專利名稱：多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二氧化碳監(jiān)測裝置，尤其是涉及一種基于長光程液芯波導(dǎo)管的多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測系統(tǒng)裝置。
背景技術(shù)：
二氧化碳分壓(pCO2)和溶解氧(DO)是水環(huán)境中與生態(tài)狀況聯(lián)系緊密的兩個重要指標(biāo)，指示著生態(tài)系統(tǒng)中凈生產(chǎn)力和呼吸作用的強度、水體受污染程度以及適于生物生長的狀況。與此同時，由于CO2是導(dǎo)致全球變暖的主要溫室氣體，與CO2相關(guān)的研究是全球氣候變化的研究熱點。我國已啟動的陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)研究，并正在醞釀與海洋碳循環(huán)相關(guān)的研究計劃，也急需發(fā)展對水中與空氣中的二氧化碳分壓(pCO2)進行精確監(jiān)測的傳感器技術(shù)。
pCO2的測定有滴定法、庫侖法、氣相色譜法以及目前被廣泛使用的非色散紅外法，但由于相關(guān)儀器功耗大且無法定時自動定標(biāo)的原因，以及通常儀器設(shè)計的目標(biāo)環(huán)境為實驗室條件的緣故，難以滿足展現(xiàn)大洋水中pCO2微小變化和長期浮標(biāo)監(jiān)測的需要。
過去的十幾年中，隨著新型、廉價光學(xué)波導(dǎo)纖維的成功研制，也隨著化學(xué)和生物等領(lǐng)域?qū)鞲衅餍枨蟮脑鲩L，光纖化學(xué)傳感技術(shù)得到了飛速發(fā)展。CO2光纖化學(xué)傳感器的一般原理是樣品中離子態(tài)或自由態(tài)的CO2通過選擇性透過膜進入光纖探頭導(dǎo)致指示劑溶液pH值變化而使其中原有的敏感試劑發(fā)出熒光或引起透射光強度的變化，信號經(jīng)光纖傳導(dǎo)至檢測器測量，此類傳感器亦稱為基于指示劑的光纖化學(xué)傳感器。大部分傳感器均將比色或熒光試劑封裝在光導(dǎo)纖維的末端，用來封裝試劑的膜起保護試劑、選擇性透過樣品等作用，樣品的濃度可以簡單地通過光強變化來定量。
采用聚四氟乙烯管--TEFLON AF2400型液芯波導(dǎo)系統(tǒng)進行液體樣品的光譜研究具有相當(dāng)高的探測靈敏度，主要是由于TEFLON AF2400特有的低光折射率1.29，低于絕大多數(shù)液體樣品的折射率甚至是水(1.33)，所以液芯波導(dǎo)(LWCC)系統(tǒng)在液體樣品的光譜研究中既作為吸收(比色)池，又作為理想的光纖存在，理想狀態(tài)下光是以全反射折線光程的形式在TEFLON AF2400管中進行傳播的，損耗僅取決于液芯介質(zhì)損耗而無通常的漫射損耗，因而可利用來構(gòu)建較一般吸收池長得多的吸收光程的光譜分析系統(tǒng)，以獲得高的檢測分辨率。近兩年來，在弱信號領(lǐng)域拉曼光譜中，TEFLON AF2400亦獲得了重點的研究與應(yīng)用。
基于光譜分析與分光吸收類儀器的技術(shù)與檢測方法若簡單照搬應(yīng)用于TEFLON AF2400液芯波導(dǎo)系統(tǒng)對CO2濃度進行檢測，則存在如下不適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境的因素a.光源功耗較大或壽命較短。常用的鎢燈、氘燈、氙燈、非半導(dǎo)體激光光源等，消耗電功率約為十瓦到數(shù)十瓦，鎢燈、氘燈、氙燈的壽命為幾百到2千小時。
b.采用單光源全光譜吸收，進而分離吸收分光光譜的技術(shù)，光學(xué)部件較為復(fù)雜，分離度與分光中心波長的準(zhǔn)確度依賴光學(xué)傳輸部件的機械固定程度高，檢測誤差大且易受海洋環(huán)境鹽霧、濕氣及顛簸震動的影響，無法在海洋環(huán)境中長期穩(wěn)定可靠地工作；采用單光源預(yù)分單色光束吸收技術(shù)存在可移動光學(xué)部件較多的問題且當(dāng)需要對多波長吸收分光進行分析時，建立不同單色分光之間的時延太長，無法做到同步檢測多單色光譜，分析值存在時延誤差。
