一种多通道光学溶解氧测量装置的制造方法

一种多通道光学溶解氧测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种多通道光学溶解氧测量装置，属于溶解氧测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着光学传感器的发展，巧光分析与测量技术已广泛应用于水体中溶解氧浓度的 检测，基于巧光巧灭机理的光学溶解氧测量方法逐渐替代了传统的舰量法和氧电极法，对 水中溶解氧浓度的检测在工农业、医学及环境监测领域等方面都具有重要的意义。
[000引然而，在许多现有的技术中，如中国的一篇发明（公开号；CN1731154A)、一篇实 用新型（公开号；CN2014788947U)，二者都采用了基于巧光强度的测量方法来测定水体 中溶解氧浓度，该将会带来由于光源波动等因素而产生的误差，降低了系统灵敏度W及测 量结果的准确性。而基于巧光寿命的测量的方法虽然在测量精度上有了提高，但测量过程 相对复杂，测量时间较长。
[0004] 此外，基于巧光强度的测量方法多数是采用单通道的光学接收结构，是通过产生 的巧光强度与溶解氧浓度呈相应的线性关系来直接实现对溶解氧测量，由于光源强度的变 化，无疑会增加测量误差，造成系统测量精度不高。而且，激发产生的巧光是一种散射光，单 通道的光学接收结构本身也会降低巧光的接收效率，从而带来溶解氧浓度测量范围较小的 劣势，也不利于溶解氧测量系统的实用化发展。
[0005] 进一步的，对于溶解氧的测量也有使用光纤来实现激发光传输和巧光接收若采 用激光作为激励光，由于能量较高，该将会大大缩短巧光敏感膜的寿命，而采用发光二极 管（LED)，需考虑激励光源和巧光如何高效地禪合进入光纤，即便使用带尾纤输出的LED光 源，无疑也会带来成本上的增加。同时，光纤式溶解氧测量装置多数是一种分立探测的结 构，导致整个测量系统的集成度不高。
[0006] 最后，许多现有的技术中，当采用基于巧光强度的方法测量溶解氧时，在采集巧光 信号至数据分析、处理及线性拟合过程中，采用的方法精度不是很高，如最小二乘法，对于 溶解氧浓度的检测不仅需要高精度的数据处理电路，而且也需要良好的数据处理、线性拟 合方法。 【实用新型内容】
[0007] 本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种多通道光学溶解氧测量装置，提高 了巧光的接收效率，克服了现有基于巧光强度检测法因光源不稳所带来的测量误差，使得 溶解氧测量结果更加准确，提高了测量装置的长期可靠性。
[000引本实用新型为解决上述技术问题采用W下技术方案：
[0009] 一种多通道光学溶解氧测量装置，包括密封外壳，W及设置于密封外壳内部的激 发光源模块、巧光产生模块、多通道巧光接收模块、信号处理单元、数据采集与控制单元，还 包括设置于密封外壳外部的计算机处理单元，所述多通道巧光接收模块包括=个相同的巧 光接收通道，每个巧光接收通道内沿巧光射来的方向依次设置有带通滤波片、光聚焦透镜、 光电探测器，=个巧光接收通道的巧光接收角度分别为与巧光产生模块所在平面成45度、 60度、90度，且=个巧光接收通道位于同一平面，相互隔离；
[0010] 所述激发光源模块产生激发光射向巧光产生模块，巧光产生模块接收激发光并产 生巧光，该巧光分别射向=个巧光接收通道，并在每个巧光接收通道内依次经带通滤波片、 光聚焦透镜后由光电探测器接收，光电探测器、信号处理单元、数据采集与控制单元、计算 机处理单元依次连接。
[0011] 优选的，所述激发光源模块包括光源发生器、光源调制电路、光源驱动电路，所述 光源调制电路、光源驱动电路分别与光源发生器连接，光源调制电路、光源驱动电路还分别 与数据采集与控制单元连接。
[0012] 优选的，所述巧光产生模块包括水密玻璃片、氧巧光敏感膜、巧光增敏剂，所述水 密玻璃片镶嵌于密封外壳的底部，其中一个表面位于密封外壳的内部，另一个表面与外界 接触，且与外界接触的表面依次涂覆有氧巧光敏感膜和巧光增敏剂。
[0013] 优选的，所述信号处理单元包括前置放大器、滤波整形电路W及精密有效值转换 电路，所述前置放大器的输入端与各通道光电探测器的输出端连接，输出端经滤波整形电 路连接精密有效值转换电路的输入端，精密有效值转换电路的输出端与数据采集与控制单 元连接。
