多波長分光態二氧化碳自動監測裝置的製作方法
2023-12-02 04:53:51 4
專利名稱：多波長分光態二氧化碳自動監測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種二氧化碳監測裝置，尤其是涉及一種基於長光程液芯波導管的多波長分光態二氧化碳自動監測系統裝置。
背景技術：
二氧化碳分壓(pCO2)和溶解氧(DO)是水環境中與生態狀況聯繫緊密的兩個重要指標，指示著生態系統中淨生產力和呼吸作用的強度、水體受汙染程度以及適於生物生長的狀況。與此同時，由於CO2是導致全球變暖的主要溫室氣體，與CO2相關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系統的碳循環研究，並正在醞釀與海洋碳循環相關的研究計劃，也急需發展對水中與空氣中的二氧化碳分壓(pCO2)進行精確監測的傳感器技術。
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，但由於相關儀器功耗大且無法定時自動定標的原因，以及通常儀器設計的目標環境為實驗室條件的緣故，難以滿足展現大洋水中pCO2微小變化和長期浮標監測的需要。
過去的十幾年中，隨著新型、廉價光學波導纖維的成功研製，也隨著化學和生物等領域對傳感器需求的增長，光纖化學傳感技術得到了飛速發展。CO2光纖化學傳感器的一般原理是樣品中離子態或自由態的CO2通過選擇性透過膜進入光纖探頭導致指示劑溶液pH值變化而使其中原有的敏感試劑發出螢光或引起透射光強度的變化，信號經光纖傳導至檢測器測量，此類傳感器亦稱為基於指示劑的光纖化學傳感器。大部分傳感器均將比色或螢光試劑封裝在光導纖維的末端，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。
採用聚四氟乙烯管--TEFLON AF2400型液芯波導系統進行液體樣品的光譜研究具有相當高的探測靈敏度，主要是由於TEFLON AF2400特有的低光折射率1.29，低於絕大多數液體樣品的折射率甚至是水(1.33)，所以液芯波導(LWCC)系統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，損耗僅取決於液芯介質損耗而無通常的漫射損耗，因而可利用來構建較一般吸收池長得多的吸收光程的光譜分析系統，以獲得高的檢測解析度。近兩年來，在弱信號領域拉曼光譜中，TEFLON AF2400亦獲得了重點的研究與應用。
基於光譜分析與分光吸收類儀器的技術與檢測方法若簡單照搬應用於TEFLON AF2400液芯波導系統對CO2濃度進行檢測，則存在如下不適應現場環境的因素a.光源功耗較大或壽命較短。常用的鎢燈、氘燈、氙燈、非半導體雷射光源等，消耗電功率約為十瓦到數十瓦，鎢燈、氘燈、氙燈的壽命為幾百到2千小時。
b.採用單光源全光譜吸收，進而分離吸收分光光譜的技術，光學部件較為複雜，分離度與分光中心波長的準確度依賴光學傳輸部件的機械固定程度高，檢測誤差大且易受海洋環境鹽霧、溼氣及顛簸震動的影響，無法在海洋環境中長期穩定可靠地工作；採用單光源預分單色光束吸收技術存在可移動光學部件較多的問題且當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範圍內較大，受限於單光源發光光譜強度在不同波長的均勻分布(不同波長的發射光強無法單獨調整)，其中一個分光吸收值可能超越總體預先設定觀測檢測限，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。
發明內容
本發明的目的在於提供一種功耗低，適合海洋現場使用環境，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測的多波長分光態二氧化碳自動監測裝置。
本發明的另一目的在於建立一種與常規分光吸收類儀器不相同的多單色光源技術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傳輸部件，結構相對簡單，且具有很高的採集數據解析度與靈敏度，以及長時間工作的穩定性。
本發明設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。
光源總成設有發射光源，選自3隻超高亮度發光二極體，發射光強均大於2500mcd，中心波長分別為432、620和740nm，分別對應於指示劑-緩衝溶液體系對高濃度CO2的敏感的酸態吸收、對低濃度CO2的敏感的鹼態吸收以及對200～800μatm全程檢測限內的CO2濃度不敏感態；3片窄帶幹涉濾光片，分別設置於發光二極體前端，並分別對應於相對的發光二極體的發射光譜的中心波長；3片聚焦透鏡，分別設置於3片窄帶幹涉濾光片前，經窄帶幹涉濾光片限寬與修正後的單色光束由聚焦透鏡聚焦並匯聚於焦點處。