c.分光吸收值的幅值離散性在200～800μatm的二氧化碳分壓全程檢測范圍內(nèi)較大，受限于單光源發(fā)光光譜強度在不同波長的均勻分布(不同波長的發(fā)射光強無法單獨調(diào)整)，其中一個分光吸收值可能超越總體預(yù)先設(shè)定觀測檢測限，無法保證同時高精度觀測與分析多波長分光吸收值，比色劑濃度難以同時界定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種功耗低，適合海洋現(xiàn)場使用環(huán)境，對水體或大氣中的二氧化碳分壓(pCO2)進行實時高精度自動監(jiān)測的多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測裝置。
本發(fā)明的另一目的在于建立一種與常規(guī)分光吸收類儀器不相同的多單色光源技術(shù)與分析方法的實用模型，而這種實用模型具有少的機械與光學(xué)傳輸部件，結(jié)構(gòu)相對簡單，且具有很高的采集數(shù)據(jù)分辨率與靈敏度，以及長時間工作的穩(wěn)定性。
本發(fā)明設(shè)有光源總成與傳感器總成，以及連接光源總成與傳感器總成的光纖跳線，記為C，連接傳感器總成與光電檢測放大器的光纖跳線，記為D。
光源總成設(shè)有發(fā)射光源，選自3只超高亮度發(fā)光二極管，發(fā)射光強均大于2500mcd，中心波長分別為432、620和740nm，分別對應(yīng)于指示劑-緩沖溶液體系對高濃度CO2的敏感的酸態(tài)吸收、對低濃度CO2的敏感的堿態(tài)吸收以及對200～800μatm全程檢測限內(nèi)的CO2濃度不敏感態(tài)；3片窄帶干涉濾光片，分別設(shè)置于發(fā)光二極管前端，并分別對應(yīng)于相對的發(fā)光二極管的發(fā)射光譜的中心波長；3片聚焦透鏡，分別設(shè)置于3片窄帶干涉濾光片前，經(jīng)窄帶干涉濾光片限寬與修正后的單色光束由聚焦透鏡聚焦并匯聚于焦點處。
傳感器總成的內(nèi)部為空心筒狀形式，在空心筒兩端的圓形壁上沿空心筒的軸心鉆有兩個用于穿過并固定傳感器的核心部件--TEFLON AF2400管的小孔，在小孔與TEFLON AF2400管壁的結(jié)合處涂敷環(huán)氧樹脂膠，沿空心筒軸心安裝的TEFLON AF2400管被固定并形成傳感器總成的兩個套接的、相互隔絕的管狀通道，其內(nèi)通道為TEFLON AF2400管通道，為指示劑-緩沖溶液的存儲與更換流通渠道；外通道為空心筒，是海水或氣體樣的流通通道，內(nèi)、外通道均由輸入端口與輸出端口與外部連接。
RMMA光纖跳線C，兩端各露出裸芯，一端裸芯的末梢置放于聚焦透鏡的焦點處，用于引入三單色光束；另一端用于插入傳感器核心部件TEFLON AF2400管內(nèi)，432nm、620nm以及740nm的三單色光束經(jīng)由光纖跳線C引入TEFLON AF2400液芯波導(dǎo)管中。
PMMA光纖跳線D，一端露出的裸芯插入傳感器核心部件TEFLON AF2400管的另一端，用于將經(jīng)傳感器核心部件TEFLON AF2400液芯波導(dǎo)吸收管內(nèi)的液態(tài)樣品吸收后的單色光引出，并經(jīng)光纖跳線D導(dǎo)入光電檢測放大器供檢測。
光源總成的3片窄帶干涉濾光片分別設(shè)置于發(fā)光二極管前端，并分別對應(yīng)于相對的發(fā)光二極管的發(fā)射光譜的中心波長，光束穿過窄帶干涉濾光片后其光譜的半波寬度從原來的大約50nm降為約10nm，即Δfn≈10nm，從而使光束的光譜符合分析級單色光的要求。具體應(yīng)用中Δfn(432nm)＝8，Δfn(620nm)＝8，Δfn(740nm)＝9；3片聚焦透鏡分別設(shè)置于3片窄帶干涉濾光片前，經(jīng)窄帶干涉濾光片限寬與修正后的單色光束由聚焦透鏡聚焦并匯聚于焦點處。具體應(yīng)用中焦點位于聚焦透鏡前28.3mm處，準(zhǔn)確設(shè)計與制作的3片聚焦透鏡的焦點為空間的同一點。
傳感器總成的內(nèi)部為空心筒狀形式，空心筒長120mm，筒徑為8mm。沿空心筒軸心安裝的TEFLON AF2400管被固定并形成傳感器總成的兩個套接的、相互隔絕的管狀通道中。通常在應(yīng)用中，內(nèi)通道的輸入端與恒量脈沖泵的輸出口連接(恒量脈沖泵的輸入口串接試劑袋或純水袋)，內(nèi)通道的輸出端與廢液回收袋連接。外通道的輸入端口與水泵或氣泵連接，外通道的輸出端口為出水或出氣口；傳感器核心部件TEFLON AF2400管可以是一根長150mm的空心管(兩端各露出傳感器總成空心筒兩端的圓形壁約10mm)，內(nèi)徑0.6mm，外徑0.81mm。管壁具有可滲透氣體的性質(zhì)且它的光折射率約為1.29，小于水的折射率1.33及絕大部分溶液的折射率。432nm、620nm和740nm的單色光經(jīng)管內(nèi)注滿的指示劑-緩沖溶液進行傳輸時，僅發(fā)生符合吸收光度定義的改變而無逸出光損耗。TEFLON AF2400管6在傳感過程中是以全反射折線光程形式傳播光束的，所以吸收光程大于管長，作為液芯波導(dǎo)吸收管具有極高的檢測靈敏度。
