CN111537485B - 基于全光纤的原位水质荧光监测系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于全光纤的原位水质荧光监测系统及其应用，包括从前至后依次连接的LED光源、第一直通光纤、第一滤光片、第一Y型光纤的第一分叉端、第二直通光纤、样品池、第三直通光纤、第二滤光片、第二Y型光纤的第一分叉端和光电池；所述第一Y型光纤的第二分叉端和第二Y型光纤的第二分叉端通过一第一法兰适配器连接。本发明不仅测量精度高，不受环境光的影响，而且测试速度快，不会产生二次污染。
Description
技术领域
本发明涉及水质荧光监测技术领域，特别涉及一种基于全光纤的原位水质荧光监测系统及其应用。
背景技术
水，是生命之源，是万物生长之根本。通过现代光学科学技术手段，对水质相关参数进行荧光法监测是一种新型的水质监测技术，无需对样品进行预处理、无需化学试剂、不消耗氧、响应速度快、精度高、可实现原位实时监测等优点。
目前，现有的原位水质荧光监测系统大多基于单一波长光源无参考光或基于参考光源及监测光源两种波长不相等的双光源研发，光源在自然环境中传播，容易受自然环境对光源的扰动，且单一光源无法消除光源衰减的影响或是双光源波长不一产生的光衰减不一，光程不相等相关问题，以及因外界环境致使光电信号传输不稳定性的影响，造成信号不稳定及影响后续的信号处理精度等问题，使得信号的波动误差远远超出标准，无法满足监测要求。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种于全光纤的原位水质荧光监测系统。
本发明的第二个目的在于提出一种所述的基于全光纤的原位水质荧光监测系统的应用。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于全光纤的原位水质荧光监测系统，包括从前至后依次连接的LED光源、第一直通光纤、第一滤光片、第一Y型光纤的第一分叉端、第二直通光纤、样品池、第三直通光纤、第二滤光片、第二Y型光纤的第一分叉端和光电池；所述第一Y型光纤的第二分叉端和第二Y型光纤的第二分叉端通过一第一法兰适配器连接。
基于上述设计，使参考光源及激发光源能在光纤中闭环传播，避免了光在自然环境中传播所受到的影响。
另外，根据本发明上述实施例提出的一种基于全光纤的原位水质荧光监测系统，还可以具有如下附加的技术特征：
第一Y型光纤的第一分叉端与第二直通光纤通过一第二法兰适配器连接；
所述第一Y型光纤的第一分叉端与第二法兰适配器之间的距离为L3；
所述第一Y型光纤的第二分叉端与第一法兰适配器之间的距离为L4；
所述第二直通光纤的长度为L5；
所述第二Y型光纤的第二分叉端与第一法兰适配器之间的距离为L8；
所述第二Y型光纤至光电池的距离为L9；
所述L3+L5＝L4+L8+L9。
所述第一滤光片的中心波长与LED光源的中心波长相等，且第一滤光片的中心厚度为2mm。
所述第二滤光片的中心波长与样品池发射出的荧光信号的中心波长相等，且第二滤光片的中心厚度为2mm。
所述样品池表面附着一层氧传感薄膜。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种所述的基于全光纤的原位水质荧光监测系统的应用，当测试时，LED光源发射出光，光依次经过第一直通光纤及第一滤光片传播至第一Y型光纤后，分为两束光源，其中一束光源作为参考光源，经过第二Y型光纤传递至光电池；另一束光源作为激发光源，通过第二直通光纤传递至样品池，样品池中的对应物质受到激发光源照射产生特定波长的荧光信号，荧光信号由样品池依次通过第三直通光纤、第二滤光片、第二Y型光纤传递至光电池，参考光源与荧光信号先后传播至光电池，光电池将光信号转换成电信号传送给上位机进行信号处理运算，并根据相应的荧光理论，求得水质参数的浓度数值；具体的计算方法如下：
