專利名稱：水下實時光學溶解氧測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于海洋生態(tài)環(huán)境水體、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水質(zhì)及其他污染水體中溶解氧監(jiān)測的水下實時光學溶解氧測量裝置。
背景技術：
隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，各種工業(yè)廢水，生活污水，過量施用化肥，農(nóng)藥等對環(huán)境的污染加劇，尤其是水體污染成為人們關心的焦點。作為水質(zhì)的指示標準—溶解氧的測定地位越來重要，特別是水體溶解氧的現(xiàn)場快速測量更為重要。目前測量水體溶解氧的國家標準方法是winkler碘量法，此法不但存在需消耗大量的樣品，而且耗時長，不能現(xiàn)場實時監(jiān)測。另一種可以現(xiàn)場檢測溶解氧濃度的電極類型傳感器，如比色法、主次波長分光法、伏安法、氯化鋯微量氧分析儀以及聚苯乙烯陰離子交換膜電化學氧傳感器等都是基于電極類型的氧傳感器。但由于信號電流從產(chǎn)生到達平衡的過程緩慢，限制了測量速度；而且電極的透氣膜容易老化，以及它需要依靠電極本身的氧化還原反應來測定氧的濃度，測定過程中需消耗被測樣品的氧，因此它的測量精確度和響應時間都受到擴散系數(shù)的嚴重約束、是這類方法的主要缺陷。
近年來出現(xiàn)的以多環(huán)芳烴熒光猝滅技術和光纖技術為基礎的光纖氧測量裝置，是將產(chǎn)生的可被氧分子猝滅的熒光試劑制成氧傳感膜耦合于光纖端部，采用發(fā)光二極管為熒光激發(fā)光源，與光電二極管檢測系統(tǒng)結(jié)合，得到了可用于現(xiàn)場檢測水體中溶解氧的光纖氧測量裝置。但是，該裝置需用價格昂貴的石英光纖束進行光傳輸，又在現(xiàn)場測量時，其裝置繁多(有水上控制器和水下傳感器以及連接水上部分和水下部分的繁長的光傳輸光纜和電纜)。且測量時需人員進行操作，不能全天時、全天候進行監(jiān)測，不適合海洋較深層測量及惡劣海況(大風浪)環(huán)境中工作。因此其廣泛的應用受到一定程度的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種不需水下電纜和光纜作傳輸載體的全自動自容式水下實時光學溶解氧測量裝置。
本發(fā)明是對已有光纖溶解氧測量裝置的改進，主要是用小角度雙激發(fā)光及后向熒光接收光學系統(tǒng)替代已有的光纖氧測量裝置中的繁長的水下電纜或價格昂貴的石英光纜，以及適應于較深層和惡劣海況海洋環(huán)境測量的百葉窗式光陷阱遮光罩與水下密封圓形殼體，集已有光纖氧測量裝置的水上控制機箱、傳輸光纜和水下溶解氧測量探頭的全部相應功能于本發(fā)明中。
本發(fā)明的技術構(gòu)思是將常規(guī)的熒光激發(fā)光路與接收光路成“十字交叉”的直角型光學透鏡系統(tǒng)，專門設計為小角度α為8°～12°雙激發(fā)光及后向熒光接收光學系統(tǒng)，以縮小體積，減輕重量，又提高了激發(fā)光強度，從而提高了檢測靈敏度，擴展了測量動態(tài)范圍。同時在水下又由于采用全自動自容式、含程序的單片機而無需繁長的昂貴的石英光纜或電纜，即實現(xiàn)水下溶解氧測量探頭脫機獨立工作；此外，在該裝置內(nèi)還設有一個進行溫度補償?shù)臏囟葌鞲衅?，使其測量精確度不因溫度漂移而變化，提高了測量精確度。
