专利名称：在线测量生物量浓度的光纤传感器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器系统，具体涉及在线测量生物量浓度的光纤传感器系统。
背景技术：
在工业生化反应处理过程中，生物菌液的储存和使用时，对菌液的生物量浓度进行在线测量有着大量的需求，当菌液的生物量浓度不同时，其光的折射率不同，光在生物量浓度的溶液中传输，其光传输参量会发生变化，随着菌液浓度的不断增加，出射光强不断减弱，当光纤传感器外部的菌液的浓度发生改变时，菌液中光的吸收系数以及散射系数都会随之发生变化，从而可对不同菌液的生物量浓度进行在线测量，将该方法和技术应用于一般液体浓度的在线测量，有文献报道。但是，该方法应用于菌液的生物量浓度的在线测量的研究，未见文献报道。另外，现有技术中使用的光纤传感器的光耦合光程是固定的，对于不同的溶液需要特定的光纤传感器，同一光纤传感器无法适应不同溶液浓度测量的需要。
另外，目前可用于测试溶液浓度的化学仪器主要是分光光度计，这种化学仪器结构复杂，价格高，体积大，不能很好地实现在线测量。
发明内容
针对上述已有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供适用范围广、显示直观的在线测量生物量浓度的光纤传感器系统。
为了解决上述技术问题，根据本发明的一个技术方案，一种在线测量生物量浓度的光纤传感器系统，由光纤传感器、光电转换装置、数据处理显示单元构成，其中光纤传感器包括外壳、光纤探头，所述光纤探头由入射光纤和接收光纤构成，在入射光纤的前端有准值透镜，在接收光纤的前端有聚焦透镜；光电转换装置将接收光纤输出的光信号转换成电信号输入到数据处理显示单元；数据处理显示单元将电信号转换成生物量溶液浓度数据并显示；所述外壳内有通孔，在通孔的中部有台阶，所述光纤探头插入通孔中并通过通孔的台阶在垂直方向定位，所述光纤探头与外壳之间经耐腐蚀的螺钉径向固定，在外壳靠近底部部位开有窗口，同时在外壳底部安装有反射三棱镜，所述光纤传感器可以根据不同的待测溶液调整光纤探头在垂直方向的位置，由此可以改变光纤传感器的光耦合光程，使灵敏度达到最佳状态，使同一光纤传感器可适用于不同的溶液；外壳靠近底部部位开的窗口是为了被测溶液进入光纤传感器，准值透镜5可使光线变成平行光束与反射界面处有较大的接触面，从而使光纤传感器对被测溶液有较高灵敏度和较好的线性特性，反射三棱镜9使光强产生两次衰减，相当于对溶液的浓度信号起到了放大作用，从而使该传感器有较高灵敏度。
根据本发明所述的在线测量生物量浓度的光纤传感器系统的一个优选方案，所述数据处理显示单元由信号放大电路、A/D转换电路、单片机系统电路、显示电路构成，其中信号放大电路将光电转换装置输出的电信号放大成标准模拟信号输入到A/D转换电路；A/D转换电路将标准模拟信号转换成数字信号输入到单片机系统电路；
单片机系统电路接收A/D转换电路输出的数字信号，对数据进行处理与运算，使处理后的数据与生物量溶液浓度相对应；显示电路进行生物量溶液浓度数据显示。
根据本发明所述的在线测量生物量浓度的光纤传感器系统的一个优选方案，所述光源是近红外光源，波长为760nm。
根据本发明所述的在线测量生物量浓度的光纤传感器系统的一个优选方案，所述反射三棱镜是直角反射三棱镜，所述直角反射三棱镜的直角对应的边与光纤探头垂直，同时准值透镜和聚焦透镜的中心位置与光学反射三棱镜的两条直角边的距离相等；由此入射光纤发出的光与反射镜面成45度角经全反射到达另一个反射镜面，所述光线也与另一反射镜面呈45度角，同样会形成全发射现象，将光线反射回到聚焦透镜。