(1)求参考光源经LED光源、第一直通光纤、第一滤光片、第一Y型光纤、第二Y型光纤传播至光电池时，参数改变的数值(如光强度的数值或是相位移动的数值)；
(2)求激发光源经LED光源、第一直通光纤、第一滤光片、第一Y型光纤、第二直通光纤、样品池、第三直通光纤、第二滤光片、第二Y型光纤传播至光电池时，参数改变的数值(如光强度的衰减值或是相位移动的数值)；
(3)通过步骤(1)～(2)中所求得的参数改变值，可换算出水质参数的数值。
基于上述设计，采用单一LED光源，通过Y型光纤将所述LED光源一分为二，分为两束状态一样的光，不仅使得参考光源及激发光源能在光纤中闭环传播，不受环境光的影响，且具有参比光路，能够消除光源衰减及改善外界致使光电信号传输的稳定性，测量精度高，测试速度快，不会产生二次污染。
另外，根据本发明上述实施例提出的所述的基于全光纤的原位水质荧光监测系统的应用，还可以具有如下附加的技术特征：
当监测水中溶解氧的浓度时，所述样品池表面附着一层氧传感薄膜，所述氧传感薄膜为当LED光源激发时能产生荧光信号，且氧气能使得在氧传感膜上被激发的荧光信号猝灭。
当监测水中溶解氧的浓度时，激发光源与参考光源的相位移动差的范围为：
(J)
其中，Δφ为激发光源与参考光源的相位移动差；
λ为荧光信号的中心波长，nm(纳米)；
n为光纤的折射率，无量纲；
L6为第三直通光纤的长度，mm(毫米)；
L7为第二Y型光纤与第二滤光片之间的距离，mm(毫米)；
L9为第二Y型光纤与光电池之间的距离，mm(毫米)；
2πfτ0为经过频率为f的调制光调制后，最大的荧光寿命τ0荧光信号出现的相位滞后，弧度；
τ0为在无氧条件下，最大的荧光寿命，ns(纳秒)；
f为调制光调制频率，kHz(千赫兹)；
根据式(J)和荧光猝灭原理、相敏检测原理，即可求得水中溶解氧的浓度。
当监测原位叶绿素a时，所述样品池中具有叶绿素a，受到激发光源的照射产生荧光信号；
(4)求参考光源的光经LED光源出射至光电池接收，被光电池接收的光强Iin；
(5)求激发光源的光经LED光源出射至光电池接收，被光电池接收的光强Iout；
(6)根据荧光分析法测试原理，叶绿素a的浓度与Iin、Iout的值的关系可表示为Iout＝k0cIin，代入步骤(4)、(5)中所求得的Iin、Iout的值，即可求解出叶绿素a的浓度为：c＝Iout/k0Iin；其中，k0为所述监测系统的常量。
附图说明
图1为根据本发明中原位水质荧光监测系统的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
请参阅图1，一种基于全光纤的原位水质荧光监测系统，包括从前至后依次连接的LED光源1、第一直通光纤2、第一滤光片3、第一Y型光纤4的第一分叉端41、第二直通光纤5、样品池6、第三直通光纤7、第二滤光片8、第二Y型光纤9的第一分叉端91和光电池10；所述第一Y型光纤4的第二分叉端42和第二Y型光纤9的第二分叉端92通过一第一法兰适配器11连接。
其中，所有光纤的折射率都相同。
第一Y型光纤4的第一分叉端41与第二直通光纤5通过一第二法兰适配器12连接；
第一直通光纤2的长度为L1；
第一滤光片3与第一Y型光纤4之间的距离为L2
第一Y型光纤4的第一分叉端41与第二法兰适配器12之间的距离为L3；
