一种水中溶解氧和温度双参量光纤化学传感系统及方法

1.本发明涉及光学测量领域，特别涉及一种水中溶解氧和温度双参量光纤化学传感系统及方法。


背景技术：

2.溶解氧是指溶解于水中分子状态的氧，其是水生生物不可缺少的条件，温度对于水中生物也具有多方面的生态与生理调节作用。所以溶解氧和温度是衡量水体质量较为重要的参数，对于促进水产养殖、工业和农业生产、保障生态环境稳定具有积极的作用。因此，准确、高效、稳定、实用和快速响应的检测溶解氧和温度显得尤为重要。
3.目前国内水质化学需氧量的检测依旧是依据采用gb11914-89《重铬酸盐法水质化学需氧量的测定》方法测量。其测量需要采样后进行化学滴定，基于物质之间的反应间接获取待测物的含量。上述检测过程繁琐复杂，同时也会造成二次污染。温度传感器目前常采用的是热电偶传感器，其外部环境的信号很容易对热电偶传感器产生干扰。而光纤化学传感器不需要化学试剂因此不会产生二次污染，又具有检测速度快和重复检测的特点，适合实时在线检测，具有操作简单、成本低、抗电磁干扰等优点。
4.中国专利cn109187453b《一种荧光法溶解氧传感器膜片的制备方法》公开了采用荧光淬灭原理制备溶解氧传感器膜片的方法。中国专利cn111678899a《一种荧光法溶解氧传感器》公开了该荧光法溶解氧传感器包括测量光路、信号处理电路、壳体、出线电缆和温度传感器；其中，测量光路包含荧光膜、滤光片、光电探测器、激发光源和参比光源；...，能够防止荧光膜脱落、避免了散光多和二次反射，提高了测量精度和稳定性的溶解氧传感器。中国专利cn115210673a《一种温度控制系统》公开了基于流体循环来控制调温对象的温度的控制系统。上述专利均是对溶解氧和温度进行单一参数测量的技术方案，目前尚没有通过荧光法对溶解氧和温度双参量测量的光纤化学传感器。


