專利名稱：在線測量生物量濃度的光纖傳感器系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感器系統，具體涉及在線測量生物量濃度的光纖傳感器系統。
背景技術：
在工業生化反應處理過程中，生物菌液的儲存和使用時，對菌液的生物量濃度進行在線測量有著大量的需求，當菌液的生物量濃度不同時，其光的折射率不同，光在生物量濃度的溶液中傳輸，其光傳輸參量會發生變化，隨著菌液濃度的不斷增加，出射光強不斷減弱，當光纖傳感器外部的菌液的濃度發生改變時，菌液中光的吸收系數以及散射系數都會隨之發生變化，從而可對不同菌液的生物量濃度進行在線測量，將該方法和技術應用于一般液體濃度的在線測量，有文獻報道。但是，該方法應用于菌液的生物量濃度的在線測量的研究，未見文獻報道。另外，現有技術中使用的光纖傳感器的光耦合光程是固定的，對于不同的溶液需要特定的光纖傳感器，同一光纖傳感器無法適應不同溶液濃度測量的需要。
另外，目前可用于測試溶液濃度的化學儀器主要是分光光度計，這種化學儀器結構復雜，價格高，體積大，不能很好地實現在線測量。
發明內容
針對上述已有技術存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題在于提供適用范圍廣、顯示直觀的在線測量生物量濃度的光纖傳感器系統。
為了解決上述技術問題，根據本發明的一個技術方案，一種在線測量生物量濃度的光纖傳感器系統，由光纖傳感器、光電轉換裝置、數據處理顯示單元構成，其中光纖傳感器包括外殼、光纖探頭，所述光纖探頭由入射光纖和接收光纖構成，在入射光纖的前端有準值透鏡，在接收光纖的前端有聚焦透鏡；光電轉換裝置將接收光纖輸出的光信號轉換成電信號輸入到數據處理顯示單元；數據處理顯示單元將電信號轉換成生物量溶液濃度數據并顯示；所述外殼內有通孔，在通孔的中部有臺階，所述光纖探頭插入通孔中并通過通孔的臺階在垂直方向定位，所述光纖探頭與外殼之間經耐腐蝕的螺釘徑向固定，在外殼靠近底部部位開有窗口，同時在外殼底部安裝有反射三棱鏡，所述光纖傳感器可以根據不同的待測溶液調整光纖探頭在垂直方向的位置，由此可以改變光纖傳感器的光耦合光程，使靈敏度達到最佳狀態，使同一光纖傳感器可適用于不同的溶液；外殼靠近底部部位開的窗口是為了被測溶液進入光纖傳感器，準值透鏡5可使光線變成平行光束與反射界面處有較大的接觸面，從而使光纖傳感器對被測溶液有較高靈敏度和較好的線性特性，反射三棱鏡9使光強產生兩次衰減，相當于對溶液的濃度信號起到了放大作用，從而使該傳感器有較高靈敏度。
根據本發明所述的在線測量生物量濃度的光纖傳感器系統的一個優選方案，所述數據處理顯示單元由信號放大電路、A/D轉換電路、單片機系統電路、顯示電路構成，其中信號放大電路將光電轉換裝置輸出的電信號放大成標準模擬信號輸入到A/D轉換電路；A/D轉換電路將標準模擬信號轉換成數字信號輸入到單片機系統電路；
單片機系統電路接收A/D轉換電路輸出的數字信號，對數據進行處理與運算，使處理后的數據與生物量溶液濃度相對應；顯示電路進行生物量溶液濃度數據顯示。
根據本發明所述的在線測量生物量濃度的光纖傳感器系統的一個優選方案，所述光源是近紅外光源，波長為760nm。
