定。

具体地，所述第一螺纹卡环40套设于所述辅助检测元件20。所述第一螺纹卡环40可以为多个。

s130，将待检测空间的壁上安装密封垫或密封圈，将所述辅助检测元件20的另一端贴附所述荧光物质膜30，并将贴附有所述荧光物质膜30的所述辅助检测元件20的另一端插入所述检测空间内。

具体地，所述密封垫或密封圈贴附于所述待检测空间的壁。

s140，将第二螺纹卡环50安装于所述辅助检测元件20与所述待检测空间的壁的连接处，卡紧固定。

具体地，所述第二螺纹卡环50套设于所述辅助检测元件20。所述第二螺纹卡环50可以为多个。可选地，所述第二螺纹卡环50可以为2个。一个所述第二螺旋卡环50安装于所述待检测空间的内壁。另一个所述第二螺纹卡环50安装于所述待检测空间的外壁。可选地，所述第二螺旋卡环50可以安装于所述待检测空间的壁与所述密封垫之间。可选地，所述第二螺旋卡环50可以安装于所述待检测空间的壁与所述密封圈之间。

本实施例中，通过设置所述第一螺纹卡环40和所述第二螺纹卡环50，使得所述氧气检测装置100的安装方式满足了任意壁厚的待检测空间的固定和密封需求。

本申请还提供一种氧气检测系统。

如图4所示，在本申请的一实施例中，所述氧气检测系统包括前述内容提及的所述氧气检测装置100和上位机200。所述氧气检测装置100与所述上位机200通过所述数据接口144通信连接。具体的，所述光电检测元件通过数据接口144或者具有数据接口的电路模块连接上位机。所述上位机200用于接收所述氧气检测装置100输出的所述电信号。所述上位机200还用于对所述电信号进行处理。

具体地，所述数据接口144可以是rs232接口、蓝牙接口和usb接口中的一种。所述氧气检测装置100可以向上位机200输出所述电信号，由所述上位机200处理所述电信号，计算氧气浓度。所述氧气检测装置100也可以在本地计算氧气浓度，将计算结果发送至所述上位机200。

本实施例中，通过设置氧气检测装置100获取待检测空间的氧气浓度数据。所述氧气检测装置100通设置了主体10、以及与主体固定的辅助检测元件20。所述氧气检测装置100还在辅助检测元件20与待检测空间接触的一端贴附荧光物质膜30。所述氧气检测装置100在检测小尺寸密闭容器时，可以将辅助检测元件20伸入小尺寸密闭容器中进行检测。所述氧气检测装置100实现了小型密闭空间的氧气浓度测试。在所述氧气检测装置100获取所述氧气浓度数据后，输出电信号并将所述电信号发送至上位机200。上位机200对所述电信号进行后续处理，分端处理节约处理器处理压力。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。