第一Y型光纤4的第二分叉端42与第一法兰适配器11之间的距离为L4；
第二直通光纤5的长度为L5；
第三直通光纤7的长度为L6；
第二Y型光纤9与第二滤光片8之间的距离为L7；
第二Y型光纤9的第二分叉端92与第一法兰适配器11之间的距离为L8；
第二Y型光纤9与光电池10之间的距离为L9；
且光路间距满足：L3+L5＝L4+L8+L9。
所述第一滤光片3的中心波长与LED光源1的中心波长相等，且第一滤光片3的中心厚度为2mm。所述第二滤光片8的中心波长与样品池6发射出的荧光信号的中心波长相等，且第二滤光片8的中心厚度为2mm。
实施例1
请再参阅图1，一种基于全光纤的原位溶解氧监测系统，通过上位机发送测试指令，使LED光源1发射出光，所述LED光源1发射的光为绿色LED光源，中心波长λ＝530+/-5nm；所述光依次经过第一直通光纤2及第一滤光片3(第一滤光片3的中心波长与LED光源1一致中心，即λ＝530+/-5nm，截至透过率OD大于4)传播至第一Y型光纤4后，分为状态完全一样的两束光源，一路光源作为参考光源经第二Y型光纤9传播至光电池10；另一路光源作为激发光源，经第二直通光纤5传播至样品池6，使得样品池表面的氧敏感膜中对应物质受到激发光源的照射产生特定波长的荧光信号，所述样品池表面附着一层氧传感薄膜，该氧传感薄膜为具有当被中心波长λ＝530+/-5nm的LED光源1激发能产生红色荧光信号(中心波长λ＝650+/-5nm)，且具有氧气能在氧传感膜上被激发的荧光信号猝灭的特点。荧光信号由样品池6依次通过第三直通光纤7及第二滤光片8(第二滤光片8的中心波长与荧光信号一致，即λ＝650+/-5nm，截至透过率OD大于4)传播至第二Y型光纤9，所述荧光经第二Y型光纤9传播至光电池10，参考光源与荧光信号先后顺序传播至光电池10，光电池10将光信号先后转换成电信号传送到上位机进行相应的信号处理运算，具体计算方法如下：
A.在中心波长为λ0nm的光经过一段折射率为n0、距离为L0的光纤，其经过所述光纤所产生的相位移动为：
B.在无氧条件下，最大的荧光寿命为τ0ns，由相敏检测理论分析可得，相位滞后与荧光寿命的关系为：
tan(φ0)＝2πfτ0……(2)；
C.重复利用式(1)，参考光路的光经绿光LED光源1出射至光电池10接收，产生的相位移动为：
D.重复利用式(1)，监测光路的光经绿光LED光源1出射至光电池10接收，产生的相位移动为：
E.求得监测光路与参考光路的相位移动差为：Δφ＝(φ监测-φ)-φ参考，代入上述公式(2)～(4)中所求得的φ监测、φ参考、φ的值，可得相位移动差的范围为：
其中，上述公式(2)-(5)中，
λ530为LED光源1的中心波长，nm(纳米)；
λ650为荧光信号的中心波长，nm(纳米)；
Δφ为激发光源与参考光源的相位移动差，弧度；
n为光纤的折射率，无量纲；
L6为第三直通光纤7的长度，mm(毫米)；
L7为第二Y型光纤9与第二滤光片8之间的距离，mm(毫米)；
L9为第二Y型光纤9与光电池10之间的距离，mm(毫米)；
2πfτ0为经过频率为f的调制光调制后，最大的荧光寿命τ0荧光信号出现的相位滞后，弧度；
τ0为在无氧条件下，最大的荧光寿命，ns(纳秒)；
f为调制光调制频率，kHz(千赫兹)；
F.依据公式(5)所求的相位差，根据荧光猝灭原理及相敏检测原理，可求解出水中溶解氧的浓度，具体如下：
根据相敏检测原理，相位差与荧光寿命关系为：tan(Δφ)＝2πfτ……(6)；
根据荧光猝灭原理并根据Stern-Volmer方程：
根据式(2)，式(6)，式(7)可推导出水中溶解氧浓度如下：