技术实现要素：

5.本发明旨在提出一种水中溶解氧和温度双参量光纤化学传感系统及方法，基于荧光法实现了对溶解氧浓度和温度的双参量测量。
6.本发明利用以下技术方案实现：
7.一种水中溶解氧和温度双参量光纤化学传感系统，利用一个激发光源实现对溶解氧浓度和温度的双参量传感，该系统包括激发光源、光纤传感探头、光谱仪、溶解氧解调模块、温度解调模块和显示模块；所述激发光源通过y型分叉光纤一端连接所述光谱仪，另一端连接所述光纤传感探头；所述光谱仪分别与溶解氧解调模块和温度解调模块连接，所述光纤传感探头设置于待测水域中；其中：
8.所述光纤传感探头具有由复合敏感材料制成的光纤传感膜，所述光纤传感膜接收经过y型分叉光纤传输的激发光源照射；所述激发光源为一个波长405nm的紫外光源，用于激发光纤传感探头的光纤传感膜中的复合敏感材料，分别在波长489nm处得到荧光强度随
温度变化的荧光光谱信号和在波长621nm处得到荧光强度随溶解氧浓度变化的荧光光谱信号，用于实现溶解氧和温度的传感；所述y型分叉光纤将所述荧光光谱信号传输到光谱仪；所述光谱仪用于采集荧光光谱信号，所述光谱仪输出的光谱数据，发送到所述溶解氧解调模块和所述温度解调模块；所述溶解氧解调模块和所述温度解调模块分别进行两个荧光光谱信号的数据解调，得到溶解氧浓度和温度双参量的测量结果；所述显示模块进行溶解氧浓度和温度双参量测量结果的显示。
9.一种水中溶解氧和温度双参量光纤化学传感方法，该方法包括以下流程：
10.制备复合敏感染料和搭建水中溶解氧和温度双参量光纤化学传感系统；
11.对不同溶解氧浓度和不同温度的被测水域的溶液进行荧光光谱采集并进行数据解调处理，具体处理过程如下：
12.首先将盛装一定体积去离子水的双口烧瓶进行加热处理，将水煮沸10分钟后密封冷却至室温，然后往烧瓶中充入氮气30分钟，使其达到无氧环境的标准从而制得饱和氮溶液，观察光纤传感探头的光纤传感膜中的复合敏感材料在饱和氮溶液中的第一次荧光激发现象，接着每隔5～30秒往烧瓶中充入氧气，依次观察光纤传感探头的光纤传感膜中的复合敏感材料荧光光谱变化；将水煮沸10分钟后密封冷却至室温，然后以一定的流速往烧瓶中充入氧气30分钟，从而制得饱和氧溶液；插入光纤传感探头后，封闭瓶口，在恒温水浴槽内改变溶液温度，依次观察光纤传感探头的光纤传感膜中的复合敏感材料荧光光谱变化；激发光源激发传感探头的复合敏感染料，处于水溶液中的三(4,7-联苯-1,10-邻菲啰啉)二氯化钌和7-氨基-4-三氟甲基香豆素在不同氧浓度下和不同温度下具有不同的光谱响应；
13.分别在波长489nm处得到荧光强度随温度变化的荧光光谱和和在波长621nm处得到荧光强度随溶解氧浓度变化的荧光光谱，分别对前述的两种荧光光谱进行信号解调，经过数据解调处理得到溶解氧浓度和温度双参量的测量结果。
14.相比于现有技术，本发明具有以下有益技术效果：
15.1)可以同时实现溶解氧浓度和温度的双参量传感；
16.2)溶解氧和温度双参量的测量精度不受被测水域影响，可对水域环境进行准确度高的检测；
附图说明
17.图1为本发明搭建的一种水中溶解氧和温度双参量光纤化学传感系统结构示意图；
18.图2为本发明的一种水中溶解氧和温度双参量光纤化学传感方法实施例过程图；
19.图3为不同溶解氧浓度下荧光发射光谱图；
20.图4为不同温度下荧光发射光谱图。
21.附图标记：1、激发光源，2、y型分叉光纤，3、光谱仪4、数据连接线，5、溶解氧解调模块，6、光纤传感探头，7、温度信号解调模块，8、显示模块。
具体实施方式
22.下面将结合附图和实施方式对本发明作进一步地详细描述。
23.本发明根据不同氧浓度对氧敏感染料为三(4,7-联苯-1,10-邻菲啰啉)二氯化钌
的荧光猝灭效应，结合7-氨基-4-三氟甲基香豆素对不同温度的敏感度，通过荧光光谱在489nm和621nm处对温度和溶解氧不同的荧光强度变化，来测定水中溶解氧和温度的含量，开发出了便捷、高效、精度高的溶解氧和温度双参量传感系统。
24.如图1所示，为本发明的一种水中溶解氧和温度双参量光纤化学传感系统结构示意图。该系统包括激发光源、光纤传感探头、光谱仪、溶解氧解调模块、温度解调模块和显示模块。其中，波长405nm的紫外光源作为激发光源1，经过y型分叉光纤2进入光纤传感探头6，光纤传感探头6设置于被测水域的溶液中，根据溶解氧浓度和温度由激发光源1激发光纤传感探头6的复合敏感材料，获得荧光光谱信号，荧光光谱信号通过y型分叉光纤2传输到光谱仪3，进行荧光光谱信号采集。光谱仪3输出的光谱数据发送到溶解氧解调模块和温度解调模块。溶解氧解调模块和温度解调模块进行光谱数据处理。显示模块8进行溶解氧浓度和温度双参量测量结果的显示。