傳感器總成的內部為空心筒狀形式，在空心筒兩端的圓形壁上沿空心筒的軸心鑽有兩個用於穿過並固定傳感器的核心部件--TEFLON AF2400管的小孔，在小孔與TEFLON AF2400管壁的結合處塗敷環氧樹脂膠，沿空心筒軸心安裝的TEFLON AF2400管被固定並形成傳感器總成的兩個套接的、相互隔絕的管狀通道，其內通道為TEFLON AF2400管通道，為指示劑-緩衝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、外通道均由輸入埠與輸出埠與外部連接。
RMMA光纖跳線C，兩端各露出裸芯，一端裸芯的末梢置放於聚焦透鏡的焦點處，用於引入三單色光束；另一端用於插入傳感器核心部件TEFLON AF2400管內，432nm、620nm以及740nm的三單色光束經由光纖跳線C引入TEFLON AF2400液芯波導管中。
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，用於將經傳感器核心部件TEFLON AF2400液芯波導吸收管內的液態樣品吸收後的單色光引出，並經光纖跳線D導入光電檢測放大器供檢測。
光源總成的3片窄帶幹涉濾光片分別設置於發光二極體前端，並分別對應於相對的發光二極體的發射光譜的中心波長，光束穿過窄帶幹涉濾光片後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。具體應用中Δfn(432nm)＝8，Δfn(620nm)＝8，Δfn(740nm)＝9；3片聚焦透鏡分別設置於3片窄帶幹涉濾光片前，經窄帶幹涉濾光片限寬與修正後的單色光束由聚焦透鏡聚焦並匯聚於焦點處。具體應用中焦點位於聚焦透鏡前28.3mm處，準確設計與製作的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管被固定並形成傳感器總成的兩個套接的、相互隔絕的管狀通道中。通常在應用中，內通道的輸入端與恆量脈衝泵的輸出口連接(恆量脈衝泵的輸入口串接試劑袋或純水袋)，內通道的輸出端與廢液回收袋連接。外通道的輸入埠與水泵或氣泵連接，外通道的輸出埠為出水或出氣口；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)，內徑0.6mm，外徑0.81mm。管壁具有可滲透氣體的性質且它的光折射率約為1.29，小於水的折射率1.33及絕大部分溶液的折射率。432nm、620nm和740nm的單色光經管內注滿的指示劑-緩衝溶液進行傳輸時，僅發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，所以吸收光程大於管長，作為液芯波導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。一端裸芯的末梢準確置放於聚焦透鏡的焦點處，用於引入三單色光束；另一端用於方便地插入內徑為0.6mm的傳感器核心部件TEFLON AF2400管內。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，用於將經傳感器核心部件TEFLON AF2400液芯波導吸收管內的液態樣品吸收後的單色光引出，並經光纖跳線D導入光電檢測放大器供檢測。
由於TEFLON AF2400管具有的波導性質，近二、三年獲得了部分科研單位與大專院校研究機構的關注，在許多領域進行了嘗試與研究，但多局限於簡單地對現成光學儀器的外圍結構進行改進的實驗室學術研究。採用TEFLON AF2400液芯波導系統，應用分光吸收法對CO2分壓進行檢測的完整的新技術實用模型未見提及與報導，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。本發明的應用可開CO2闢分壓實用檢測技術的另一條有效途徑，與現有技術相比，本發明的顯著優點是1)精度高，響應速度快，能免校正長期自動運行。容易開發出無人值守條件下的自動監測系統，如應用於海洋大型浮標對海洋表層的水、氣CO2進行長期自動監測。
2)獨立的分光光源體系，可單獨調整不同分光光源的發光功率，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-緩衝溶液調製匹配容易。
3)光學部件簡單，不需要轉動與不斷調整，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功耗可控制在6瓦以內，大大低於使用非色散紅外法對CO2進行檢測的儀器，更適應野外現場環境使用條件。