本發(fā)明包括可以脫機(PC機)獨立工作的水下溶解氧測量探頭(簡稱探頭)和可以與之相連接的數(shù)據(jù)處理顯示的PC機兩大部分，如圖1連接圖2而成。具體說本發(fā)明包括密封殼體中光源在內(nèi)的熒光激發(fā)系統(tǒng)、含光電探測器、濾光片、透鏡組的熒光接收系統(tǒng)，調(diào)制解調(diào)放大電路板，電池組、探測器電路板、與含程序控制的單片機構(gòu)成的熒光測量電學系統(tǒng)，以及含氧傳感膜片在內(nèi)的溶解氧傳感器和數(shù)據(jù)處理的PC機，其特征是它還包括一個固定在連接座上方溫度傳感器，且溶解氧傳感器是有兩個激發(fā)光源的一個水下溶解氧測量傳感因此，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)單一簡裝、體積小、重量輕、便攜、操作方便、靈敏度和精確度高、動態(tài)范圍寬、抗電磁干擾性強、抗振動和沖擊等特點，并能在較深層和惡劣海況環(huán)境下全天時、全天候工作，對傳統(tǒng)的溶解氧測量儀和光纖氧測量裝置起到擴展和提高作用。在不少情況下能完成它們很難完成，甚至不可能完成的任務。又由于體積小、重量輕、使其與其他海洋監(jiān)測儀器一起集成為多海洋生態(tài)環(huán)境檢測系統(tǒng)成為可能，以擴大其測量和應用范圍。本發(fā)明還具有生產(chǎn)制作簡單，價格低廉的優(yōu)點。


下面結(jié)合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明。
圖1本發(fā)明的水下溶解氧測量探頭結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明的手持式單片機及與圖1連接的示意圖。
圖3本發(fā)明的氧傳感器的結(jié)構(gòu)分解示意圖。
圖4本發(fā)明的百葉窗式光陷阱分解結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5本發(fā)明的氧傳感膜片與密封窗口玻璃片膠合結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1、光源；2、玻璃片；3、氧傳感膜片；4、透鏡組；5、濾光片；6、光電探測器；7、放大電路板；8、電池組；9、水密封通訊接口；10、吊掛把手；11、配重吊掛環(huán)；12、探測器電路板；13、單片機；14、溫度傳感器；15、遮光探測腔體；16、消光腔體；17、顯示屏；18按鍵19、通訊接口；20、通訊電纜；21、連接座；22、長螺桿；23、遮光帽；24、墊柱；25、熒光測量光學裝置；26、光陷阱；27、保護套；28PC機、；29、溶解氧傳感器；具體實施方式
如圖1、圖2，本發(fā)明包括密封殼體中光源1在內(nèi)的熒光激發(fā)系統(tǒng)、含光電探測器6、濾光片5、透鏡組4的熒光接收系統(tǒng)，調(diào)制解調(diào)放大電路板7，電池組8、探測器電路板12、與含程序控制的單片機13構(gòu)成的熒光測量電學系統(tǒng)，以及含氧傳感膜片3的溶解氧傳感器29和數(shù)據(jù)處理的PC機28，其特征是它還包括一個固定在連接座21上方溫度傳感器14，且溶解氧傳感器29是有兩個激發(fā)光源的一個水下溶解氧測量傳感器。
如圖1，圖3，圖4，上述溶解氧傳感器29，包括熒光激發(fā)系統(tǒng)，熒光接收系統(tǒng)和通光窗口水密玻璃片2，以及緊粘貼于其上的氧傳感膜片3，安裝一個光陷阱26于殼體下端部的連接座21上。該光陷阱26可由連接座21及其下面的以墊柱24相間隔，長螺桿22固定的多個遮光帽23串成的遮光探測腔體15，是一個類似遮光百葉窗樣式的柱狀腔體。即用三根長螺桿22間隔穿過墊柱24和遮光帽23上的孔，固緊在連接座21下面的螺孔內(nèi)。進一步考慮到水下現(xiàn)場測量的消光效果，上述溶解氧傳感器29，還可在柱狀遮光探測腔體15的腔室的下端再安裝一個雙層平頭圓錐形消光腔體16，此雙層平頭圓錐腔體的壁體和底壁相錯有若干小孔，以更好地保證水體及時交換和消光效果。
