一种自适应磷光氧浓度测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种自适应磷光氧浓度测量装置及其测量方法，属于磷光法测量氧浓度技术领域。

背景技术

氧气是地球赖以生存的重要物质之一，环境中氧含量影响着生物体的生命活动，因此对环境中氧气浓度的监测十分重要。现有氧测量技术主要包括winkler滴定法、电化学检测方法及室温磷光法，其中winkler滴定法只适用于溶解氧的测量，电化学传感器通常带有一系列交叉敏感气体，这些气体会影响氧气的测量，而室温磷光法具有抗电磁干扰、无氧消耗等优点。

但是现有室温磷光法存在单一探针无法响应0-100％范围氧的变化及存在光漂白影响测量精度的问题，针对0-100％范围氧的测量，现有室温磷光法解决方案是根据测量范围更换不同氧探头，这使得该方法不适用浓度大幅度变化的环境内的氧监测。针对光漂白，现有方法一般通过在探针内加入还原试剂以减缓光漂白，但该方法的测量精度仍会随着时间的推移而逐渐下降。

综上，为了监测环境内的氧的大幅度变化，并保证氧测量精度，提供一种自适应磷光氧浓度测量装置及其测量方法是十分必要的。

发明内容

本发明为了解决现有室温磷光法无法实现连续的0-100％范围内氧测量，以及光漂白影响测量精度的问题，提供一种自适应磷光氧浓度测量装置及其测量方法。

本发明的技术方法：

本发明的目的之一是提供一种自适应磷光氧浓度测量装置，该装置包括光学检测模块和控制/信号处理模块，光学检测模块是分隔为上腔、中腔和下腔的长方体暗盒；上腔顶部设置5个LED灯1，每个LED灯1的下方依次对应设置一个凸透镜2和一个分光镜3，相邻分光镜3放置角度不同，上腔侧壁设有第一探测器4，且在第一探测器4的窗口设有短波通滤光片5；上腔与中腔采用挡光密封板6分隔，且在挡光密封板6上与LED灯1对应位置为透明隔板7，该透明隔板具有可见光高透特性。中腔内与上腔LED灯1对应位置设置氧探针8，相邻氧探针8灵敏度和放置角度不同，且每个氧探针8的下方依次设有长波通滤光片9和凸透镜2，中腔相对的两个侧壁上分别开有进气孔14和出气孔15；中腔与下腔采用透明密封挡板11分隔，下腔底部设有第二探测器12，且在第二探测器12的窗口设有带通滤光片13；

控制/信号处理模块包括电信号处理模组、电源模组和微处理单元，电源模组通过电控开关与电信号处理模组、微处理单元和LED连接并供电，电信号处理模组与第一探测器和第二探测器连接，微处理单元按照设定的测量程序控制电控开关，并处理从电信号处理模组处得到的数据，给出氧浓度测量结果。

