一種基于led光源的溶解氧光電檢測探頭及溶解氧探測儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于LED光源的溶解氧光電檢測探頭及溶解氧探測儀，用于探測溶解氧，包括非透光殼體、LED光源、比色皿和光電探測器，所述比色皿可活動地設置在非透光殼體內，所述LED光源和光電探測器均嵌于非透光殼體的內壁，且LED光源發出的光束可穿過比色皿照射到光電探測器上，從LED光源引出電源導線，從光電探測器引出信號導線。本實用新型采用LED光源和光電探測器，成本低，和成百上千元的電極比起來成本相差幾個數量級；采用了比色皿的設計，測量精度高；小巧攜帶方便。
【專利說明】
一種基于LED光源的溶解氧光電檢測探頭及溶解氧探測儀
技術領域
[0001]本實用新型屬于光學傳感技術領域，尤其涉及一種運用了3mm LED光源和光電探測器組件構成的溶解氧光電檢測探頭。
【背景技術】
[0002]隨著工業的高速發展，人們生活需求的不斷增大，環境的人為污染日趨嚴峻。工農業生產及人民生活產生大量生產生活廢物和污水，這對地表、地下水資源造成了嚴重污染，在沒有監管條件下對環境造成的危害的事件也越來越多。水產養殖過程對水質好壞依賴性很強，養殖水泊遭到污染后，對水產品的產量和質量是有著十分顯著得影響的，所以對于養殖戶來說，水質檢測和控制是十分重要和迫切需要的，是水產養殖過程中必不可少的。本專利旨在設計一款易維護、低成本的水質檢測探頭，滿足大眾化的水質檢測需求，方便一般用戶在生產中生活中的水質的檢測。
[0003]溶解在水中的氧稱為溶解氧，溶解氧指的是以分子狀態存在于水中的氧，水中溶解氧量是水質重要指標之一。
[0004]水中溶解氧含量受到兩種作用的影響:一種是使溶解氧下降的耗氧作用，包括有機物降解的耗氧、生物耗氧；另一種是使溶解氧增加的復氧作用，主要有空氣中氧的溶解，水生植物的光合作用等。這兩種作用的相互消長，使水中溶解氧含量呈現出時空變化。
[0005]如果水中有機物含量較多，其耗氧速度超過氧的補給速度，則水中溶解氧量將不斷減少，當水體受到有機物的污染時，水中溶解氧量甚至可接近于零，這時有機物在缺氧條件下分解就出現腐敗發酵現象，使水質嚴重惡化。
[0006]為了檢測水中的溶解氧含量，目前常用的溶解氧檢測方法有以下幾種:
[0007]I)碘量法(等效于國際標準IS05813-1983)是測定水中溶解氧的基準方法，使用化學檢測方法，測量準確度高，是最早用于檢測溶解氧的方法。其原理是在水樣中加入硫酸錳和堿性碘化鉀，生成氫氧化錳沉淀。此時氫氧化錳性質極不穩定，迅速與水中溶解氧化合生成錳酸錳:加入濃硫酸使已化合的溶解氧(以MnMn03的形式存在)與溶液中所加入的碘化鉀發生反應而析出碘:再以淀粉作指示劑，用硫代硫酸鈉滴定釋放出的碘，來計算溶解氧的含量。
[0008]在沒有干擾的情況下，此方法適用于各種溶解氧濃度大于0.2mg/L和小于氧的飽和度兩倍(約20mg/L)的水樣。
[0009]2)電流測定法根據分子氧透過薄膜的擴散速率來測定水中溶解氧的含量。溶解氧電極的薄膜只能透過氣體，透過氣體中的氧氣擴散到電解液中，立即在陰極(正極)上發生還原反應:在陽極(負極)，如銀一氯化銀電極上發生氧化反應:產生的電流與氧氣的濃度成正比，通過測定此電流就可以得到溶解氧的濃度。
[0010]電流測定法的測量速度比碘量法要快，操作簡便，干擾少(不受水樣色度、濁度及化學滴定法中干擾物質的影響)，而且能夠現場自動連續檢測。