圖1為基於TEFLON AF2400液芯波導管的二氧化碳自動監測系統與光源環路控制原理圖。在圖1中，各部分的標記如下分析系統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高亮度發光二極體，A2窄帶幹涉濾光片，A3聚焦透鏡，B1TEFLON AF2400波導管；1恆量脈衝泵，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動電路。
具體實施例方式
以下實施例將結合附圖對本發明作進一步的說明。
參見圖1，本發明可與檢測和微處理器控制系統及輔助技術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測的檢測系統。本發明包括1)窄帶光源總成A，發射光源採用超高亮度的發光二極體A1，一共3隻，發射光強均大於2500mcd，中心波長分別為432nm、620nm和740nm。超高亮度的發光二極體是近十年來發展最快的光源，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分析級的標準。
為使入射傳感器的光束帶寬達到分析級標準(≤10nm)，在每顆超高亮度的發光二極體的前端各固定放置了對應於其發射光中心波長的窄帶幹涉濾光片A2，使穿過窄帶幹涉濾光片後的光束半波寬度降到分析級的水平。具體指標為fn＝432nm，Δfn＝8；fn＝620nm，Δfn＝8；fn＝740nm，Δfn＝9。
選用的3隻超高亮度的發光二極體A1沿光源發射方向中心軸線的光發散角為12.5度，採用焦距為28.3mm的聚焦透鏡A3固定於窄帶幹涉濾光片A2前，則經窄帶幹涉濾光片A2限寬與修正後的單色光束將在聚焦透鏡A3前2.83cm處產生焦點F。
為使3束單色光集聚於同一焦點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，然後繼續延伸並按次序安裝窄帶幹涉濾光片A2和相對應的超高亮度的發光二極體A1。
將1根裸芯直徑為0.5mm的PMMA光纖跳線C一端的末端準確置於焦點上並予以固定。
將所有的超高亮度的發光二極體A1、窄帶幹涉濾光片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。
經「窄帶光源總成」產生的432nm、620nm和740nm的單色光最終全部經由PMMA光纖跳線C接收、傳輸並導入傳感器基礎核心部件TEFLON AF2400管B1中。
2)傳感器總成B，採用的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內的一端，將由「窄帶光源總成」產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內徑的差異間隙，作為更換緩衝溶液的注入(出)口。採用同樣的方法，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、外通道BT1和BT2並相互隔絕。內通道BT1為指示劑-緩衝溶液的更換流通渠道，內與TEFLON AF2400管內相通，外經接口與恆量脈衝泵1、試劑袋2(或空白純水袋3)、廢液回收袋4相連。在設定的定時時間間隔周期啟動恆量脈衝泵1，將對TEFLON AF2400管B1內的指示劑-緩衝溶液進行自動更新。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並與TEFLON AF2400管B1外壁產生充分接觸，攜帶的CO2分壓含量滲透到TEFLON AF2400管B1內與碳酸鹽體系的緩衝溶液發生水合、離解、顯色等反應。
在6s時間內，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依次檢測到經連接光纖傳導來的相對應的經液芯波導吸收池吸收後的單色光，微處理器7把它們作為三通道的原始檢測數據予以保留、存儲以備處理。
經海水泵或氣體泵5抽取的水樣或氣樣流經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，並在一定時間內和外部CO2達到平衡且存在平衡關係式[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，Kh為亨利常數，Ka為指示劑離解平衡常數，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。由上述平衡關係式可得出指示劑溶液中H+濃度和樣品中pCO2的關係；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計算樣品的pCO2。