进一步限定，上腔内从近进气孔14端开始分光镜3与竖直线的夹角依次为55°、60°、65°、75°和80°。

进一步限定，出气孔15与第一探测器4位于长方暗盒的同一内侧壁上。

进一步限定，进气孔14和出气孔15均设有滤网。

进一步限定，5个LED灯1的功率相同，且发光波长均为405nm。

进一步限定，中腔内从近进气孔14端开始氧探针8与竖直线的夹角依次为126°、108°、90°、72°和54°。

进一步限定，中腔内从近进气孔14端开始氧探针8的量程依次为0～0.05kPa、0.05～1kPa、1～5kPa、5～20kPa和20～100kPa。

进一步限定，中腔内从近进气孔14端开始氧探针8的灵敏度为32.73kPa

进一步限定，LED灯1与其下方对应设置的凸透镜2的距离为30mm。

进一步限定，氧探针8与其下方对应设置的凸透镜2的垂直距离为30mm。

进一步限定，短波通滤光片5透过波长为小于450nm。

进一步限定，长波通滤光片9透过波长为大于500nm。

更进一步限定，长波通滤光片9紧靠在对应氧探针8的正下方。

进一步限定，带通滤光片13透过波长为640～660nm。

进一步限定，电源模组包括一个3.5V恒压源，该恒压源由5个电控开关控制分别向5个LED灯1供电。

进一步限定，电源模组还包括一个5V直流电源，该直流电源对信号处理模块和微处理器供电。

进一步限定，第一探测器4和第二探测器12均为线阵CCD探测器。

更进一步限定，5个LED灯1平行放置，分布在一条直线，且该直线与第一探测器4所在直线垂直。

进一步限定，透明密封挡板11的材质为高透光亚克力。

本发明的目的之二是提供一种自适应磷光氧浓度测量方法，该方法使用上述自适应磷光氧浓度测量装置进行，具体的测量方法包括以下步骤：

S1，利用微处理单元控制电控开关给从近进气孔14端开始计数第4个LED灯1供电，LED灯1发出的光线经过其下方对应的凸透镜2转化为平行光束，该平行光束经过对应的分光镜3，一部分透过照射在从近进气孔14端开始计数第4个氧探针上，使灵敏度为0.347kPa

S2，根据S1得出的氧浓度C

S3，氧探针8工作时，利用公式1对Stern-Volmer方程中的磷光强度数值I

式中，K是不同氧浓度下磷光随时间的衰减得出光漂白校正系数，t表示工作时间，由微处理器的计时功能提供；

S4，当氧浓度超过工作的氧探针8量程的5％后，对应的LED灯1立即关闭，并根据关闭前的结果自动选择与适用量程氧探针8对应的LED灯1工作，校正函数也随之更新；

S5，重复S3和S4，使氧探针在自适应调整中测量。

进一步限定，Stern-Volmer方程为：

式中，I

有氧时，第二探测器12接收的氧探针8发出的磷光信号强度为I

无氧时，两者信号强度比记为光学参量OP

式中，I

由公式2～4可知；

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明通过设置多个不同灵敏度的氧探针，使得设备工作时无需人工干预和更换氧探针，同时结合测量方法中增加的光漂白校正算法，根据测量的氧浓度数值和已知的校正系数，可以对磷光强度作出实时校正，在以磷光强度作为关系参量的情况下，光漂白校正的加入可以减小测氧误差，使得测量过程中可以根据环境氧浓度自适应调整，实现0-100％范围氧的测量，使其可以应用于氧浓度大幅度变化的环境，同时还可延长传感器的使用寿命。

附图说明

图1为本发明提供的自适应磷光氧浓度测量装置的原理图；

图2为光学检测模块的结构示意图；

图3为从近进气孔端开始计数第4个氧探针的浓度定标曲线；

图4为从近进气孔端开始计数第4个氧探针的校正系数与氧浓度的关系；

图5为从近进气孔端开始计数第4个氧探针在不同氧浓度下的实际测量结果；

图中1-LED灯，2-凸透镜，3-分光镜，4-第一探测器，5-短波通滤光片，6-挡光密封板，7-透明隔板，8-氧探针，9-长波通滤光片，11-透明密封挡板，12-第二探测器，13-带通滤光片，14-进气孔，15-出气孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

参照图1和2具体说明本实施例，本实施例自适应磷光氧浓度测量方法基于下述装置实现，该装置仪器壳体包含上、下两层结构，上层是光学检测模块，下层是控制/信号处理模块，如图2所示，具体的光学检测模块是分隔为上腔、中腔和下腔的长方体暗盒。

上腔顶部设置5个LED灯1，从左到右依计数为第一个LED灯，第二个LED灯，第三个LED灯，第四个LED灯和第五个LED灯，5个LED灯的功率相同，且发光波长均为405nm，5个LED灯1平行放置，且每个LED灯1的下方依次对应设置一个凸透镜2和一个分光镜3，LED灯1与其下方对应设置的凸透镜2的距离为30mm，且相邻分光镜3放置角度不同，从左到右分光镜3与垂直线的夹角分别为55°、60°、65°、75°和80°，如此设置，使LED灯1发出的光线经过其下方对应的凸透镜2转化为平行光束后，该光束经过对应的分光镜3，可以保证一部分反射后可以被第一探测器4接收。上腔侧壁设有第一探测器4，第一探测器4为线阵CCD探测器，5个LED灯1平行分布在一条直线，且该直线与第一探测器4所在直线垂直，在第一探测器4的窗口设有短波通滤光片5，该短波通滤光片5的透过波长为大于450nm。