[0011 ] 3)分光光度法:往水中加入特定藥劑與溶解氧反應，使水體發生褪色，顯色或產生可顯色的中間產物，再通過分光光度法測量水中的溶解氧。
[0012]4)熒光猝滅法的測定是基于氧分子對熒光物質的猝滅效應原理，根據試樣溶液所發生的熒光的強度來測定試樣溶液中熒光物質的含量。通過利用光纖傳感器來實現光信號的傳輸，由于光纖傳感器具有體積小、重量輕、電絕緣性好、無電火花、安全、抗電磁干擾、靈敏度高、便于利用現有光通信技術組成遙測網絡等優點，對傳統的傳感器能起到擴展、提高的作用，在很多情況下能完成傳統的傳感器很難甚至不能完成的任務，因此非常適合于熒光的傳輸與檢測。
[0013]上述方法都存在各自的缺陷:碘量法操作復雜，使用化學藥品繁多，容易受水中雜質干擾;電流測定法速度較快，但是由于它的透氧膜和電極比較容易老化，當水樣中含藻類、硫化物、碳酸鹽、油類等物質時，會使透氧膜堵塞或損壞。熒光猝滅法比較復雜，優點是響應速度快(可低于50ms)，并有很好的穩定性，但國內相關技術尚沒有成熟。分光光度法能夠借助顯色劑在水體中使用，容易受水中其他離子干擾。
[0014]便攜水質檢測儀的應用現狀
[0015]中國對水質檢驗的常規程序是取樣后拿到實驗室檢驗分析，中間的工作環節復雜，導致檢測時間長，不能及時得到水質情況。國內一些單位和研究機構已經開發研制出一些小型溶解氧檢測儀，一般都基于電流測定法，如上海雷磁儀器廠生產的JPSJ — 605型溶解氧分析儀，北京北斗星工業化學研究所研制的H—BD5W手持式水質通用測試儀等，其速度方面同國外同類儀器還有一定的差距;總的來說，市場上大多數商品化溶解氧測量儀都是基于Clark溶解氧電極的，基于光學方法檢測的探頭還是比較少的。
[0016]水質檢測設備按其功能劃分可分為三類:一是實驗室用檢測儀器，主要用于水質的評判和深層次的水質檢測工作;二是供制水過程水質監測的儀器，主要是各類在線水質監測儀器;三是針對突發水質異常情況，確保供水安全的，操作簡便、快速，定性或半定量的應急檢測儀器。而本專利實現的就是上述第三種功能。
[0017]溶解氧的測定方法很多，包括碘滴定法(碘標準溶液反滴定法)、分光光度法和電流測定法等，由于本文主要目的是開發低成本、易維護的溶解氧光學探頭，因此研究的方法是分光光度法。
[0018]上述兩種方法中，分光光度法主要被用在非便攜檢測設備如臺式檢測儀器上，而電極測量法的適用條件不受限制，臺式檢測儀器和便攜式檢測儀器上都有應用，但是電極測量中所用的氨氮、溶解氧電極成本比較高，而且很多電極都依靠國外進口，從溶解氧電極的成本就可以知道電極法測量的成本較高，而現在市面上主要的便攜式溶解氧檢測設備幾乎都采用溶解氧電極作為傳感器，對于低成本大眾化水質測量來說，電極法仍然是不太實際的。
【實用新型內容】
[0019]本實用新型要解決的技術問題是:現有電極法溶解氧檢測精度高，但是電極都依靠國外進口，成本高，而分光光度法可以做到較高的檢測精度，而且成本可以很低，完全可以滿足一般的溶解氧測量需求，但是分光光度法一般只在臺式檢測儀器中使用，無法實現便攜式設計，不利于大眾化水質測量。
[0020]為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種技術方案是:一種基于LED光源的溶解氧光電檢測探頭，用于探測溶解氧，其包括非透光殼體、LED光源、比色皿和光電探測器，所述比色皿可活動地設置在非透光殼體內，所述LED光源和光電探測器均嵌于非透光殼體的內壁，且LED光源發出的光束可穿過比色皿照射到光電探測器上，從LED光源引出電源導線，從光電探測器引出信號導線。