其中，上述公式(6)-(8)中，
K为水中溶解氧浓度系数，无量纲；
Δφ为激发光源与参考光源的相位移动差，弧度；
π为圆周率，无量纲；
τ0为在无氧条件下，最大的荧光寿命，ns(纳秒)；
f为调制光调制频率，kHz(千赫兹)；
实施例2
请再参阅图1，一种基于全光纤的原位叶绿素a监测方法，上位机发送测试指令，使LED光源1发射出光，所述LED光源1发射的光为蓝色LED光源，中心波长λ＝460+/-5nm，所述光依次经过第一直通光纤2及第一滤光片3(第一滤光片3中心波长与LED光源1一致，即λ＝460+/-5nm，截至透过率OD大于4)传播至第一Y型光纤4后，分为状态完全一样的两束光源，一路光源作为参考光源经第二Y型光纤9传播至光电池10，另一路光源作为激发光源，经第二直通光纤5传播至样品池6，使得样品池中叶绿素a受到激发光源的照射产生特定波长的荧光信号，荧光信号由样品池6依次通过第三直通光纤7及第二滤光片8(第二滤光片8中心波长与荧光信号一致，即λ＝680+/-5nm，截至透过率OD大于4)传播至第二Y型光纤9，所述荧光经第二Y型光纤9传播至光电池10，参考光源与荧光信号先后顺序传播至光电池10，光电池10将光信号先后转换成电信号送到上位机进行相应的信号处理运算，并根据相应的荧光理论，可以求得所需水质参数的浓度数值，具体计算方法如下：
G.求参考光路的光经蓝色LED光源1出射至光电池10接收，被光电池10接收的光强Iin；
H.求监测光路的光经蓝色LED光源1出射至光电池10接收，被光电池10接收的光强Iout；
I.根据荧光分析法测试原理，叶绿素a的浓度与Iin、Iout的值的关系为Iout＝k0cIin，代入步骤G、H中所得的Iin、Iout的值，可得求解出叶绿素a的浓度为：c＝Iout/k0Iin。
其中，k0为所述监测系统的常量。
本发明的水质荧光监测系统，采用单一LED光源，通过Y型光纤将所述LED光源一分为二，分为两束状态一样的光，不仅使得参考光源及激发光源能在光纤中闭环传播，避免光在自然环境传播中所受到的影响，且具有参比光路能够消除光源衰减及改善外界致使光电信号传输的稳定性。本发明考虑到光程相等并结合光速与光波长关系的影响，可以提高所监测数据(如强度，相位)的稳定性，提升监测准确度及精确度。
Claims (8)
1.一种基于全光纤的原位水质荧光监测系统，其特征在于：包括从前至后依次连接的LED光源(1)、第一直通光纤(2)、第一滤光片(3)、第一Y型光纤(4)的第一分叉端(41)、第二直通光纤(5)、样品池(6)、第三直通光纤(7)、第二滤光片(8)、第二Y型光纤(9)的第一分叉端(91)和光电池(10)；所述第一Y型光纤(4)的第二分叉端(42)和第二Y型光纤(9)的第二分叉端(92)通过一第一法兰适配器(11)连接；
所述第一Y型光纤(4)的第一分叉端(41)与第二直通光纤(5)通过一第二法兰适配器(12)连接；
所述第一Y型光纤(4)的第一分叉端(41)与第二法兰适配器(12)之间的距离为L3；
所述第一Y型光纤(4)的第二分叉端(42)与第一法兰适配器(11)之间的距离为L4；
所述第二直通光纤(5)的长度为L5；
所述第二Y型光纤(9)的第二分叉端(92)与第一法兰适配器(11)之间的距离为L8；
所述第二Y型光纤(9)至光电池(10)的距离为L9；
所述L3+L5＝L4+L8+L9。
2.如权利要求1所述的基于全光纤的原位水质荧光监测系统，其特征在于：所述第一滤光片(3)的中心波长与LED光源(1)的中心波长相等，且第一滤光片(3)的中心厚度为2mm。