[0014] 优选的，所述密封外壳的材质为不诱钢或防水高分子材料。
[0015] 本实用新型采用W上技术方案与现有技术相比，具有W下技术效果：
[0016] 1、本实用新型多通道光学溶解氧测量装置，构建了 =个巧光接收通道，通过测量 两两通道之间的巧光强度值之比来实现对溶解氧浓度的精准测量，有效地降低光源强度变 化对溶解氧测量结果的影响，降低了测量误差。
[0017] 2、本实用新型多通道光学溶解氧测量装置，采用了有效的算法，如神经网络算法 实现对=个两两通道之间的比值数据的融合处理，降低了氧浓度测量的不确定性。
[001引 3、本实用新型多通道光学溶解氧测量装置，采用多通道数据融合技术，使得溶解 氧测量结果更加准确，提高了溶解氧测量装置的长期可靠性。
【附图说明】
[0019] 图1是本实用新型多通道光学溶解氧测量装置的结构示意图。
[0020] 图2是本实用新型多通道光学溶解氧测量装置的工作流程图。
[0021] 图3是本实用新型S个输出特性曲线的测试结果图。
[0022] 图4是本实用新型采用的RBFS层前向神经网络结构图。
[0023] 图5是本实用新型S个输出特性曲线数据融合后得到的校准曲线图。
[0024] 其中；1为光源发生器；2为光源驱动电路；3为光源调制电路；4为激发光；5为水 密玻璃片；6为氧巧光敏感膜；7为巧光增敏剂；8为巧光；9为光隔离板；10为带通滤光片； 11为光聚焦透镜；12为光电探测器；13为信号处理单元；14为数据采集与控制单元；15、计 算机处理单元；16、密封外壳。
【具体实施方式】
[0025] 下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中 自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通 过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用 新型的限制。
[0026] 如图1所示，为本实用新型一种多通道光学溶解氧测量装置的一个优选实施例。 该测量装置主要包括W下几个部分；用于产生激发光4的激发光源模块、用于接收激发光 并产生巧光8的巧光产生模块、多通道巧光接收模块、信号处理单元、数据采集与控制单 元、计算机处理单元 ，另外还有一密封外壳。
[0027] 本实施例中的激发光源模块，包括光源发生器1、光源驱动电路2、光源调制电路 3。优选的，光源发生器为高亮度藍色发光LED,波长范围为455-468皿，通过光源调制电路 3使得输出光的波长为460nm，光源驱动电路2为光源提供稳定的功率输出。光源驱动电路 2、光源调制电路3同数据采集与控制单元14电连接。
[002引本实施例中的巧光产生模块，包括涂覆于水密玻璃片5其中一表面的氧巧光敏感 膜6,W及均匀涂覆于氧巧光敏感膜表面的巧光增敏剂7,水密玻璃片5其中的一表面与外 界接触，另一面被封装在壳体内下壁，并实现良好地密封安置。优选的，水密玻璃片5采用 石英材质组成，莫氏硬度为9. 0、抗压强度20Mpa，透光率达到95%。优选的，本实施例中的 氧巧光敏感膜6是W钉络合物为巧光敏感材料，通过溶胶-凝胶技术制备，巧光敏感材料可 从现有发现的各种巧光敏感材料中选择，本实施例中优选为Ru(化P) 302,所述巧光增敏剂 7也可从现有发现的各种巧光增敏剂中选择，本实施例中优选为0 -环糊精或其衍生物。
[0029] 本实施例中的多通道巧光接收模块有=个独立的巧光接收通道，每一独立的光接 收通道均是由光隔离板9构成，通道内依次安置有带通滤光片10、光聚焦透镜11、光电探测 器12,且带通滤光片、光聚焦透镜的中屯、位于同一直线上，光电探测器位于光聚焦透镜的焦 点处。本实施例中的带通滤光片10为一中屯、波长610 +5nm的带通滤光片，带宽±30nm。 光电探测器可从现有的光探测器中选择，本实施例中优选为PIN型光电二极管，波长探测 范围为 200-1100nm。
[0030] 本实施例中的信号处理单元13对应=个独立的巧光接收通道输出端，包括前置 放大器、滤波整形电路、精密有效值转换电路等。数据采集与控制单元14与光电信号处理 单元进行电连接，同时还与光源调制电路、光源驱动电路、计算机处理单元电连接。
[0031]另外，实施例中的密封外壳16的材质优选为不诱钢或防水的高分子材料，如PVC、 ABS高分子材料。