實用中，RMMA光纖跳線C的兩端各露出20mm長度、直徑為0.5mm的裸芯。一端裸芯的末梢準(zhǔn)確置放于聚焦透鏡的焦點處，用于引入三單色光束；另一端用于方便地插入內(nèi)徑為0.6mm的傳感器核心部件TEFLON AF2400管內(nèi)。而PMMA光纖跳線D的一端露出20mm長度、直徑為0.5mm的裸芯，插入傳感器核心部件TEFLON AF2400管的另一端，用于將經(jīng)傳感器核心部件TEFLON AF2400液芯波導(dǎo)吸收管內(nèi)的液態(tài)樣品吸收后的單色光引出，并經(jīng)光纖跳線D導(dǎo)入光電檢測放大器供檢測。
由于TEFLON AF2400管具有的波導(dǎo)性質(zhì)，近二、三年獲得了部分科研單位與大專院校研究機構(gòu)的關(guān)注，在許多領(lǐng)域進行了嘗試與研究，但多局限于簡單地對現(xiàn)成光學(xué)儀器的外圍結(jié)構(gòu)進行改進的實驗室學(xué)術(shù)研究。采用TEFLON AF2400液芯波導(dǎo)系統(tǒng)，應(yīng)用分光吸收法對CO2分壓進行檢測的完整的新技術(shù)實用模型未見提及與報道，使用單位仍然沿用成熟的非色散紅外法對CO2分壓進行檢測。本發(fā)明的應(yīng)用可開CO2辟分壓實用檢測技術(shù)的另一條有效途徑，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點是1)精度高，響應(yīng)速度快，能免校正長期自動運行。容易開發(fā)出無人值守條件下的自動監(jiān)測系統(tǒng)，如應(yīng)用于海洋大型浮標(biāo)對海洋表層的水、氣CO2進行長期自動監(jiān)測。
2)獨立的分光光源體系，可單獨調(diào)整不同分光光源的發(fā)光功率，解決不同分光吸收值幅值離散性較大而無法實時同步檢測的問題，指示劑-緩沖溶液調(diào)制匹配容易。
3)光學(xué)部件簡單，不需要轉(zhuǎn)動與不斷調(diào)整，可實施緊固工藝，無機械因素帶來的檢測誤差。
4)低功耗，整個完整的檢測系統(tǒng)功耗可控制在6瓦以內(nèi)，大大低于使用非色散紅外法對CO2進行檢測的儀器，更適應(yīng)野外現(xiàn)場環(huán)境使用條件。


圖1為基于TEFLON AF2400液芯波導(dǎo)管的二氧化碳自動監(jiān)測系統(tǒng)與光源環(huán)路控制原理圖。在圖1中，各部分的標(biāo)記如下分析系統(tǒng)A窄帶光源總成，B傳感器總成，C光纖跳線，D光纖跳線；部件A1高亮度發(fā)光二極管，A2窄帶干涉濾光片，A3聚焦透鏡，B1TEFLON AF2400波導(dǎo)管；1恒量脈沖泵，2試劑袋，3空白純水袋，4廢液回收袋，5海水泵或氣體泵，6被吸收光檢測放大器，7微處理器，8反比例控制光源功率的控制與驅(qū)動電路。
具體實施例方式
以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
參見圖1，本發(fā)明可與檢測和微處理器控制系統(tǒng)及輔助技術(shù)電路組成一種能提供在無人值守的情況下長期對水體或大氣中的二氧化碳分壓(pCO2)進行實時高精度自動監(jiān)測的檢測系統(tǒng)。本發(fā)明包括1)窄帶光源總成A，發(fā)射光源采用超高亮度的發(fā)光二極管A1，一共3只，發(fā)射光強均大于2500mcd，中心波長分別為432nm、620nm和740nm。超高亮度的發(fā)光二極管是近十年來發(fā)展最快的光源，具有高效與低功率損耗的特點，其使用壽命為常用光源的100倍以上。它同時具有發(fā)射光譜窄帶的特性，通常情況下半波寬度約為50nm，雖然它還未達到化學(xué)分析級的標(biāo)準(zhǔn)。
為使入射傳感器的光束帶寬達到分析級標(biāo)準(zhǔn)(≤10nm)，在每顆超高亮度的發(fā)光二極管的前端各固定放置了對應(yīng)于其發(fā)射光中心波長的窄帶干涉濾光片A2，使穿過窄帶干涉濾光片后的光束半波寬度降到分析級的水平。具體指標(biāo)為fn＝432nm，Δfn＝8；fn＝620nm，Δfn＝8；fn＝740nm，Δfn＝9。