根据本发明所述的在线测量生物量浓度的光纤传感器系统的一个优选方案，所述反射三棱镜是等腰三角形的光学反射三棱镜，并在光学反射三棱镜的反射界面镀一层膜，通过在反射三棱镜的反射界面处进行镀膜，使光线在反射界面处产生更好的全反射，提高了被测溶液以及溶液浓度的变化对反射光能衰减的影响，从而提高了测试精度。
下面是实验验证先配制不同浓度的生物菌悬液在10个三角烧瓶里分别放入4ml、8ml、12ml……36ml、40ml的生物菌原液(该原液已经在一定体积的烧杯中生长饱和)，然后加入在各烧杯中加入蒸馏水(不能用自来水、矿泉水或其他含杂质的水，否则烧杯中的生物菌有了营养会繁殖，影响测量结果；并且，水中的部分大颗粒杂质会对光源产生散射，影响实验结果)混合配制成相同体积的菌悬液(实验中体积为250ml)。再拿一个空烧瓶加入250ml蒸馏水作参考液。然后在11个烧瓶上分别贴上对应的标签，放入冰箱待用。
测量不同浓度溶液的光电转换输出电压将光纤传感器放入烧杯中，在测试不同浓度溶液的时候，每测试完一种溶液就要把光纤传感器放入蒸馏水里涮洗，当光纤传感器放入烧瓶后要微微搅动，以加速微粒的扩散，使液晶显示加速稳定。
下面的表是用光纤传感器测量生物菌浓度时所记录的三组数据
其中，测试室温等于18℃；液体总体积为250ml；原液(生物菌液浓度最大时)所对应的电压值V等于0.187v；其中V1、V2、V3分别为三次测量的浓度所对应的电压值。
根据实验数据记录，由V1、V2、V3得到的平均值所绘制的曲线如图4所示，根据这条曲线可以清楚的看到传感器输出电压与生物菌液液浓度之间有着一一对应的关系，且随着生物菌液浓度的增加而减小。在生物菌液浓度较小时传感器输出电压与生物菌液体浓度之间存在着线性关系。而当生物菌液浓度较高时，传感器输出电压会迅速减少，而最终趋近一稳定值。
另外，为了作一个对比，用分光光度计测试了各浓度的OD值(吸光度)，分光光度计选用的是620nm的可见光源，下表所示的就是是各浓度生物菌液所对应的OD值
其中，测试室温等于18℃液体总体积等于250ml原液所对应的OD值等于1.505。
根据测试值绘制出如图5所示的曲线，从曲线图中可以看出，浓度越大，溶液吸收光的能力越强，即OD值随着浓度的增大逐渐增大。
由实验结果可得出如下结论①随着生物菌液体浓度的增大，光纤传感器的输出电压值减小，和理论相符。
②传感器所测得曲线基本上和用分光光度计所测得的OD值变化趋势基本上是可逆的，从而再次证明了此传感器设计的正确性。
③从线性范围方面看，在浓度4～28ml范围内，线性好，在28ml以上衰减变陡，非线性现象明显。
因此，利用本发明所述的光纤传感器系统进行生物量浓度在4～28ml范围内的测量是可行的，取得比较理想的效果。
本发明所述的测量铅酸电池容量的光纤传感器系统的有益效果是，可以根据不同的待测溶液调整光纤探头在垂直方向的位置，由此可以改变光纤传感器的光耦合光程，使灵敏度达到最佳状态，使同一光纤传感器可适用于不同的溶液，具有适应范围广、测量精度高、反应灵敏、显示直观、使用寿命长等优点，可广泛应用于制剂、制酒、微量分析、生化、环保等行业。
下面结合附图对本发明作详细说明。
图1是本发明所述的光纤传感器的剖视图。