由上述關係式作為本發明系統的原始檢測數值分析的理論基礎，具體的標定(參數與係數的確定)過程是對已經充滿空白液體(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並予以保留；建立不同CO2分壓濃度的標準氣體並注入已經充滿指示劑-緩衝溶液的TEFLON AF2400管外層通道中，待完全響應後(2min)，測得432nm、620nm和740nm的分光光度值。由空白檢測值與標樣檢測值、指示劑-緩衝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於CO2標樣的響應值，然後通過檢測不同濃度CO2標樣建立標準工作曲線。
由微處理器定時器控制的超高亮度的發光二極體光源，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時間，又保證了實時性。
在圖1中還給出相關的檢測與微處理器控制系統及輔助技術電路，其組成和原理如下具有固定增益的高解析度矽光電檢測放大器6用於對經吸收池樣品吸收後輸出的單色光進行光電轉換並進行檢測放大。應用的採樣電阻即可變增益電阻的典型值為1G歐姆，配合的光電轉換器件為S1226-44BQ型矽光電二極體(Hamamatsu Corp.Japan)，可獲得穩定的低至10-6Lx光照度的檢測下限。本發明在檢測過程中與量程自動擴展的轉換過程中並未對這個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，前置輸入迴路僅為串聯有採樣電阻的一個環路，環路數達到最小。因此，合理應用電子製作工藝製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矽光電二極體噪聲等效功率的檢測限。
本發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測的檢測系統，雖然採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與參比檢測值替代方案，即可控制與可單獨調整的多光源分光技術與不敏感態740nm分光光源，使得系統在一段較長的時間內是免須校正的。但隨著系統使用時間的延長，TEFLON AF2400管內壁將附著指示劑-緩衝溶液中的雜質及本身的結晶附著與沉積，它會使TEFLON AF2400管壁的反射光形式發生變化，結果使得光束通過TEFLON AF2400液芯波導池時損耗增加，輸出光信號下降，偏離了建立的標準工作曲線。同時由於傳感器安裝平臺(如浮標)的機械振動、碰撞等也可能使光路發生細微改變，造成各波長之間的信號強度比例發生改變，從而使傳感器的響應偏離安裝前建立的標準工作曲線。下列提供的輔助設施與技術，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，在系統連續使用一段較長時間後，由微處理器7自動啟動恆量脈衝泵(試劑泵)1抽入TEFLON AF2400管B1中，用於重新標定空白檢測值。
b.應用一種「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。可有效檢測因結晶或沉澱、或其他任何因素造成的使光電檢測放大器落入臨界截止狀態(如上述發生的光的額外吸收與逸出損耗)或臨界飽和狀態的信息，並自動恢復光電檢測放大器重新工作於放大區。
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」採用以下部件組成。
微處理器系統7，採用PIC16F77單片機。微處理器系統設有A/D轉換器、檢測數值上/下限判別電路、檢測數值N倍乘運算電路和上限/下限溢出脈衝發生器。其中，A/D轉換器輸入端接光電檢測放大器的檢測數值模擬信號輸出端。用於1)將矽光電檢測放大器輸出的光電檢測數值進行A/D轉換；2)對檢測數值的上/下限進行判別；3)當檢測數值超越上限值或下限值時，生成上限溢出脈衝或下限溢出脈衝，由相應I/O口輸出；4)檢測數值上/下限判別電路同時控制檢測數值N倍乘運算電路當檢測數值未發生上/下限溢出時，關閉N倍乘運算功能，檢測數值未經乘法運算而直接輸出；當檢測數值發生上限溢出時，開啟N倍乘運算功能，檢測數值須經N倍乘法運算後才輸出(此狀態即N倍量程的擴展狀態)；當檢測數值在N倍量程的擴展狀態下發生下限溢出，則再度關閉N倍乘運算功能，檢測數值恢復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)。