選用的3只超高亮度的發(fā)光二極管A1沿光源發(fā)射方向中心軸線的光發(fā)散角為12.5度，采用焦距為28.3mm的聚焦透鏡A3固定于窄帶干涉濾光片A2前，則經(jīng)窄帶干涉濾光片A2限寬與修正后的單色光束將在聚焦透鏡A3前2.83cm處產(chǎn)生焦點F。
為使3束單色光集聚于同一焦點F，在同一平面上以焦點F為始點作3條直線通孔(5)，相鄰直線通孔間的角度為15度，每條直線通孔上距離焦點28.3mm處各安裝1片聚焦透鏡A3，然后繼續(xù)延伸并按次序安裝窄帶干涉濾光片A2和相對應(yīng)的超高亮度的發(fā)光二極管A1。
將1根裸芯直徑為0.5mm的PMMA光纖跳線C一端的末端準(zhǔn)確置于焦點上并予以固定。
將所有的超高亮度的發(fā)光二極管A1、窄帶干涉濾光片A2、聚焦透鏡A3與光纖跳線C的末梢全部安裝與固定在稱為“窄帶光源總成”的黑色ABS塑料模塊A內(nèi)。
經(jīng)“窄帶光源總成”產(chǎn)生的432nm、620nm和740nm的單色光最終全部經(jīng)由PMMA光纖跳線C接收、傳輸并導(dǎo)入傳感器基礎(chǔ)核心部件TEFLON AF2400管B1中。
2)傳感器總成B，采用的PMMA光纖跳線對432nm、620nm和740nm的單色光具有平坦的傳輸特性與低的介質(zhì)損耗。把連接“窄帶光源總成B”的PMMA光纖跳線C的另一端，裸露出長約20mm的裸芯，直接插入TEFLON AF2400管B1內(nèi)的一端，將由“窄帶光源總成”產(chǎn)生的單色光簡單且十分有效地引入傳感器，同時留下的裸芯與TEFLON AF2400管B1內(nèi)徑的差異間隙，作為更換緩沖溶液的注入(出)口。采用同樣的方法，用另一根相同的光纖跳線D，連接TEFLON AF2400管B1的另一端和光電檢測放大器6。
傳感器總成分為沿TEFLON AF2400管B1形成的兩個空心的管狀內(nèi)、外通道BT1和BT2并相互隔絕。內(nèi)通道BT1為指示劑-緩沖溶液的更換流通渠道，內(nèi)與TEFLON AF2400管內(nèi)相通，外經(jīng)接口與恒量脈沖泵1、試劑袋2(或空白純水袋3)、廢液回收袋4相連。在設(shè)定的定時時間間隔周期啟動恒量脈沖泵1，將對TEFLON AF2400管B1內(nèi)的指示劑-緩沖溶液進行自動更新。外通道BT2為海水或氣體樣品的流通通道，經(jīng)海水泵或氣體泵5抽取的水樣或氣樣由接口流入傳感器總成并與TEFLON AF2400管B1外壁產(chǎn)生充分接觸，攜帶的CO2分壓含量滲透到TEFLON AF2400管B1內(nèi)與碳酸鹽體系的緩沖溶液發(fā)生水合、離解、顯色等反應(yīng)。
在6s時間內(nèi)，依次開啟432nm、620nm和740nm的單色光(每個單色光打開時間為2s)，光電檢測放大器6依次檢測到經(jīng)連接光纖傳導(dǎo)來的相對應(yīng)的經(jīng)液芯波導(dǎo)吸收池吸收后的單色光，微處理器7把它們作為三通道的原始檢測數(shù)據(jù)予以保留、存儲以備處理。
經(jīng)海水泵或氣體泵5抽取的水樣或氣樣流經(jīng)TEFLON AF2400管B1外壁，樣品中的CO2透過管壁滲透到指示劑，和指示劑溶液充分混合，并在一定時間內(nèi)和外部CO2達到平衡且存在平衡關(guān)系式[H+]3+([Na+]-KaCHIn/(Ka+[H+]))[H+]2-(K1KhpCO2+Kw)[H+]-2K1K2KhpCO2＝0其中，K1、K2分別為碳酸的一級和二級離解平衡常數(shù)，Kh為亨利常數(shù)，Ka為指示劑離解平衡常數(shù)，CHIn是指示劑的總濃度，[Na+]是指示劑溶液中Na+離子的濃度，Kw是水的離解平衡常數(shù)。由上述平衡關(guān)系式可得出指示劑溶液中H+濃度和樣品中pCO2的關(guān)系；可見，只要測定指示劑溶液的pH值，理論上就可由各平衡常數(shù)計算樣品的pCO2。