根據本發明所述的在線測量生物量濃度的光纖傳感器系統的一個優選方案，所述反射三棱鏡是直角反射三棱鏡，所述直角反射三棱鏡的直角對應的邊與光纖探頭垂直，同時準值透鏡和聚焦透鏡的中心位置與光學反射三棱鏡的兩條直角邊的距離相等；由此入射光纖發出的光與反射鏡面成45度角經全反射到達另一個反射鏡面，所述光線也與另一反射鏡面呈45度角，同樣會形成全發射現象，將光線反射回到聚焦透鏡。
根據本發明所述的在線測量生物量濃度的光纖傳感器系統的一個優選方案，所述反射三棱鏡是等腰三角形的光學反射三棱鏡，并在光學反射三棱鏡的反射界面鍍一層膜，通過在反射三棱鏡的反射界面處進行鍍膜，使光線在反射界面處產生更好的全反射，提高了被測溶液以及溶液濃度的變化對反射光能衰減的影響，從而提高了測試精度。
下面是實驗驗證先配制不同濃度的生物菌懸液在10個三角燒瓶里分別放入4ml、8ml、12ml……36ml、40ml的生物菌原液(該原液已經在一定體積的燒杯中生長飽和)，然后加入在各燒杯中加入蒸餾水(不能用自來水、礦泉水或其他含雜質的水，否則燒杯中的生物菌有了營養會繁殖，影響測量結果；并且，水中的部分大顆粒雜質會對光源產生散射，影響實驗結果)混合配制成相同體積的菌懸液(實驗中體積為250ml)。再拿一個空燒瓶加入250ml蒸餾水作參考液。然后在11個燒瓶上分別貼上對應的標簽，放入冰箱待用。
測量不同濃度溶液的光電轉換輸出電壓將光纖傳感器放入燒杯中，在測試不同濃度溶液的時候，每測試完一種溶液就要把光纖傳感器放入蒸餾水里涮洗，當光纖傳感器放入燒瓶后要微微攪動，以加速微粒的擴散，使液晶顯示加速穩定。
下面的表是用光纖傳感器測量生物菌濃度時所記錄的三組數據
其中，測試室溫等于18℃；液體總體積為250ml；原液(生物菌液濃度最大時)所對應的電壓值V等于0.187v；其中V1、V2、V3分別為三次測量的濃度所對應的電壓值。
根據實驗數據記錄，由V1、V2、V3得到的平均值所繪制的曲線如圖4所示，根據這條曲線可以清楚的看到傳感器輸出電壓與生物菌液液濃度之間有著一一對應的關系，且隨著生物菌液濃度的增加而減小。在生物菌液濃度較小時傳感器輸出電壓與生物菌液體濃度之間存在著線性關系。而當生物菌液濃度較高時，傳感器輸出電壓會迅速減少，而最終趨近一穩定值。
另外，為了作一個對比，用分光光度計測試了各濃度的OD值(吸光度)，分光光度計選用的是620nm的可見光源，下表所示的就是是各濃度生物菌液所對應的OD值
其中，測試室溫等于18℃液體總體積等于250ml原液所對應的OD值等于1.505。
根據測試值繪制出如圖5所示的曲線，從曲線圖中可以看出，濃度越大，溶液吸收光的能力越強，即OD值隨著濃度的增大逐漸增大。
由實驗結果可得出如下結論①隨著生物菌液體濃度的增大，光纖傳感器的輸出電壓值減小，和理論相符。
②傳感器所測得曲線基本上和用分光光度計所測得的OD值變化趨勢基本上是可逆的，從而再次證明了此傳感器設計的正確性。
③從線性范圍方面看，在濃度4～28ml范圍內，線性好，在28ml以上衰減變陡，非線性現象明顯。
因此，利用本發明所述的光纖傳感器系統進行生物量濃度在4～28ml范圍內的測量是可行的，取得比較理想的效果。
本發明所述的測量鉛酸電池容量的光纖傳感器系統的有益效果是，可以根據不同的待測溶液調整光纖探頭在垂直方向的位置，由此可以改變光纖傳感器的光耦合光程，使靈敏度達到最佳狀態，使同一光纖傳感器可適用于不同的溶液，具有適應范圍廣、測量精度高、反應靈敏、顯示直觀、使用壽命長等優點，可廣泛應用于制劑、制酒、微量分析、生化、環保等行業。
下面結合附圖對本發明作詳細說明。
圖1是本發明所述的光纖傳感器的剖視圖。