微處理器對上述數值運算的控制具有「記憶」的功能，即未發生數值溢出時，先前的數值運算法則將持續進行下去。僅當發生數值溢出時(生成溢出脈衝時)，數值運算法則才發生相應的改變並繼續保持改變後的數值運算法直到產生新的數值溢出。
反比例控制光源功率的控制與驅動電路8，具有1)三路量程自動擴展記憶電路，由移位寄存器(可採用MN4194集成電路)與輸出緩衝門組成。移位寄存器右移輸入端接微處理器上限溢出脈衝輸出端，移位寄存器左移輸入端接微處理器下限溢出脈衝輸出端。當微處理器產生上限溢出脈衝時，移位寄存器的輸出狀態發生邏輯狀態為「1」的右移變化；當微處理器產生下限溢出脈衝時，移位寄存器的輸出狀態發生邏輯狀態為「1」的左移變化；當微處理器未產生任何溢出脈衝時，移位寄存器的輸出狀態保持不變。從而自動與微處理器系統的檢測數值N倍乘運算電路同步工作在或者為量程未擴展的狀態，或者為N倍量程的擴展狀態，且同樣具有「記憶」的功能。
移位寄存器的輸出狀態經輸出緩衝門控制電子開關的導通或斷開，本發明中當發生N倍量程的擴展時，電子開關是導通的；當量程未被擴展時，電子開關是斷開的。
2)脈衝寬度佔空比例整定電路，由時基電路組成，典型應用為時基集成電路NE555。在電子開關斷開的情況下，即量程未擴展狀態，它產生基準脈衝，其脈衝佔空比例通常為50％(預先設定)。當發生量程擴展時，電子開關導通，可精確調整的電阻網絡併入決定脈衝佔空比的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，從而改變了生成脈衝在脈衝周期中的佔空比例。精確調整經電子開關接入的電阻網絡，可使生成脈衝的佔空比為原基準脈衝佔空比的N分之一，即原基準脈衝的佔空比例為50％時，電子開關的導通則使得下級脈衝佔空比/脈衝發生器產生的脈衝的佔空比例變為1/N×50％。
3)光源功率控制電路，用於在頻率脈衝作用下，提供具有良好工作穩定性的光源的脈衝驅動，其輸入端接脈衝佔空比/脈衝發生器的輸出端，輸出端接光源(發光二極體或雷射二極體)，電路組成為具有良好溫度穩定性的負反饋型共集電極功率驅動電路。組成電路提供給光源的脈動直流電流大小几乎不受使用環境溫度與光源負載大小的影響，而僅取決於設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恆定的情況下，發光二極體或雷射二極體光源的發光功率與驅動脈衝的脈衝佔空比呈線性的正比例關係。利用這種線性的比例關係實施對光源的反比例控制，即實現了當光電檢測量程需要擴展時對光源發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，彼此之間互不幹擾，因而可僅用一個固定增益的高解析度矽光電檢測放大器實現實時三路吸收光檢測量程的N倍自動擴展。它們的區分與處理是由微處理器系統7進行控制的。
顯然，若微處理器預先設定的上、下限值分別代表光電檢測放大器的線性區域與飽和區域、線性區域與截止區域的臨界點，則當檢測數值大於上限值時，固定增益的光電檢測放大器已經工作在飽和區，讓光源發光功率依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域；當檢測數值小於下限值時，光電檢測放大器已經工作在截止區，讓光源發光功率恢復原來的強度，可使檢測工作點「上拉」回到光電檢測放大器的線性區域。
因此，確切地說，應用上述部件組成的「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值的判別然後讓脫離光電檢測放大器檢測線性放大區域的工作點自動回到線性放大區域的智能技術應用，但它最大的特點是運用了「虛擬」技術。在N倍量程自動擴展的轉換過程中，光電檢測放大器的線性區域並未被真正向上延伸了N倍而是始終保持原設計的線性區域不變，但我們在理論上可以把N倍量程的延伸直線視為「虛線線性區域」、技術上認為檢測放大器的線性檢測能力是無限的，檢測到實際檢測數值然後應用N倍率進行等效換算獲得精確的等效結果。
綜上所述，本發明是一種不同於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。傳感器基礎核心部件是TEFLON AF2400(DuPont Company，USA)管，管中注滿了指示劑-緩衝溶液，組成可選擇性滲透氣體的液芯波導管。它既作為比色池又作為液芯波導光纖傳導檢測光，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。採用的技術與檢測方法除匹配其特殊性外，充分考慮了海洋浮標環境的使用條件，所以與常規分光光度儀的檢測技術相比較有很大的不同且系統的功耗極低。