[0021]進一步地，所述光電探測器采用硅PIN光電探測器。
[0022]進一步地，所述比色皿的外形為方形柱，與之匹配的，所述非透光殼體內壁包圍的內腔為方形柱。
[0023]進一步地，所述LED光源和光電探測器嵌于非透光殼體中間部分的內壁中。
[0024]—種溶解氧探測儀，包括上述的一種基于LED光源的溶解氧光電檢測探頭，還包括驅動電路單元和信號檢測電路單元，所述驅動電路單元用于驅動LED光源，所述信號檢測電路單元用于接收處理光電探測器的傳感信號并計算顯示溶解氧。
[0025]進一步地，所述信號檢測電路單元包括放大電路單元、模數轉換單元、處理器單元和顯示單元;所述溶解氧光電檢測探頭中的光電探測器通過信號導線與放大電路單元連接，所述放大電路單元與模數轉換單元連接，所述模數轉換單元與處理器單元連接，所述顯示單元與處理器單元連接。與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:采用LED光源和光電探測器，成本低，和成百上千元的電極比起來成本相差幾個數量級；采用了比色皿的設計，測量精度高;小巧攜帶方便。
【附圖說明】
[0026]圖1本實用新型中溶解氧光電檢測探頭的結構示意圖；
[0027]其中，1、非透光殼體2、LED光源3、比色皿4、光電探測器5、待測液6、電源導線7、信號導線。
【具體實施方式】
[0028]結合附圖，對本實用新型的【具體實施方式】進行說明；
[0029]實施例1如圖1所示，一種基于LED光源的溶解氧光電檢測探頭，用于探測溶解氧，其包括非透光殼體1、LED光源2、比色皿3和光電探測器4，所述比色皿3可活動地設置在非透光殼體I內，所述LED光源2和光電探測器4均嵌于非透光殼體I的內壁，且LED光源2發出的光束可穿過比色皿3照射到光電探測器4上，從LED光源2引出電源導線6，從光電探測器4引出信號導線7。在實際使用時，所述非透光殼體I的內壁盡可能靠近比色皿3的外壁，S卩非透光殼體I的內壁與比色皿3的外壁之間存在較小的間隙，這樣，一方面可以保證比色皿3可活動地設置在非透光殼體I中，另一方面，可以保證光路中的不確定因素減少，測量精度也會提高。優選地，所述光電探測器4采用硅PIN光電探測器。
[0030]工作原理:將待測液5置入比色皿3中，加入顯色劑，利用顯色劑和溶解氧的顯色反應生成絮狀反應物進行顯色，并在溶解氧光電檢測探頭的光路部分插入待測液5即可測量，溶解氧越高，顯色效果越好，顯色越好，透光度就減少，吸光度就增加了。溶液吸光度和濃度之間的關系就是著名的朗伯比爾定律。該定律的物理表述是，物理意義是當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質時，其吸光度A與吸光物質的濃度c及吸收層厚度b成正比，數學表達式為，A=Kbc。其中，A為吸光度，K為摩爾吸收系數，它與吸收物質的性質及入射光的波長λ有關，C為吸光物質的濃度，b為吸收層厚度。一束藍光從LED光源發出，透過比色皿中的溶解氧反應絮狀生成物，被光電探測器吸收，測量透過光的光強規律就可以得出吸光度的相應規律，通過聯系朗伯比爾定律，就可以得到溶解氧濃度，值得注意的是，LED燈源發出的入射光波長峰值、光電探測器的波長檢測峰值和溶解氧反應物的吸收波長一 Sc ο
[0031]為了方便計算吸收層厚度，優選的，所述比色皿3的外形為方形柱，與之匹配的，所述非透光殼體I內壁包圍的內腔為方形柱。