由上述關(guān)系式作為本發(fā)明系統(tǒng)的原始檢測數(shù)值分析的理論基礎(chǔ)，具體的標(biāo)定(參數(shù)與系數(shù)的確定)過程是對已經(jīng)充滿空白液體(純水)的TEFLON AF2400管B1，測得432nm、620nm和740nm的分光光度值作為空白檢測值并予以保留；建立不同CO2分壓濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體并注入已經(jīng)充滿指示劑-緩沖溶液的TEFLON AF2400管外層通道中，待完全響應(yīng)后(2min)，測得432nm、620nm和740nm的分光光度值。由空白檢測值與標(biāo)樣檢測值、指示劑-緩沖體系的水合離解平衡方程及多波長分光光度法計算方程得出傳感器對應(yīng)于CO2標(biāo)樣的響應(yīng)值，然后通過檢測不同濃度CO2標(biāo)樣建立標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。
由微處理器定時器控制的超高亮度的發(fā)光二極管光源，每2min打開1次，每次6s每光源2s。時間與時序的安排既保證了響應(yīng)時間，又保證了實時性。
在圖1中還給出相關(guān)的檢測與微處理器控制系統(tǒng)及輔助技術(shù)電路，其組成和原理如下具有固定增益的高分辨率硅光電檢測放大器6用于對經(jīng)吸收池樣品吸收后輸出的單色光進行光電轉(zhuǎn)換并進行檢測放大。應(yīng)用的采樣電阻即可變增益電阻的典型值為1G歐姆，配合的光電轉(zhuǎn)換器件為S1226-44BQ型硅光電二極管(Hamamatsu Corp.Japan)，可獲得穩(wěn)定的低至10-6Lx光照度的檢測下限。本發(fā)明在檢測過程中與量程自動擴展的轉(zhuǎn)換過程中并未對這個1G歐姆做任何阻值的改變，所以光電檢測放大器6的增益是固定的，前置輸入回路僅為串聯(lián)有采樣電阻的一個環(huán)路，環(huán)路數(shù)達到最小。因此，合理應(yīng)用電子制作工藝制造的光電檢測放大器部件對光信號的檢測靈敏度可達到或接近硅光電二極管噪聲等效功率的檢測限。
本發(fā)明作為一種能提供在無人值守的情況下長期對水體或大氣中的二氧化碳分壓(pCO2)進行實時高精度自動監(jiān)測的檢測系統(tǒng)，雖然采用了消除同步檢測多波長幅值離散性大的不利因素的技術(shù)與參比檢測值替代方案，即可控制與可單獨調(diào)整的多光源分光技術(shù)與不敏感態(tài)740nm分光光源，使得系統(tǒng)在一段較長的時間內(nèi)是免須校正的。但隨著系統(tǒng)使用時間的延長，TEFLON AF2400管內(nèi)壁將附著指示劑-緩沖溶液中的雜質(zhì)及本身的結(jié)晶附著與沉積，它會使TEFLON AF2400管壁的反射光形式發(fā)生變化，結(jié)果使得光束通過TEFLON AF2400液芯波導(dǎo)池時損耗增加，輸出光信號下降，偏離了建立的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。同時由于傳感器安裝平臺(如浮標(biāo))的機械振動、碰撞等也可能使光路發(fā)生細微改變，造成各波長之間的信號強度比例發(fā)生改變，從而使傳感器的響應(yīng)偏離安裝前建立的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。下列提供的輔助設(shè)施與技術(shù)，可校正這種偏離。
a.額外提供的空白試劑(純水)。它存儲在空白試劑袋3中，在系統(tǒng)連續(xù)使用一段較長時間后，由微處理器7自動啟動恒量脈沖泵(試劑泵)1抽入TEFLON AF2400管B1中，用于重新標(biāo)定空白檢測值。
b.應(yīng)用一種“反比例控制光源功率的吸收光檢測量程自動擴展電路”，它能通過反比例改變光源功率達到自動擴展吸收光檢測量程的目的。可有效檢測因結(jié)晶或沉淀、或其他任何因素造成的使光電檢測放大器落入臨界截止?fàn)顟B(tài)(如上述發(fā)生的光的額外吸收與逸出損耗)或臨界飽和狀態(tài)的信息，并自動恢復(fù)光電檢測放大器重新工作于放大區(qū)。
參見圖1，“反比例控制光源功率的吸收光檢測量程自動擴展技術(shù)”采用以下部件組成。