25.具体的，溶解氧解调模块5和温度解调模块7选择使用fpga调制解调器。在fpga调制解调器中，a/d转换模块将光谱仪接收的模拟光谱信号转换成数字信号发送给fpga，fpga中嵌入解调算法，进行光纤荧光强度解调，串口模块将解调出的结果发送到显示模块8进行显示。
26.激发光源激发光纤传感探头的复合敏感染料，分别在波长489nm处得到荧光强度随温度变化的荧光光谱和和在波长621nm处得到荧光强度随溶解氧变化的荧光光谱，分别对前述的两种荧光光谱进行信号解调，经过数据处理得到溶解氧和温度。
27.如图2所示，为本发明的一种水中溶解氧和温度双参量光纤化学传感方法实施例过程图，该实施例的具体过程如下：
28.步骤1、制备复合敏感染料：将2mg 7-氨基-4-三氟甲基香豆素(afc)溶于5ml乙醇和5ml(3-异氰基丙基)三乙氧基硅烷(tespic)中来获得温度敏感染料，将4mg三(4,7-联苯-1,10-邻菲啰啉)二氯化钌(ⅱ)(ru(dpp)3
2
，纯度98％)溶于10ml乙醇中来制备氧敏感染料，将4ml四乙氧基硅烷(teos,纯度98％)和0.2ml三乙氧基辛基硅烷(octyl-trieos,纯度98％)混合成前驱液，将1.25ml无水乙醇(etoh，优级纯)和0.4ml 0.1m hcl加入到溶胶溶液中催化ormosil水解反应，封盖并进行磁性搅拌1h。在混合过程中，添加0.1ml triton-x-100，来制备出载体基质。将温度敏感染料、氧敏感染料、载体基质按1:1:2混合，制备出复合敏感染料；
29.步骤2、制备光纤传感膜，借助ht-dc300浸渍提拉镀膜机以15mm/min的速度实行浸涂操作，将复合敏感染料沉积在传感光纤的自由端面上，最后将涂覆的光纤在干燥的室温环境下稳定放置一周，获得光纤传感膜；
30.步骤3、搭建双参量传感系统，系统包括激发光源、传感探头、接收模块，其中，包括激发光源1、y型分叉光纤2；光谱仪3；数据连接线4、溶解氧信号解调模块5、光纤传感探头6、温度信号解调模块7和显示模块8；
31.步骤4、对不同溶解氧浓度和不同温度的被测水域的溶液进行荧光光谱采集并计算，具体包括以下步骤：
32.首先将盛装一定体积去离子水的双口烧瓶进行加热处理，将水煮沸10分钟后密封冷却至室温，然后以一定的流速往烧瓶中充入氮气30分钟，使其达到无氧环境的标准从而制得饱和氮溶液，观察光纤传感探头的光纤传感膜中的复合敏感材料在饱和氮溶液中的第
一次荧光激发现象，接着每隔5～30秒(由实验可知，氧在水中溶解度与时间并非绝对线性关系，同一流速的氧气刚开始溶解得快，越往后溶解得越慢)往烧瓶中充入一定流量的氧气，依次观察光纤传感探头的光纤传感膜中的复合敏感材料荧光光谱变化；将水煮沸10分钟后密封冷却至室温，然后以一定的流速往烧瓶中充入氧气30分钟，从而制得饱和氧溶液，插入光纤传感探头后，封闭瓶口，在恒温水浴槽内改变溶液温度，依次观察光纤传感探头的光纤传感膜中的复合敏感材料荧光光谱变化；光源激发传感探头的复合敏感染料，处于水溶液中的三(4,7-联苯-1,10-邻菲啰啉)二氯化钌和7-氨基-4-三氟甲基香豆素在不同氧浓度下和不同温度下具有不同的光谱响应；
33.分别在波长489nm处得到荧光强度随温度变化的荧光光谱和和在波长621nm处得到荧光强度随溶解氧变化的荧光光谱，分别对前述的两种荧光光谱进行信号解调，经过数据处理得到溶解氧和温度。
34.上述流程所依据的理论是：如图3和图4所示，图3为不同溶解氧浓度下荧光发射光谱图；图4为不同温度下荧光发射光谱图。分别在489nm和621nm左右产生两个发射峰，峰值大小代表荧光强度。随着氧浓度增加，621nm处的三(4,7-联苯-1,10-邻菲啰啉)二氯化钌的荧光强度逐渐降低；随着温度增加，489nm处的7-氨基-4-三氟甲基香豆素荧光强度逐渐降低，经过数据处理得到溶解氧浓度和温度。
35.以上实施例只是用于帮助理解本发明的一种水中溶解氧和温度双参量光纤化学传感方法及其核心思想，不应理解为对本发明的限制。对于本领域的一般技术人员，本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。