上述光源1為兩只藍光發(fā)光二極管，光源1的中心波長為460nm的單一波長光源，型號為XH-383BC-02，因此省去已有的光源1之前的透鏡與濾光片組成的光學系統(tǒng)。
如圖3，上述光源1的中軸線為與線路板10的法線成α為8°～12°小角度固定在探測器電路板12上。從儀器的整體設計來說，傾斜角過大，勢必需增大儀器的徑向尺寸，不利于小型化；傾斜角過小，容易造成460nm發(fā)射光在窗鏡上的反射光線進入熒光接收透鏡組4的鏡筒內(nèi)，形成噪聲干擾(雖有濾光片的阻擋，也要避免)；光電探測器6的型號為OPT-301，該光電探測器6垂直安裝在探測器電路板12上，。溫度傳感器14為一熱敏電阻，型號為SJMFE-395-103F。
本發(fā)明由兩個激發(fā)光源1構(gòu)成熒光激發(fā)系統(tǒng)；由接收透鏡組4，濾光片5，探測器6構(gòu)成熒光接收系統(tǒng)；由氧傳感膜片3，通光玻璃片構(gòu)成與被探測水體接觸的通光密封玻璃窗口，熒光激發(fā)系統(tǒng)的兩個激發(fā)光源1以8°～12°的小角度固定在殼體探測端的探測器電路板12上，即由兩個LED藍光發(fā)光二極管的激發(fā)光源1照射在膠合于密封玻璃片2下端的接觸被測水體的氧傳感膜片3上，而激發(fā)氧傳感膜片3所產(chǎn)生的隨水體中溶解氧的增加而減弱的熒光信號，則被垂直安裝在探測器電路板12上的集成光電二極管的光電探測器6所檢測。而熒光接收系統(tǒng)沿殼體中心軸線固定在探測器電路板12上，以及光源調(diào)制和信號同步解調(diào)放大電路板7和信號采集處理的程序控制單片機13，并連接直流12V電池組8，構(gòu)成水下電源供給和自動控制系統(tǒng)。上述光電探測器6型號為OPT-301。又在探頭的頂端上設有水密封通訊接口9，該水密封通訊接口9是在其投放前PC機28進行水下操作程序輸入，并在回收后將測量數(shù)據(jù)回放處理。該手持式單片機與水下溶解氧測量探頭連接，可用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的淺水域的水質(zhì)作溶解氧和水溫的瞬時測量，此時上述PC機28可用手持式單片機來替代，即上述PC機28是手持式單片機。，光陷阱26由百葉窗式遮光腔體15與雙層平頭圓錐消光腔體16通過三根連接長螺桿22連接而成，它既能消除外界干擾和激發(fā)光的散射光，又能及時交換被探測水體。
將該光陷阱26的三根長螺桿22固緊于熒光測量光學裝置25上的連接座21上。
如圖1，為了現(xiàn)場測量投放吊掛方便，還在探頭的頂端加裝吊掛把手10及在探頭的末端消光腔體16的底部中心固裝一個配重吊環(huán)圓環(huán)11，如圖3，以吊掛配重物所用。
如圖5的氧傳感膜片3與窗口玻璃片2膠合在一起后以膠合保護套27封之成一體。
當本發(fā)明進行現(xiàn)場水域測量時，只需將頂端的水密封通訊接口9的密封蓋打開，接入通訊電纜20與PC機28連通，根據(jù)現(xiàn)場測量需求輸入操作程序，去掉通訊電纜20，然后固緊水密封通訊接口9上的密封蓋，將其投放到已定水層，即可按要求進行測量工作。測量完畢，自動斷電關機，回收后再與PC機28聯(lián)通，回放測量數(shù)據(jù)資料，進行測量數(shù)據(jù)處理即可。
在水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)現(xiàn)場進行實時檢測時，利用如圖2的手持單片機，它有用于顯示溶解氧和水溫顯示屏17，按鍵18，通訊接口19，只要由一根數(shù)米長的通訊電纜20與水密封通訊接口9連接即可進行現(xiàn)場實時檢測。