微處理器系統(tǒng)7，采用PIC16F77單片機。微處理器系統(tǒng)設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換器、檢測數(shù)值上/下限判別電路、檢測數(shù)值N倍乘運算電路和上限/下限溢出脈沖發(fā)生器。其中，A/D轉(zhuǎn)換器輸入端接光電檢測放大器的檢測數(shù)值模擬信號輸出端。用于1)將硅光電檢測放大器輸出的光電檢測數(shù)值進行A/D轉(zhuǎn)換；2)對檢測數(shù)值的上/下限進行判別；3)當(dāng)檢測數(shù)值超越上限值或下限值時，生成上限溢出脈沖或下限溢出脈沖，由相應(yīng)I/O口輸出；4)檢測數(shù)值上/下限判別電路同時控制檢測數(shù)值N倍乘運算電路當(dāng)檢測數(shù)值未發(fā)生上/下限溢出時，關(guān)閉N倍乘運算功能，檢測數(shù)值未經(jīng)乘法運算而直接輸出；當(dāng)檢測數(shù)值發(fā)生上限溢出時，開啟N倍乘運算功能，檢測數(shù)值須經(jīng)N倍乘法運算后才輸出(此狀態(tài)即N倍量程的擴展?fàn)顟B(tài))；當(dāng)檢測數(shù)值在N倍量程的擴展?fàn)顟B(tài)下發(fā)生下限溢出，則再度關(guān)閉N倍乘運算功能，檢測數(shù)值恢復(fù)直接輸出而不再進行N倍乘法運算(即回到量程未擴展的狀態(tài))。
微處理器對上述數(shù)值運算的控制具有“記憶”的功能，即未發(fā)生數(shù)值溢出時，先前的數(shù)值運算法則將持續(xù)進行下去。僅當(dāng)發(fā)生數(shù)值溢出時(生成溢出脈沖時)，數(shù)值運算法則才發(fā)生相應(yīng)的改變并繼續(xù)保持改變后的數(shù)值運算法直到產(chǎn)生新的數(shù)值溢出。
反比例控制光源功率的控制與驅(qū)動電路8，具有1)三路量程自動擴展記憶電路，由移位寄存器(可采用MN4194集成電路)與輸出緩沖門組成。移位寄存器右移輸入端接微處理器上限溢出脈沖輸出端，移位寄存器左移輸入端接微處理器下限溢出脈沖輸出端。當(dāng)微處理器產(chǎn)生上限溢出脈沖時，移位寄存器的輸出狀態(tài)發(fā)生邏輯狀態(tài)為“1”的右移變化；當(dāng)微處理器產(chǎn)生下限溢出脈沖時，移位寄存器的輸出狀態(tài)發(fā)生邏輯狀態(tài)為“1”的左移變化；當(dāng)微處理器未產(chǎn)生任何溢出脈沖時，移位寄存器的輸出狀態(tài)保持不變。從而自動與微處理器系統(tǒng)的檢測數(shù)值N倍乘運算電路同步工作在或者為量程未擴展的狀態(tài)，或者為N倍量程的擴展?fàn)顟B(tài)，且同樣具有“記憶”的功能。
移位寄存器的輸出狀態(tài)經(jīng)輸出緩沖門控制電子開關(guān)的導(dǎo)通或斷開，本發(fā)明中當(dāng)發(fā)生N倍量程的擴展時，電子開關(guān)是導(dǎo)通的；當(dāng)量程未被擴展時，電子開關(guān)是斷開的。
2)脈沖寬度占空比例整定電路，由時基電路組成，典型應(yīng)用為時基集成電路NE555。在電子開關(guān)斷開的情況下，即量程未擴展?fàn)顟B(tài)，它產(chǎn)生基準(zhǔn)脈沖，其脈沖占空比例通常為50％(預(yù)先設(shè)定)。當(dāng)發(fā)生量程擴展時，電子開關(guān)導(dǎo)通，可精確調(diào)整的電阻網(wǎng)絡(luò)并入決定脈沖占空比的RC充電電路(時基集成電路的外圍電路)，使得RC充電時間變短，從而改變了生成脈沖在脈沖周期中的占空比例。精確調(diào)整經(jīng)電子開關(guān)接入的電阻網(wǎng)絡(luò)，可使生成脈沖的占空比為原基準(zhǔn)脈沖占空比的N分之一，即原基準(zhǔn)脈沖的占空比例為50％時，電子開關(guān)的導(dǎo)通則使得下級脈沖占空比/脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖的占空比例變?yōu)?/N×50％。
3)光源功率控制電路，用于在頻率脈沖作用下，提供具有良好工作穩(wěn)定性的光源的脈沖驅(qū)動，其輸入端接脈沖占空比/脈沖發(fā)生器的輸出端，輸出端接光源(發(fā)光二極管或激光二極管)，電路組成為具有良好溫度穩(wěn)定性的負反饋型共集電極功率驅(qū)動電路。組成電路提供給光源的脈動直流電流大小幾乎不受使用環(huán)境溫度與光源負載大小的影響，而僅取決于設(shè)計上對負反饋元件的給定。因而，在光源的脈動直流電流工作點恒定的情況下，發(fā)光二極管或激光二極管光源的發(fā)光功率與驅(qū)動脈沖的脈沖占空比呈線性的正比例關(guān)系。利用這種線性的比例關(guān)系實施對光源的反比例控制，即實現(xiàn)了當(dāng)光電檢測量程需要擴展時對光源發(fā)光功率的反比例控制功能。