[0032]為了減少探頭外部雜散光對光路的影響，所述LED光源2和光電探測器4嵌于非透光殼體I中間部分的內壁中，盡量不讓光線從非透光殼體I的兩端漏光。
[0033]實施例2 —種溶解氧探測儀，包括上述的一種基于LED光源的溶解氧光電檢測探頭，還包括驅動電路單元和信號檢測電路單元，所述驅動電路單元用于驅動LED光源，所述信號檢測電路單元用于接收處理光電探測器的傳感信號并計算顯示溶解氧濃度，所述溶解氧光電檢測探頭中的電源導線和信號導線端部設有鎖卡口，可拆卸地與驅動電路單元和信號檢測電路單元連接。其中，所述信號檢測電路單元包括放大電路單元、模數轉換單元、處理器單元和顯示單元;所述溶解氧光電檢測探頭中的光電探測器通過信號導線與放大電路單元連接，所述放大電路單元與模數轉換單元連接，所述模數轉換單元與處理器單元連接，所述顯示單元與處理器單元連接。
[0034]工作原理及工作過程是:LED光源發出的光束照射在待測液體上，經待測液體透射出來的光束垂直照射在光電探測器上，由于待測液體的溶解氧不一樣，所以LED光源所發出的光束經過顯色液體透射后，光強會有不同程度的衰減，因此光電探測器接收到不同大小透射光線信號，光電探測器對光信號進行光電轉換后輸出電壓值，在經放大電路單元放大處理，然后轉換為數字信號，由處理器計算吸光度，根據朗伯比爾定律，計算出溶解氧，并通過顯示單元顯示數值，方便讀取。
[0035]需要理解的是:上述實施方式對本實用新型的涉及思路做了比較詳細的文字描述，但是這些文字描述，只是對本實用新型設計思路的簡單文字描述，而不是對本實用新型設計思路的限制，任何不超出本實用新型設計思路的組合，增加或修改，均落入本實用新型的保護范圍內。
【主權項】
1.一種基于LED光源的溶解氧光電檢測探頭，用于探測溶解氧，其特征在于，包括非透光殼體、LED光源、比色皿和光電探測器，所述比色皿可活動地設置在非透光殼體內，所述LED光源和光電探測器均嵌于非透光殼體的內壁，且LED光源發出的光束可穿過比色皿照射到光電探測器上，從LED光源引出電源導線，從光電探測器引出信號導線。2.如權利要求1所述的一種基于LED光源的溶解氧光電檢測探頭，其特征在于，所述光電探測器采用硅PIN光電探測器。3.如權利要求1或者2所述的一種基于LED光源的溶解氧光電檢測探頭，其特征在于，所述比色皿的外形為方形柱，與之匹配的，所述非透光殼體內壁包圍的內腔為方形柱。4.如權利要求3所述的一種基于LED光源的溶解氧光電檢測探頭，其特征在于，所述LED光源和光電探測器嵌于非透光殼體中間部分的內壁中。5.一種溶解氧探測儀，其特征在于，包括權利要求1-4任意一項所述的一種基于LED光源的溶解氧光電檢測探頭，還包括驅動電路單元和信號檢測電路單元，所述驅動電路單元用于驅動LED光源，所述信號檢測電路單元用于接收處理光電探測器的傳感信號并計算顯示溶解氧。6.如權利要求5所述的一種溶解氧探測儀，其特征在于，所述信號檢測電路單元包括放大電路單元、模數轉換單元、處理器單元和顯示單元;所述溶解氧光電檢測探頭中的光電探測器通過信號導線與放大電路單元連接，所述放大電路單元與模數轉換單元連接，所述模數轉換單元與處理器單元連接，所述顯示單元與處理器單元連接。
【文檔編號】G01N21/31GK205449813SQ201620163185
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月3日
【發明人】楊紹雨, 王雙保
【申請人】南京云潤環保科技有限公司