图2是本发明所述的光纤传感器正视图。
图3是本发明所述的光纤传感器系统框图。
图4是本发明所述的光纤传感器系统测试的输出电压与生物量浓度关系曲线图。
图5是OD值(吸收光度)与生物量浓度之间的关系曲线图。
具体实施例方式
参见图1、图2和图3，在线测量生物量浓度的光纤传感器系统由光纤传感器20、光电转换装置14、数据处理显示单元19构成，其中所述光纤传感器13由外壳1、光纤探头2、准值透镜5、聚焦透镜6、反射三棱镜9构成，所述光纤探头2由入射光纤3和接收光纤4构成，在入射光纤3的前端有准值透镜5，在接收光纤4的前端有聚焦透镜6，所述外壳1内有通孔7，在通孔7的中部有台阶8，所述光纤探头2插入通孔7中并通过通孔7的台阶8在垂直方向定位，所述光纤探头与外壳1之间经耐腐蚀的螺钉11径向固定，在外壳1靠近底部部位开有窗口10，同时在外壳底部安装有反射三棱镜9；所述光纤传感器20通过入射光纤3发出光，经过准值透镜5-被测溶液-反射三棱镜9-被测溶液-聚焦透镜6后到达接收光纤4；光电转换装置14再将接收光纤4输出的光信号转换成电信号输入到数据处理显示单元19；数据处理显示单元19将电信号转换成生物量溶液浓度数据并显示；所述数据处理显示单元19由信号放大电路15、A/D转换电路16、单片机系统电路17、显示电路18构成，其中信号放大电路15将光电转换装置14发出的电信号放大成标准模拟信号输入到A/D转换电路16；A/D转换电路16将标准模拟信号转换成数字信号输入到单片机系统电路17；单片机系统电路17接收A/D转换电路16输出的数字信号，对数据进行处理与运算，使处理后的数据与生物量溶液浓度相对应；显示电路18进行生物量溶液浓度数据显示。
所述反射三棱镜9可以选择直角反射三棱镜，所述直角反射三棱镜的直角对应的边与光纤探头垂直，同时准值透镜5和聚焦透镜6的中心位置与光学反射三棱镜的两条直角边的距离相等；反射三棱镜的材料选用耐腐蚀的陶瓷或玻璃；其中，所述反射三棱镜9可以选用等腰三角形的光学反射三棱镜，并在光学反射三棱镜的反射界面镀一层膜；可以选用反射三棱镜为玻璃镜，玻璃耐腐蚀，光的反射性好。同时将反射三棱镜9通过防腐蚀的螺钉12与外壳1固定，或者通过粘接剂粘贴在外壳1的内底部，为便于安装，在所述外壳上端部设置安装头，安装头与外壳一体。
选择光纤传感器光源的波长为760nm，将光纤传感器的入射光纤3和接收光纤4连接光电转换装置14，同时将光电转换装置14、信号放大电路15、A/D转换电路16、单片机系统电路17、显示电路18顺序连接，将光纤传感器放入被测溶液中，将外壳1上端部设置的安装头13固定在盛被测溶液的壳体上，所述被测溶液通过光纤传感器外壳上的窗口10浸入光纤传感器，光经过入射光纤3进入准值透镜5，准值透镜5使光线全部聚焦形成平行光线经过被测溶液发射到反射三棱镜9，反射三棱镜9将接收到的光进行2次反射后再次经过被测溶液传输到聚焦透镜6，聚焦透镜6接收反射棱镜9反射的光并进行聚焦，发射给接收光纤4，接收光纤将光输出到光电转换装置14将光信号转换成电信号输入到信号放大电路15，信号放大电路15将电压放大后输入到A/D转换电路16转换成数字信号，单片机系统电路17接收A/D转换电路输出的数字信号，对数据进行处理与运算，使处理后的数据与蓄电池容量相对应，显示电路18实现数据动态显示；当被测液体浓度发生改变时，液体的光的吸收系数以及散射系数都会随之发生变化，接收光纤输出的光强会随之发生变化，光电转换装置14输出的电压信号随之发生变化，由此测试出溶液的浓度的变化，同时可以根据不同的待测溶液调整光纤探头2在垂直方向的位置，由此可以改变光纤传感器的光耦合光程，使灵敏度达到最佳状态，使同一光纤传感器可适用于不同的溶液。