由上述a，b，c單元組成的“反比例控制光源功率的控制與驅(qū)動電路8”具有功能完全相同的三個組成電路，分別對432nm、620nm和740nm中心波長的LED光源進行獨立的光源功率的反比例控制，彼此之間互不干擾，因而可僅用一個固定增益的高分辨率硅光電檢測放大器實現(xiàn)實時三路吸收光檢測量程的N倍自動擴展。它們的區(qū)分與處理是由微處理器系統(tǒng)7進行控制的。
顯然，若微處理器預(yù)先設(shè)定的上、下限值分別代表光電檢測放大器的線性區(qū)域與飽和區(qū)域、線性區(qū)域與截止區(qū)域的臨界點，則當(dāng)檢測數(shù)值大于上限值時，固定增益的光電檢測放大器已經(jīng)工作在飽和區(qū)，讓光源發(fā)光功率依N比例減小，可使檢測工作點“下拉”回到光電檢測放大器的線性區(qū)域；當(dāng)檢測數(shù)值小于下限值時，光電檢測放大器已經(jīng)工作在截止區(qū)，讓光源發(fā)光功率恢復(fù)原來的強度，可使檢測工作點“上拉”回到光電檢測放大器的線性區(qū)域。
因此，確切地說，應(yīng)用上述部件組成的“反比例控制光源功率的光檢測量程自動擴展電路”是一種自動地進行檢測數(shù)值的判別然后讓脫離光電檢測放大器檢測線性放大區(qū)域的工作點自動回到線性放大區(qū)域的智能技術(shù)應(yīng)用，但它最大的特點是運用了“虛擬”技術(shù)。在N倍量程自動擴展的轉(zhuǎn)換過程中，光電檢測放大器的線性區(qū)域并未被真正向上延伸了N倍而是始終保持原設(shè)計的線性區(qū)域不變，但我們在理論上可以把N倍量程的延伸直線視為“虛線線性區(qū)域”、技術(shù)上認為檢測放大器的線性檢測能力是無限的，檢測到實際檢測數(shù)值然后應(yīng)用N倍率進行等效換算獲得精確的等效結(jié)果。
綜上所述，本發(fā)明是一種不同于廣泛使用的非色散紅外光度法對水體或大氣中的二氧化碳分壓(pCO2)進行檢測的技術(shù)。傳感器基礎(chǔ)核心部件是TEFLON AF2400(DuPont Company，USA)管，管中注滿了指示劑-緩沖溶液，組成可選擇性滲透氣體的液芯波導(dǎo)管。它既作為比色池又作為液芯波導(dǎo)光纖傳導(dǎo)檢測光，所以可建立比通常分光光度儀吸收(比色)池長得多的吸收光程以獲得高的檢測靈敏度。采用的技術(shù)與檢測方法除匹配其特殊性外，充分考慮了海洋浮標(biāo)環(huán)境的使用條件，所以與常規(guī)分光光度儀的檢測技術(shù)相比較有很大的不同且系統(tǒng)的功耗極低。
權(quán)利要求
1.多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測裝置，其特征在于設(shè)有光源總成、傳感器總成、連接光源總成與傳感器總成的光纖跳線C和連接傳感器總成與光電檢測放大器的光纖跳線D；光源總成設(shè)有發(fā)射光源，選自3只超高亮度發(fā)光二極管，發(fā)射光強均大于2500mcd，中心波長分別為432、620和740nm，分別對應(yīng)于指示劑-緩沖溶液體系對高濃度CO2的敏感的酸態(tài)吸收、對低濃度CO2的敏感的堿態(tài)吸收以及對200～800μatm全程檢測限內(nèi)的C02濃度不敏感態(tài)；3片窄帶干涉濾光片，分別設(shè)置于發(fā)光二極管前端，并分別對應(yīng)于相對的發(fā)光二極管的發(fā)射光譜的中心波長；3片聚焦透鏡，分別設(shè)置于3片窄帶干涉濾光片前，經(jīng)窄帶干涉濾光片限寬與修正后的單色光束由聚焦透鏡聚焦并匯聚于焦點處；傳感器總成的內(nèi)部為空心筒狀形式，在空心筒兩端的圓形壁上沿空心筒的軸心鉆有兩個用于穿過并固定傳感器的核心部件--TEFLON AF2400管的小孔，在小孔與TEFLON AF2400管壁的結(jié)合處涂敷環(huán)氧樹脂膠，沿空心筒軸心安裝的TEFLON AF2400管被固定并形成傳感器總成的兩個套接的、相互隔絕的管狀通道，其內(nèi)通道為TEFLON AF2400管通道，為指示劑-緩沖溶液的存儲與更換流通渠道；外通道為空心筒，是海水或氣體樣的流通通道，內(nèi)、外通道均由輸入端口與輸出端口與外部連接；光纖跳線C的兩端各露出裸芯，一端裸芯的末梢置放于聚焦透鏡的焦點處，用于引入三單色光束；另一端用于插入傳感器核心部件TEFLON AF2400管內(nèi)，432nm、620nm以及740nm的三單色光束經(jīng)由光纖跳線C引入TEFLON AF2400液芯波導(dǎo)管中；光纖跳線D的一端露出的裸芯插入傳感器核心部件TEFLON AF2400管的另一端，用于將經(jīng)傳感器核心部件TEFLON AF2400液芯波導(dǎo)吸收管內(nèi)的液態(tài)樣品吸收后的單色光引出，并經(jīng)光纖跳線D導(dǎo)入光電檢測放大器供檢測。