權利要求
1.多波長分光態二氧化碳自動監測裝置，其特徵在於設有光源總成、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；光源總成設有發射光源，選自3隻超高亮度發光二極體，發射光強均大於2500mcd，中心波長分別為432、620和740nm，分別對應於指示劑-緩衝溶液體系對高濃度CO2的敏感的酸態吸收、對低濃度CO2的敏感的鹼態吸收以及對200～800μatm全程檢測限內的C02濃度不敏感態；3片窄帶幹涉濾光片，分別設置於發光二極體前端，並分別對應於相對的發光二極體的發射光譜的中心波長；3片聚焦透鏡，分別設置於3片窄帶幹涉濾光片前，經窄帶幹涉濾光片限寬與修正後的單色光束由聚焦透鏡聚焦並匯聚於焦點處；傳感器總成的內部為空心筒狀形式，在空心筒兩端的圓形壁上沿空心筒的軸心鑽有兩個用於穿過並固定傳感器的核心部件--TEFLON AF2400管的小孔，在小孔與TEFLON AF2400管壁的結合處塗敷環氧樹脂膠，沿空心筒軸心安裝的TEFLON AF2400管被固定並形成傳感器總成的兩個套接的、相互隔絕的管狀通道，其內通道為TEFLON AF2400管通道，為指示劑-緩衝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、外通道均由輸入埠與輸出埠與外部連接；光纖跳線C的兩端各露出裸芯，一端裸芯的末梢置放於聚焦透鏡的焦點處，用於引入三單色光束；另一端用於插入傳感器核心部件TEFLON AF2400管內，432nm、620nm以及740nm的三單色光束經由光纖跳線C引入TEFLON AF2400液芯波導管中；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，用於將經傳感器核心部件TEFLON AF2400液芯波導吸收管內的液態樣品吸收後的單色光引出，並經光纖跳線D導入光電檢測放大器供檢測。
2.如權利要求1所述的多波長分光態二氧化碳自動監測裝置，其特徵在於光源總成的3片窄帶幹涉濾光片分別設置於發光二極體前端，並分別對應於相對的發光二極體的發射光譜的中心波長，光束穿過窄帶幹涉濾光片後其光譜的半波寬度Δfn≈10nm。
3.如權利要求2所述的多波長分光態二氧化碳自動監測裝置，其特徵在於所述的Δfn為Δfn(432nm)＝8，Δfn(620nm)＝8，Δfn(740nm)＝9。
4.如權利要求2所述的多波長分光態二氧化碳自動監測裝置，其特徵在於所述的焦點位於聚焦透鏡前28.3mm處，3片聚焦透鏡的焦點為空間的同一點。
5.如權利要求1所述的多波長分光態二氧化碳自動監測裝置，其特徵在於所述的傳感器總成內部的空心筒長為120mm，筒徑為8mm。
6.如權利要求1所述的多波長分光態二氧化碳自動監測裝置，其特徵在於內通道的輸入端與恆量脈衝泵的輸出口連接，內通道的輸出端與廢液回收袋連接。外通道的輸入埠與水泵或氣泵連接，外通道的輸出埠為出水或出氣口。
7.如權利要求1所述的多波長分光態二氧化碳自動監測裝置，其特徵在於傳感器核心部件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，內徑為0.6mm，外徑為0.81mm。
8.如權利要求1或7所述的多波長分光態二氧化碳自動監測裝置，其特徵在於所述的TEFLON AF2400管管壁具有可滲透氣體的性質且它的光折射率為1.29。
9.如權利要求1所述的多波長分光態二氧化碳自動監測裝置，其特徵在於所述的光纖跳線C的兩端各露出20mm長度、直徑為0.5mm的裸芯。
10.如權利要求1所述的多波長分光態二氧化碳自動監測裝置，其特徵在於所述的光纖跳線D的一端露出20mm長度、直徑為0.5mm的裸芯。
全文摘要
多波長分光態二氧化碳自動監測裝置，涉及一種二氧化碳監測裝置，尤其是涉及一種基於長光程液芯波導管的多波長分光態二氧化碳自動監測系統裝置。提供一種功耗低，適合海洋現場使用環境，對水體或大氣中的二氧化碳分壓進行實時高精度自動監測的多波長分光態二氧化碳自動監測裝置。設有光源總成、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。光源總成設有發射光源、3片窄帶幹涉濾光片和3片聚焦透鏡。傳感器總成的內部為空心筒狀形式，在空心筒兩端的圓形壁上沿空心筒的軸心鑽有兩個用於穿過並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 優先權日2005年12月16日
發明者戴民漢, 陳進順, 魯中明, 許昆明, 廖英豪 申請人:廈門大學