权利要求
1.一种在线测量生物量浓度的光纤传感器系统，由光纤传感器(20)、光电转换装置(14)、数据处理显示单元(19)构成，其中光纤传感器(20)包括外壳(1)、光纤探头(2)，所述光纤探头(2)由入射光纤(3)和接收光纤(4)构成，在入射光纤(3)的前端有准值透镜(5)，在接收光纤(4)的前端有聚焦透镜(6)；光电转换装置(14)将接收光纤(4)输出的光信号转换成电信号输入到数据处理显示单元(19)；数据处理显示单元(19)将电信号转换成生物量溶液浓度数据并显示；其特征在于所述外壳(1)内有通孔(7)，在通孔(7)的中部有台阶(8)，所述光纤探头(2)插入通孔(7)中并通过通孔(7)的台阶(8)在垂直方向定位，所述光纤探头与外壳(1)之间经耐腐蚀的螺钉(11)径向固定，在外壳(1)靠近底部部位开有窗口(10)，同时在外壳(1)底部安装有反射三棱镜(9)。
2.根据权利要求1所述的在线测量生物量浓度的光纤传感器系统，其特征在于所述数据处理显示单元(19)由信号放大电路(15)、A/D转换电路(16)、单片机系统电路(17)、显示电路(18)构成，其中信号放大电路(15)将光电转换装置(14)输出的电信号放大成标准模拟信号输入到A/D转换路(16)；A/D转换电路(16)将标准模拟信号转换成数字信号输入到单片机系统电路(17)；单片机系统电路(17)接收A/D转换电路(16)输出的数字信号，对数据进行处理与运算，使处理后的数据与生物量溶液浓度相对应；显示电路(18)进行生物量溶液浓度数据显示。
3.根据权利要求1或2所述的在线测量生物量浓度的光纤传感器系统，其特征在于所述入射光纤(3)的光源的波长是760nm。
4.根据权利要求3所述的在线测量生物量浓度的光纤传感器系统，其特征在于所述反射三棱镜(9)是直角反射三棱镜，所述直角反射三棱镜的直角对应的边与光纤探头(2)垂直，同时准值透镜(5)和聚焦透镜(6)的中心位置与直角反射三棱镜的两条直角边的距离相等。
5.根据权利要求4所述的在线测量生物量浓度的光纤传感器系统，其特征在于所述反射三棱镜(9)是等腰三角形的光学反射三棱镜，并在光学反射三棱镜的反射界面镀一层膜。
全文摘要
一种在线测量生物量浓度的光纤传感器系统，由光纤传感器、光电转换装置、数据处理显示单元构成，其中光纤传感器包括外壳、光纤探头，所述光纤探头由入射光纤和接收光纤构成，在入射光纤的前端有准值透镜，在接收光纤的前端有聚焦透镜；其特征在于所述外壳内有通孔，在通孔的中部有台阶，所述光纤探头插入通孔中并通过通孔的台阶在垂直方向定位，所述光纤探头与外壳之间经耐腐蚀的螺钉径向固定，在外壳靠近底部部位开有窗口，同时在外壳底部安装有反射三棱镜，本发明可以根据不同的待测溶液调整光纤探头在垂直方向的位置，由此可以改变光纤传感器的光耦合光程，使同一光纤传感器可适用于不同的生物菌液的生物量浓度测量。
文档编号G01N21/84GK101042327SQ20071007825
公开日2007年9月26日 申请日期2007年3月2日 优先权日2007年3月2日
发明者赵明富, 廖强, 刘江华, 龙洁, 陈艳 申请人:重庆工学院