一种自适应磷光氧浓度测量装置及其测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了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。本发明专利技术解决了现有室温磷光法无法实现连续的0

【技术实现步骤摘要】
一种自适应磷光氧浓度测量装置及其测量方法


[0001]本专利技术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


技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术的技术方法：
[0007]本专利技术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；
[0008]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。
[0009]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
°
。
[0010]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。
[0011]进一步限定，进气孔14和出气孔15均设有滤网。
[0012]进一步限定，5个LED灯1的功率相同，且发光波长均为405nm。
[0013]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
°
。
[0014]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。
[0015]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
‑1、6.535kPa
‑1、1.023kPa
‑1、0.347kPa
‑1和0.076kPa
‑1。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]进一步限定，短波通滤光片5透过波长为小于450nm。
[0019]进一步限定，长波通滤光片9透过波长为大于500nm。
[0020]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。
[0021]进一步限定，带通滤光片13透过波长为640～660nm。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]进一步限定，透明密封挡板11的材质为高透光亚克力。
[0027]本专利技术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：
[0028]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
‑1的氧探针先工作，然后经过位于第4个氧探针下方的凸透镜2汇聚进入第二探测器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，LED灯1持续工作3s后，基于Stern
‑
Volmer方程，得到氧浓度为C0；
[0029]S2，根据S1得出的氧浓度C0，利用微处理单元控制电控开关使与氧浓度C0适用量程氧探针8对应的LED灯1工作；
[0030]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
p0
进行实时校正；
[0031][0032]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；
[0033]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；
[0034]S5，重复S3和S4，使氧探针在自适应调整中测量。
[0035]进一步限定，Stern
‑
Volmer方程为：
[0036][0037]式中，I
p
代表有氧条件下的磷光强度；I
p0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应磷光氧浓度测量装置，其特征在于，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，每个LED灯的下方依次对应设置一个凸透镜和一个分光镜，相邻分光镜放置角度不同，上腔侧壁设有第一探测器，且在第一探测器的窗口设有短波通滤光片；上腔与中腔采用挡光密封板分隔，且在挡光密封板上与LED灯对应位置为透明隔板，中腔内与上腔LED灯对应位置设置氧探针，相邻氧探针放置角度和量程不同，且每个氧探针的下方依次设有长波通滤光片和凸透镜，中腔相对的两个侧壁上分别开有进气孔和出气孔；中腔与下腔采用透明密封挡板分隔，下腔底部设有第二探测器，且在第二探测器的窗口设有带通滤光片；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。2.根据权利要求1所述的自适应磷光氧浓度测量装置，其特征在于，上腔内从近进气孔端开始分光镜与竖直线的夹角依次为55
°
、60
°
、65
°
、75
°
和80
°
。3.根据权利要求1所述的自适应磷光氧浓度测量装置，其特征在于，出气孔与第一探测器位于长方暗盒的同一内侧壁上；5个LED灯的功率相同，且发光波长均为405nm。4.根据权利要求1所述的自适应磷光氧浓度测量装置，其特征在于，中腔内从近进气孔端开始氧探针与竖直线的夹角依次为126
°
、108
°
、90
°
、72
°
和54
°
。5.根据权利要求1所述的自适应磷光氧浓度测量装置，其特征在于，中腔内从近进气孔端开始氧探针的灵敏度依次为32.73kPa
‑1、6.535kPa
‑1、1.023kPa
‑1、0.347kPa
‑1和0.076kPa
‑1。6.根据权利要求1所述的自适应磷光氧浓度测量装置，其特征在于，LED灯与其下方对应设置的凸透镜的距离为30mm；氧探针与其下方对应设置的凸透镜的垂直距离为30mm。7.根据权利要求1所述的自适应磷光氧浓度测量装置，其特征在于，短波通滤光片透过波长小于450nm，长波通滤光片透过波长...

【专利技术属性】
技术研发人员：张治国，王永达，孙志洋，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：