圖2是本發明所述的光纖傳感器正視圖。
圖3是本發明所述的光纖傳感器系統框圖。
圖4是本發明所述的光纖傳感器系統測試的輸出電壓與生物量濃度關系曲線圖。
圖5是OD值(吸收光度)與生物量濃度之間的關系曲線圖。
具體實施例方式
參見圖1、圖2和圖3，在線測量生物量濃度的光纖傳感器系統由光纖傳感器20、光電轉換裝置14、數據處理顯示單元19構成，其中所述光纖傳感器13由外殼1、光纖探頭2、準值透鏡5、聚焦透鏡6、反射三棱鏡9構成，所述光纖探頭2由入射光纖3和接收光纖4構成，在入射光纖3的前端有準值透鏡5，在接收光纖4的前端有聚焦透鏡6，所述外殼1內有通孔7，在通孔7的中部有臺階8，所述光纖探頭2插入通孔7中并通過通孔7的臺階8在垂直方向定位，所述光纖探頭與外殼1之間經耐腐蝕的螺釘11徑向固定，在外殼1靠近底部部位開有窗口10，同時在外殼底部安裝有反射三棱鏡9；所述光纖傳感器20通過入射光纖3發出光，經過準值透鏡5-被測溶液-反射三棱鏡9-被測溶液-聚焦透鏡6后到達接收光纖4；光電轉換裝置14再將接收光纖4輸出的光信號轉換成電信號輸入到數據處理顯示單元19；數據處理顯示單元19將電信號轉換成生物量溶液濃度數據并顯示；所述數據處理顯示單元19由信號放大電路15、A/D轉換電路16、單片機系統電路17、顯示電路18構成，其中信號放大電路15將光電轉換裝置14發出的電信號放大成標準模擬信號輸入到A/D轉換電路16；A/D轉換電路16將標準模擬信號轉換成數字信號輸入到單片機系統電路17；單片機系統電路17接收A/D轉換電路16輸出的數字信號，對數據進行處理與運算，使處理后的數據與生物量溶液濃度相對應；顯示電路18進行生物量溶液濃度數據顯示。
所述反射三棱鏡9可以選擇直角反射三棱鏡，所述直角反射三棱鏡的直角對應的邊與光纖探頭垂直，同時準值透鏡5和聚焦透鏡6的中心位置與光學反射三棱鏡的兩條直角邊的距離相等；反射三棱鏡的材料選用耐腐蝕的陶瓷或玻璃；其中，所述反射三棱鏡9可以選用等腰三角形的光學反射三棱鏡，并在光學反射三棱鏡的反射界面鍍一層膜；可以選用反射三棱鏡為玻璃鏡，玻璃耐腐蝕，光的反射性好。同時將反射三棱鏡9通過防腐蝕的螺釘12與外殼1固定，或者通過粘接劑粘貼在外殼1的內底部，為便于安裝，在所述外殼上端部設置安裝頭，安裝頭與外殼一體。
選擇光纖傳感器光源的波長為760nm，將光纖傳感器的入射光纖3和接收光纖4連接光電轉換裝置14，同時將光電轉換裝置14、信號放大電路15、A/D轉換電路16、單片機系統電路17、顯示電路18順序連接，將光纖傳感器放入被測溶液中，將外殼1上端部設置的安裝頭13固定在盛被測溶液的殼體上，所述被測溶液通過光纖傳感器外殼上的窗口10浸入光纖傳感器，光經過入射光纖3進入準值透鏡5，準值透鏡5使光線全部聚焦形成平行光線經過被測溶液發射到反射三棱鏡9，反射三棱鏡9將接收到的光進行2次反射后再次經過被測溶液傳輸到聚焦透鏡6，聚焦透鏡6接收反射棱鏡9反射的光并進行聚焦，發射給接收光纖4，接收光纖將光輸出到光電轉換裝置14將光信號轉換成電信號輸入到信號放大電路15，信號放大電路15將電壓放大后輸入到A/D轉換電路16轉換成數字信號，單片機系統電路17接收A/D轉換電路輸出的數字信號，對數據進行處理與運算，使處理后的數據與蓄電池容量相對應，顯示電路18實現數據動態顯示；當被測液體濃度發生改變時，液體的光的吸收系數以及散射系數都會隨之發生變化，接收光纖輸出的光強會隨之發生變化，光電轉換裝置14輸出的電壓信號隨之發生變化，由此測試出溶液的濃度的變化，同時可以根據不同的待測溶液調整光纖探頭2在垂直方向的位置，由此可以改變光纖傳感器的光耦合光程，使靈敏度達到最佳狀態，使同一光纖傳感器可適用于不同的溶液。
