[发明专利]一种氧气监测装置及其监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧气监测装置及其监测方法。

背景技术

检测氧气等气体在工业控制、医学、环境监测与保护以及生物化学等领域具有非常广泛的应用，因此发展快速、灵敏、高效的氧气检测方法与技术具有非常重要的意义。目前，已应用的氧气测量方法主要包括滴定法、电流分析法和光学法等。

滴定法由Winkler首次提出用于测定水中溶解氧浓度。该方法一直被作为溶解氧浓度测量的标准方法持续多年。但该法操作困难、费时费力、干扰因素多、依靠经验，且不易实现在线实时监测，主要用于水相中氧气的测定。

电流分析法由Heyrovsky首次提出用于溶解氧测定。该方法主要确定溶解氧浓度和电流强度间的关系，经过多次改进，使得该方法不断完善，不过该方法的电极体积大，相应的仪器微型化十分困难。需要指出的是，上述的两种方法及在其基础上发展起来的其它方法在使用过程中易受外界电场、磁场等因素的干扰。同时在易燃、易爆环境中使用时也存在安全隐患。相比之下，光学法具有检测精度高、操作方便、抗干扰能力强等优点。

在光学法中，微球传感器、均相传感器以其灵敏度高、选择性好等优点在氧气的选择性检测方面得到应用，但是两种传感器难以器件化，易于污染待测体系及重复使用率差等缺点限制其进一步发展。

发明内容

为克服已有技术中氧气监测中的易受干扰、难以器件化、重复使用率、易于污染待测体系等不足，本发明提供一种氧气监测装置，本发明的另一目的是提供一种氧气监测方法，能够准确监测氧气的浓度。

本发明的氧气监测装置，其特点是，所述的监测装置包括激光发生装置、2×2耦合器3、微纳光纤复合结构传感单元4、信号光探测器5、参考光探测器11、放大器6、差分器7、AD转换器8、锁相调制器9、微型计算机10，其中激光发生装置含有窄线宽激光器1、光纤隔离器2；所述的窄线宽激光器1的输出端通过光纤连接至光纤隔离器2后，连接2×2耦合器3的第一端口，2×2耦合器3第三端口通过光纤与微纳光纤复合结构传感单元4连接，2×2耦合器3的第四端口通过光纤与参考光探测器11连接，信号光探测器5通过光纤与微纳光纤复合结构传感单元4连接；信号光探测器5依次与放大器6、差分器7、AD转换器8、锁相调制器9、微型计算机10连接。

所述的窄线宽激光器1与锁相调制器9电连接，用于锁相调制器9输出电信号与激光发生装置的输入电信号同步。

所述的微纳光纤复合结构传感单元4是由微纳光纤以及溶胶凝胶氯化三联吡啶钌Ru(dpp)₃Cl₂混合物组成。

所述的微纳光纤复合结构传感单元4的直径为1～4μm，微纳光纤表面溶胶凝胶氯化三联吡啶钌Ru(dpp)₃Cl₂混合物的厚度为150nm。

所述的激光发生装置通过2×2耦合器3，将所发生的激光分成两路，所分出一路作为信号光依次输入至微纳光纤复合结构传感单元4、信号光探测器5，另外一路作为参考光输入至用于检测参考光强度的参考光探测器11。

本发明中得放大器6、差分器7、AD转换器8及锁相调制器9集成至监测平台中。

一种氧气监测装置的监测方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

a).将直径为125微米的普通单模光纤SMF-28利用扫描熔融拉锥法拉制成直径为1～4μm的微纳光纤；

b).将氯化三联吡啶钌Ru(dpp)₃Cl₂按照体积比1：1的比例溶于无水乙醇中得到混合溶液，接着将混合溶液与配制的溶胶凝胶溶液按照体积比1：50的比例进行混合，充分搅拌溶解；

c).将拉制好的微纳光纤，利用提拉法镀膜，膜层厚度150nm，并进行封装，得到氧气微纳光纤复合结构传感单元；

d).将激光发生装置所发生的激光作为信号光连接微纳光纤复合结构；

e).微纳光纤复合结构连接用于检测信号光强度的信号光探测器；

f).激光发生装置产生激光，所产生的激光通过微纳光纤复合结构传输至信号光探测器，信号光探测器检测结果除以参考光探测器检测结果得出由氧气浓度不同所引起的微纳光纤复合结构膜层物理化学性质变化而产生的输出光能量变化量；

g).根据输出光能量的变化量利用时域有限差分方法得到氧气的浓度。