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光纤溶解氧传感器特性研究

作　者: 周冬秋
导　师: 肖韶荣
学　校: 南京信息工程大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 光纤传感器透过率溶解氧荧光猝灭锁相放大
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在前人研究的基础上,采用黄俊、张建标的成膜方法制备了氧传感膜。因为钌络合物对氧的灵敏度随着配体的刚性和电子基团的增加而增大,并且随着碳链的增长,荧光指示剂的憎水性增大,荧光指示剂的流失现象减少,能够延长膜的使用寿命。因此,采用三(4,7-联苯-1,10-邻菲啰啉)二氯化钌(Ru(dpp)3Cl2)为荧光指示剂,醋酸纤维素(CA)为基质材料,制备了基于荧光猝灭原理的光纤溶解氧传感器的传感膜,并对溶解氧传感膜的透过率进行了测试,结合目测、生物显微镜观察的情况,确定了制作传感膜的最佳配比。测试系统采用高亮度LED灯为光源,Y型玻璃光纤为荧光的传输介质,因为光纤很细,被光直接照射到的传感膜较少,探测器能够检测到的荧光非常弱,因此采用光电倍增管为探测器。为了排除环境杂散光的干扰,采用锁相放大技术测定荧光与激发光的滞后相移值来测定水溶氧的含量；为了滤除荧光中的激发光,在荧光进入光电倍增管之前用光栅光谱仪滤光。因为光电倍增管输出的是电流信号,所以要将电流信号转换成电压信号后再输入锁相放大器进行相位检测。为此,本实验室设计制作了电流-电压(I-U)转换电路。通过考查荧光指示剂的浓度、激发信号的频率、激发信号的占空比对光纤传感器检测精度的影响,确定了采用浓度为8mg/l的荧光指示剂的水溶液,激发信号采用频率为60KHz、占空比为10%的矩形信号。最后,对光纤溶解氧传感器的性能进行了测定,实验结果表明,该传感器的检测下限为0.3mg/l,检测精度为0.03mg/l,响应时间小于25s,并具有良好的重复性、稳定性,抗干扰能力强。其响应曲线具有良好的线性,符合Stern-Volmer方程。将光纤溶解氧传感器与RSS-5100型测氧仪进行了比较,二者没有显著差异。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
第一章绪论  8-14
  1.1 引言  8-9
  1.2 光纤传感介绍  9-11
    1.2.1 光纤传感技术及其特点  9-10
    1.2.2 光纤气体传感器及特点  10
    1.2.3 光纤荧光气体传感器  10-11
  1.3 国内外研究现状  11-12
  1.4 本论文的主要工作  12-13
  1.5 本章小结  13-14
第二章溶解氧浓度的检测方法与基本原理  14-23
  2.1 溶解氧浓度的测量方法  14-17
    2.1.1 化学测量法  14-15
    2.1.2 仪器法  15-16
    2.1.3 传感器法  16-17
  2.2 荧光的产生和猝灭  17-19
  2.3 光纤氧传感器的测量方法  19-22
    2.3.1 基于荧光猝灭的荧光测量原理  19-20
    2.3.2 测量荧光寿命的方法  20-22
  2.4 本章小结  22-23
第三章氧传感膜的制备  23-32
  3.1 荧光指示剂的选择  23-24
  3.2 基质材料的选择  24
  3.3 荧光指示剂的同定方法  24-25
  3.4 传感膜的制备方法  25-26
    3.4.1 化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)  25
    3.4.2 溶胶-凝胶法(sol-gel)  25
    3.4.3 溅射成膜法  25
    3.4.4 丝网印刷法  25-26
    3.4.5 倾注成膜法  26
  3.5 氧传感膜的制备  26-31
    3.5.1 实验仪器与试剂  26
    3.5.2 透过率测量装置  26-27
    3.5.3 实验方法及结果讨论  27-31
  3.6 本章小结  31-32
第四章光纤氧传感器设计  32-42
  4.1 元器件的选择  32-35
    4.1.1 光源的选择  32-33
    4.1.2 光电探测器的选择  33-35
    4.1.3 波长选择器的选择  35
  4.2 LED光源相对光谱测试  35-36
  4.3 电路设计  36-39
    4.3.1 光源驱动电路设计  36-37
    4.3.2 光电探测电路设计  37-39
  4.4 溶解氧检测装置  39-41
  4.5 本章小结  41-42
第五章光纤氧传感器性能测试  42-51
  5.1 实验部分  42-44
    5.1.1 实验仪器  42
    5.1.2 实验步骤  42-43
    5.1.3 氧传感膜的制备  43
    5.1.4 溶解氧的检测系统  43-44
  5.2 测试与讨论  44-50
    5.2.1 传感膜对传感器的影响  44-47
    5.2.2 电路参数对传感器的影响  47-48
    5.2.3 环境因素对传感器的影响  48-49
    5.2.4 传感器的性能  49-50
  5.3 传感器实用性实验  50
  5.4 本章小结  50-51
第六章总结  51-53
参考文献  53-57
致谢  57-58
已发表论文  58

光纤溶解氧传感器特性研究

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