此外，已有光纖氧測量裝置在海上現(xiàn)場測量時，隨時需人員進行操作，而本發(fā)明則勿需人員現(xiàn)場操作，而可完成全過程的測量工作，因此，它能運用于大風浪惡劣海況條件下測量，達到以往不能完成的任務。
權(quán)利要求
1.水下實時光學溶解氧測量裝置，包括密封殼體中光源(1)在內(nèi)的熒光激發(fā)系統(tǒng)、含光電探測器(6)、濾光片(5)、透鏡組(4)的熒光接收系統(tǒng)，調(diào)制解調(diào)放大電路板(7)，電池組(8)、探測器電路板(12)、與含程序控制的單片機(13)構(gòu)成的熒光測量電學系統(tǒng)，以及含氧傳感膜片(3)的溶解氧傳感器(29)和數(shù)據(jù)處理的PC機(28)，其特征是它還包括一個固定在連接座(21)上方溫度傳感器(14)，且溶解氧傳感器(29)是有兩個激發(fā)光源(1)的一個水下溶解氧測量傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的水下實時光學溶解氧測量裝置，其特征是上述溶解氧傳感器(29)是包括有兩個激發(fā)光源(1)且成小角度8°-12°的雙激發(fā)光構(gòu)成的熒光激發(fā)系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求1所述的水下實時光學溶解氧測量裝置，其特征是上述熒光測量裝置(25)下部安裝一個光陷阱(26)。
4.如權(quán)利要求3所述的水下實時光學溶解氧測量裝置，其特征是所述的光陷阱(26)是由連接座(21)下面的以墊柱(24)相間隔的多個遮光帽(23)，用長螺桿(22)串成遮光探測腔體(15)和消光腔體(16)固定在連接座(21)上。
5.如權(quán)利要求1所述的水下實時光學溶解氧測量裝置，其特征是上述PC機(28)是一個單片機。
6.如權(quán)利要求1所述的水下實時光學溶解氧測量裝置，其特征是上述光電探測器(6)為垂直安裝在探測器電路板(12)上的集成光電二極管。
7.如權(quán)利要求1所述的水下實時光學溶解氧測量裝置，其特征是上述氧傳感膜片(3)與密封窗口玻璃片(2)膠合在一起后以膠合保護套(27)封之成一體。
8.如權(quán)利要求4所述的水下實時光學溶解氧測量裝置，其特征是上述消光腔體(16)的底部中心固裝一個配重吊環(huán)圓環(huán)(11)。
9.如權(quán)利要求1所述的水下實時光學溶解氧測量裝置，其特征是上述光源(1)為兩只藍光發(fā)光二極管。
全文摘要
一種水下實時光學溶解氧測量裝置，包括密封機殼中光源在內(nèi)的熒光激發(fā)系統(tǒng)，含光電探測器、濾光片、透鏡組的熒光接收系統(tǒng)，電路板與含程序控制的單片機構(gòu)成的熒光測量裝置，以及溶解氧傳感器和PC機，其特征是它還包括一個溫度傳感器，且溶解氧傳感器是有兩個激發(fā)光源的水下溶解氧測量傳感器。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、體積小、重量輕、操作方便、靈敏度和精確度高、動態(tài)范圍寬、抗電磁干擾性強、抗振動和沖擊等特點。原有光纖氧測量裝置在海上現(xiàn)場測量時，隨時需人員進行操作，而本發(fā)明勿需人員現(xiàn)場操作即可完成全過程的測量工作，因此，它能運用于大風浪惡劣海況條件下測量。
文檔編號G01N21/64GK1731154SQ200510044440
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月17日
發(fā)明者荊淼, 蘭舉生, 曹為, 王進祖, 李文龍, 鮑建, 夏達英, 徐之海, 王文舉, 蘭魯光 申請人:國家海洋局第一海洋研究所, 中國科學院安徽光學精密機械研究所