上腔与中腔采用挡光密封板6分隔，且在挡光密封板6上与LED灯1对应位置为透明隔板7，中腔内与上腔LED灯1对应位置设置氧探针8，相邻氧探针8放置角度和量程不同，具体的从左到右将氧探针8依计数为氧探针A、氧探针B、氧探针C、氧探针D和氧探针E，氧探针A～E的依次为0～0.05kPa、0.05～1kPa、1～5kPa、5～20kPa和20～100kPa，灵敏度为32.73kPa

中腔与下腔采用透明密封挡板11分隔，透明密封挡板11的材质为高透光亚克力，下腔底部设有第二探测器12，且在第二探测器12的窗口设有透过波长为640～660nm的带通滤光片13。如此设置，透明密封挡板11将氧探针8及与其下方对应设置的凸透镜2隔离在条形区域内，便于气体快速吹扫氧探针8表面。

控制/信号处理模块包括电信号处理模组、电源模组和微处理单元，电源模组包括一个3.5V恒压源，该恒压源由5个电控开关控制分别向5个LED灯1供电，电源模组还包括一个5V直流电源，该直流电源对信号处理模块和微处理器供电，电信号处理模组与第一探测器和第二探测器连接，电信号处理模组负责将电流信号作进一步处理，并进行适当放大和滤波，微处理单元负责电信号的接收和数字化处理，并依靠软件完成自动测量和算法运行，具体的微处理单元按照设定的测量程序控制电控开关，并处理从电信号处理模组处得到的数据，给出氧浓度测量结果。

本实施例自适应磷光氧浓度测量方法的具体操作步骤如下：

S1，由于氧探针D的响应范围最大，因此首先利用氧探针D对氧浓度进行初步测量。利用微处理单元控制电控开关使恒压源给第四个LED灯供电，第四个LED灯发出的光线经过其下方对应的凸透镜2转化为平行光束，该平行光束经过对应的分光镜3，一部分透过照射在氧探针D上，然后经过位于氧探针D下方的凸透镜2汇聚经过透过波长为640～660nm带通滤光片13进入第二探测器12的窗口，另一部分被反射经过短波通滤光片5后进入第一探测器4的窗口，第四个LED灯持续工作3s后，基于Stern-Volmer方程，得到氧浓度为C

Stern-Volmer方程为：

式中，I

有氧时，第二探测器12接收的氧探针8发出的磷光信号强度为I

无氧时，两者信号强度比记为光学参量OP

式中，I

由公式2～4可知；

根据公式5计算得到氧浓度C，即为C

S2，根据S1得出的氧浓度C

S3，氧探针8工作时，利用公式1对Stern-Volmer方程中的磷光强度数值I

I′

式中，K是不同氧浓度下磷光随时间的衰减得出光漂白速率光漂白校正系数，t表示工作时间，由微处理器的计时功能提供。

S4，当氧浓度超过工作的氧探针8量程的5％后，对应的LED灯1立即关闭，并根据关闭前的结果自动选择与适用量程氧探针8对应的LED灯1工作，校正函数也随之更新。

S5，重复S3和S4，使氧探针在自适应调整中测量。

实施例2：

具体的以探针D为例，说明氧探针的定标及光漂白校正方法。通过氮气和氧气的混合得到不同浓度的含氧气体，测量不同氧浓度下的光学参量，按照公式(5)确定定标曲线，氧探针D的浓度定标曲线如图3所示，两者呈线性关系。通过测量得到不同氧浓度下磷光随时间的衰减，利用公式(5)拟合衰减过程，曲线的斜率即为光漂白校正系数K，具体的不同氧浓度下磷光随时间的衰减得出校正系数K与氧浓度的关系如图4所示，两者符合的函数关系如公式(5)所示。

式中，a和b是影响因子，对于氧探针D，a、b的值分别是6.71×10

在氧探针D工作时，光漂白校正系数K会随氧浓度测量数值实时更新，并代入公式(4)对I

在氧探针D的量程范围内，利用实施例1的测量装置和测量方法检测气室中的氧浓度，调节氧气和氮气的比例以控制气室中的氧浓度，对0.6kPa、0.9kPa、1.2kPa、1.5kPa、1.8kPa、2.1kPa的氧浓度的测量结果如图5所示，结果表明本发明提供的方法测量的示值误差均小于2％。

最后应说明的是：以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。