權利要求
1.一種在線測量生物量濃度的光纖傳感器系統，由光纖傳感器(20)、光電轉換裝置(14)、數據處理顯示單元(19)構成，其中光纖傳感器(20)包括外殼(1)、光纖探頭(2)，所述光纖探頭(2)由入射光纖(3)和接收光纖(4)構成，在入射光纖(3)的前端有準值透鏡(5)，在接收光纖(4)的前端有聚焦透鏡(6)；光電轉換裝置(14)將接收光纖(4)輸出的光信號轉換成電信號輸入到數據處理顯示單元(19)；數據處理顯示單元(19)將電信號轉換成生物量溶液濃度數據并顯示；其特征在于所述外殼(1)內有通孔(7)，在通孔(7)的中部有臺階(8)，所述光纖探頭(2)插入通孔(7)中并通過通孔(7)的臺階(8)在垂直方向定位，所述光纖探頭與外殼(1)之間經耐腐蝕的螺釘(11)徑向固定，在外殼(1)靠近底部部位開有窗口(10)，同時在外殼(1)底部安裝有反射三棱鏡(9)。
2.根據權利要求1所述的在線測量生物量濃度的光纖傳感器系統，其特征在于所述數據處理顯示單元(19)由信號放大電路(15)、A/D轉換電路(16)、單片機系統電路(17)、顯示電路(18)構成，其中信號放大電路(15)將光電轉換裝置(14)輸出的電信號放大成標準模擬信號輸入到A/D轉換路(16)；A/D轉換電路(16)將標準模擬信號轉換成數字信號輸入到單片機系統電路(17)；單片機系統電路(17)接收A/D轉換電路(16)輸出的數字信號，對數據進行處理與運算，使處理后的數據與生物量溶液濃度相對應；顯示電路(18)進行生物量溶液濃度數據顯示。
3.根據權利要求1或2所述的在線測量生物量濃度的光纖傳感器系統，其特征在于所述入射光纖(3)的光源的波長是760nm。
4.根據權利要求3所述的在線測量生物量濃度的光纖傳感器系統，其特征在于所述反射三棱鏡(9)是直角反射三棱鏡，所述直角反射三棱鏡的直角對應的邊與光纖探頭(2)垂直，同時準值透鏡(5)和聚焦透鏡(6)的中心位置與直角反射三棱鏡的兩條直角邊的距離相等。
5.根據權利要求4所述的在線測量生物量濃度的光纖傳感器系統，其特征在于所述反射三棱鏡(9)是等腰三角形的光學反射三棱鏡，并在光學反射三棱鏡的反射界面鍍一層膜。
全文摘要
一種在線測量生物量濃度的光纖傳感器系統，由光纖傳感器、光電轉換裝置、數據處理顯示單元構成，其中光纖傳感器包括外殼、光纖探頭，所述光纖探頭由入射光纖和接收光纖構成，在入射光纖的前端有準值透鏡，在接收光纖的前端有聚焦透鏡；其特征在于所述外殼內有通孔，在通孔的中部有臺階，所述光纖探頭插入通孔中并通過通孔的臺階在垂直方向定位，所述光纖探頭與外殼之間經耐腐蝕的螺釘徑向固定，在外殼靠近底部部位開有窗口，同時在外殼底部安裝有反射三棱鏡，本發明可以根據不同的待測溶液調整光纖探頭在垂直方向的位置，由此可以改變光纖傳感器的光耦合光程，使同一光纖傳感器可適用于不同的生物菌液的生物量濃度測量。
文檔編號G01N21/84GK101042327SQ20071007825
公開日2007年9月26日 申請日期2007年3月2日 優先權日2007年3月2日
發明者趙明富, 廖強, 劉江華, 龍潔, 陳艷 申請人:重慶工學院