[0032] 如图2所示，为本实用新型多通道光学溶解氧测量装置的工作过程，首先数据采 集与控制单元中的主控制器发出脉冲序列，控制光源调制电路对光源进行调制，光源驱动 电路为其提供稳定地功率输出。然后，激发光经水密玻璃片入射到氧巧光敏感膜上，激发氧 巧光敏感膜产生巧光，分别在与同水密玻璃片所在平面成90度、60度、45度=个方向采用 =个独立的通道实现巧光信号的接收，该过程中巧光通过带通滤光片、光聚焦透镜后被PIN 型光电二极管接收。最后，由信号处理单元实现光电转换，转换后的直流电压信号大小与巧 光强度信号大小成正比，再经数据采集与控制单元送至计算机处理单元处理，得到溶解氧 浓度值。
[0033] 为了便于进一步理解本实用新型技术方案，下面对上述一种多通道光学溶解氧测 量装置的测量原理及方法作简要说明。
[0034] 本实用新型的多通道光学溶解氧测量原理是基于巧光巧灭机理，采用=个巧光接 收通道结构实现巧光的高效接收，通过将两两通道接收的巧光信号值作除运算，实现同水 密玻璃片所在平面成小角度的独立通道接收到的巧光信号值与大角度的巧光信号值之比， 即45。方向信号值Fi与60。方向信号值F2之比、60°方向信号值F2与90。方向信号值F3 之比、45°方向信号值Fi与90°方向信号值之比Fs，将该比值定义为输出特性参数A，即
[0035]
【主权项】
1. 一种多通道光学溶解氧测量装置，其特征在于：包括密封外壳，以及设置于密封外 壳内部的激发光源模块、荧光产生模块、多通道荧光接收模块、信号处理单元、数据采集与 控制单元，还包括设置于密封外壳外部的计算机处理单元，所述多通道荧光接收模块包括 三个相同的荧光接收通道，每个荧光接收通道内沿荧光射来的方向依次设置有带通滤波 片、光聚焦透镜、光电探测器，三个荧光接收通道的荧光接收角度分别为与荧光产生模块所 在平面成45度、60度、90度，且三个荧光接收通道位于同一平面，相互隔离； 所述激发光源模块产生激发光射向荧光产生模块，荧光产生模块接收激发光并产生荧 光，该荧光分别射向三个荧光接收通道，并在每个荧光接收通道内依次经带通滤波片、光聚 焦透镜后由光电探测器接收，光电探测器、信号处理单元、数据采集与控制单元、计算机处 理单元依次连接。
2. 如权利要求1所述多通道光学溶解氧测量装置，其特征在于：所述激发光源模块包 括光源发生器、光源调制电路、光源驱动电路，所述光源调制电路、光源驱动电路分别与光 源发生器连接，光源调制电路、光源驱动电路还分别与数据采集与控制单元连接。
3. 如权利要求1所述多通道光学溶解氧测量装置，其特征在于：所述荧光产生模块包 括水密玻璃片、氧荧光敏感膜、荧光增敏剂，所述水密玻璃片镶嵌于密封外壳的底部，其中 一个表面位于密封外壳的内部，另一个表面与外界接触，且与外界接触的表面依次涂覆有 氧荧光敏感膜和荧光增敏剂。
4. 如权利要求1所述多通道光学溶解氧测量装置，其特征在于：所述信号处理单元包 括前置放大器、滤波整形电路以及精密有效值转换电路，所述前置放大器的输入端与各通 道光电探测器的输出端连接，输出端经滤波整形电路连接精密有效值转换电路的输入端， 精密有效值转换电路的输出端与数据采集与控制单元连接。
5. 如权利要求1所述多通道光学溶解氧测量装置，其特征在于：所述密封外壳的材质 为不锈钢或防水高分子材料。
【专利摘要】本实用新型公开了一种多通道光学溶解氧测量装置，该装置包括密封外壳，以及设置于密封外壳内部的激发光源模块、荧光产生模块、多通道荧光接收模块、信号处理单元、数据采集与控制单元，设置于密封外壳外部的计算机处理单元，多通道荧光接收模块包括三个相同的荧光接收通道，三个荧光接收通道的荧光接收角度分别为与荧光产生模块所在平面成45度、60度、90度，且三个荧光接收通道位于同一平面，相互隔离。本实用新型采用多个荧光接收通道，提高了荧光的接收效率，另外，利用每两个通道的荧光强度比值，实现该比值与氧浓度间的对应关系，克服了现有的基于荧光强度检测法易受光源不稳所带来测量误差的劣势，使得溶解氧测量结果更加准确。
【IPC分类】G01N21-64
【公开号】CN204613109
【申请号】CN201520343626
【发明人】常建华, 朱成刚, 孔春霞
【申请人】南京信息工程大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月25日