2.如權(quán)利要求1所述的多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測裝置，其特征在于光源總成的3片窄帶干涉濾光片分別設(shè)置于發(fā)光二極管前端，并分別對應(yīng)于相對的發(fā)光二極管的發(fā)射光譜的中心波長，光束穿過窄帶干涉濾光片后其光譜的半波寬度Δfn≈10nm。
3.如權(quán)利要求2所述的多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測裝置，其特征在于所述的Δfn為Δfn(432nm)＝8，Δfn(620nm)＝8，Δfn(740nm)＝9。
4.如權(quán)利要求2所述的多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測裝置，其特征在于所述的焦點位于聚焦透鏡前28.3mm處，3片聚焦透鏡的焦點為空間的同一點。
5.如權(quán)利要求1所述的多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測裝置，其特征在于所述的傳感器總成內(nèi)部的空心筒長為120mm，筒徑為8mm。
6.如權(quán)利要求1所述的多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測裝置，其特征在于內(nèi)通道的輸入端與恒量脈沖泵的輸出口連接，內(nèi)通道的輸出端與廢液回收袋連接。外通道的輸入端口與水泵或氣泵連接，外通道的輸出端口為出水或出氣口。
7.如權(quán)利要求1所述的多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測裝置，其特征在于傳感器核心部件TEFLON AF2400管為長150mm的空心管，兩端各露出傳感器總成空心筒兩端的圓形壁為10mm，內(nèi)徑為0.6mm，外徑為0.81mm。
8.如權(quán)利要求1或7所述的多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測裝置，其特征在于所述的TEFLON AF2400管管壁具有可滲透氣體的性質(zhì)且它的光折射率為1.29。
9.如權(quán)利要求1所述的多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測裝置，其特征在于所述的光纖跳線C的兩端各露出20mm長度、直徑為0.5mm的裸芯。
10.如權(quán)利要求1所述的多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測裝置，其特征在于所述的光纖跳線D的一端露出20mm長度、直徑為0.5mm的裸芯。
全文摘要
多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測裝置，涉及一種二氧化碳監(jiān)測裝置，尤其是涉及一種基于長光程液芯波導(dǎo)管的多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測系統(tǒng)裝置。提供一種功耗低，適合海洋現(xiàn)場使用環(huán)境，對水體或大氣中的二氧化碳分壓進行實時高精度自動監(jiān)測的多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測裝置。設(shè)有光源總成、傳感器總成、連接光源總成與傳感器總成的光纖跳線C和連接傳感器總成與光電檢測放大器的光纖跳線D。光源總成設(shè)有發(fā)射光源、3片窄帶干涉濾光片和3片聚焦透鏡。傳感器總成的內(nèi)部為空心筒狀形式，在空心筒兩端的圓形壁上沿空心筒的軸心鉆有兩個用于穿過并固定傳感器的核心部件——TEFLON AF2400管的小孔。
文檔編號G01N21/01GK1793852SQ200510129959
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者戴民漢, 陳進順, 魯中明, 許昆明, 廖英豪 申請人:廈門大學(xué)