3.如权利要求1所述的基于全光纤的原位水质荧光监测系统，其特征在于：所述第二滤光片(8)的中心波长与样品池(6)发射出的荧光信号的中心波长相等，且第二滤光片(8)的中心厚度为2mm。
4.如权利要求1所述的基于全光纤的原位水质荧光监测系统，其特征在于：所述样品池(6)表面附着一层氧传感薄膜。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的基于全光纤的原位水质荧光监测系统的应用，其特征在于：
当测试时，LED光源(1)发射出光，光依次经过第一直通光纤(2)及第一滤光片(3)传播至第一Y型光纤(4)后，分为两束光源，其中一束光源作为参考光源，经过第二Y型光纤(9)传递至光电池(10)；另一束光源作为激发光源，通过第二直通光纤(5)传递至样品池(6)，样品池(6)中的对应物质受到激发光源照射产生特定波长的荧光信号，荧光信号由样品池(6)依次通过第三直通光纤(7)、第二滤光片(8)、第二Y型光纤(9)传递至光电池(10)，参考光源与荧光信号先后传播至光电池(10)，光电池(10)将光信号转换成电信号传送给上位机进行信号处理运算，并根据相应的荧光理论，求得水质参数的浓度数值；具体的计算方法如下：
(1)求参考光源经LED光源(1)、第一直通光纤(2)、第一滤光片(3)、第一Y型光纤(4)、第二Y型光纤(9)传播至光电池(10)时，参数改变的数值；
(2)求激发光源经LED光源(1)、第一直通光纤(2)、第一滤光片(3)、第一Y型光纤(4)、第二直通光纤(5)、样品池(6)、第三直通光纤(7)、第二滤光片(8)、第二Y型光纤(9)传播至光电池(10)时，参数改变的数值；
(3)通过步骤(1)～(2)中所求得的参数改变值，可换算出水质参数的数值。
6.如权利要求5所述的基于全光纤的原位水质荧光监测系统的应用，其特征在于：当监测水中溶解氧的浓度时，所述样品池(6)表面附着一层氧传感薄膜，所述氧传感薄膜为当LED光源(1)激发时能产生荧光信号，且氧气能使得氧传感膜上被激发的荧光信号猝灭。
7.如权利要求6所述的基于全光纤的原位水质荧光监测系统的应用，其特征在于：当监测水中溶解氧的浓度时，激发光源与参考光源的相位移动差的范围为：
其中，Δφ为激发光源与参考光源的相位移动差；
λ为荧光信号的中心波长，nm；
n为光纤的折射率；
L6为第三直通光纤(7)的长度，mm；
L7为第二Y型光纤(9)与第二滤光片(8)之间的距离，mm；
L9为第二Y型光纤(9)与光电池(10)之间的距离，mm；
2πfτ0为经过频率为f的调制光调制后，最大的荧光寿命τ0荧光信号出现的相位滞后，弧度；
τ0为在无氧条件下，最大的荧光寿命，ns；
f为调制光调制频率，kHz；
根据式(J)和荧光猝灭原理、相敏检测原理，即可求得水中溶解氧的浓度。
8.如权利要求5所述的基于全光纤的原位水质荧光监测系统的应用，其特征在于：当监测原位叶绿素a时，所述样品池(6)中具有叶绿素a，受到激发光源的照射产生荧光信号；
(4)求参考光源的光经LED光源(1)出射至光电池(10)接收，被光电池(10)接收的光强Iin；
(5)求激发光源的光经LED光源(1)出射至光电池(10)接收，被光电池(10)接收的光强Iout；
(6)根据荧光分析法测试原理，叶绿素a的浓度与Iin、Iout的值的关系表示为Iout＝k0cIin，代入步骤(4)、(5)中所求得的Iin、Iout的值，即可求解出叶绿素a的浓度为：c＝Iout/k0Iin。
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