CN214252013U - 一种测量液体中氨氮含量的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测量液体中氨氮含量的光纤传感器，包括多孔壳体、隔水透气膜、单模入射光纤、敏感膜、凸透镜、单模出射光纤、隔板；多孔壳体和隔水透气膜形成隔水透气孔，多孔壳体和隔板构成气室，气室内设有敏感膜和凸透镜；单模入射光纤和单模出射光纤设置于隔板上，单模入射光纤连接光源，单模出射光纤连接光电检测器；所述隔水透气膜材质为聚四氟乙烯；所述敏感膜上的光敏物质为吖啶橙，传输途径是通过单模光纤传输。本实用新型通过增设隔水透气膜将测量气态氨气光纤传感器应用于测定水中氨氮，无化学污染，准确度高，耐用性好。

Description

一种测量液体中氨氮含量的光纤传感器

技术领域

本实用新型属于水质检测技术领域，具体涉及一种测量液体中氨氮含量的光纤传感器。

背景技术

在水产养殖过程中，随着鱼、虾等养殖生物的***物和多余有机物的不断增加，水中氨氮含量也在不断增加。氨氮含量过大将会造成水体富营养化，容易导致水中鱼、虾等因缺氧大量死亡，因此检测水中氨氮含量是很有必要的。

目前检测氨氮含量的分析方法主要有分光光度法、凯氏定氮法和氨气敏电极法。其中，分光光度法灵敏高，但易受水中色度和浊度的影响，操作复杂，反应时间长，化学试剂昂贵，且会造成二次污染；凯氏定氮法灵敏度高，准确性好，但设备昂贵，操作复杂，且设备过大不易于携带；氨气敏电极法是目前应用最广的一种方式，价格便宜，对工作人员要求不高，但易受到挥发胺和高浓度溶解离子等的干扰，准确度下降，且内部电解液易被污染，需要定期更换电解液、参比电极。

光纤传感器是结合传统的光谱化学与光纤光化学的一种氨的测定方法，光纤传感器由于灵敏度高，无化学污染，稳定性强，操作简单等特点，近年来受到许多学者的关注和研究。专利CN109709074A公开了一种测量气态氨气的光纤传感器，但目前还没有出现用于测量水中氨氮的光纤传感器。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型提供一种测量液体中氨氮含量的光纤传感器，通过增设隔水透气膜将测量气态氨气的光纤传感器应用于测定水中氨氮，无化学污染，准确度高，耐用性好。

一种测量液体中氨氮含量的光纤传感器，包括多孔壳体、隔水透气膜、单模入射光纤、敏感膜、凸透镜、单模出射光纤、隔板；所述多孔壳体和所述隔水透气膜形成隔水透气孔，所述多孔壳体和所述隔板构成气室，所述气室内设有所述敏感膜和所述凸透镜；所述单模入射光纤和所述单模出射光纤设置于所述隔板上，所述单模入射光纤连接光源，所述单模出射光纤连接光电检测器；所述隔水透气膜材质为聚四氟乙烯；所述敏感膜上的光敏物质为吖啶橙，传输途径是通过单模光纤传输。聚四氟乙烯具有耐酸耐碱、隔水透气的性质，位于多孔壳体外部，可以防止液体进入多孔壳体。多孔壳体具有防海水腐蚀功能。

本实用新型的一个优选方案，其中：所述光源是波长为488nm-500nm的激发光，能激发光敏物质吖啶橙发荧光。

本实用新型的一个优选方案，其中：所述光电检测器是一个高精度光电二极管，能检测400nm-1000nm范围内的波长，并能将光信号转化成电信号。

本实用新型的一个优选方案，其中：所述敏感膜的厚度为10nm-100nm，宽度为2cm-6cm。

本实用新型的一个优选方案，其中：所述凸透镜的焦距为2cm-6cm，所述单模出射光纤位于所述凸透镜聚焦点上。

本实用新型的一个优选方案，其中：所述光电检测器连接数据处理模块，所述数据处理模块处理电信号得到一个输出信号。

本实用新型的一个优选方案，其中：所述光源、所述光电检测器和所述数据处理模块置于电路室中。

本实用新型的工作原理：在50ml待测样品中加入1mol/L的氢氧化钠溶液2-5滴，调其pH值至11以上，使待测样品中的铵根离子大部分转化为游离氨气，游离氨气经隔水透气孔进入气室。由于敏感膜中的光敏物质吖啶橙是碱性较强的pH指示剂，质子化形式HL⁺不显示荧光，而非质子化形式L有强烈的荧光。游离的氨气进入气室内与敏感膜中的大环醚冠形成膜相和气相平衡，膜相平衡需要四对氯苯硼酸根阴离子维持，当激发光强度不变时，出射光强度和氨气浓度存在一定关系。

与现有技术相比，本实用新型达到的有益效果如下：

本实用新型通过调节水样pH值使铵根离子转化为游离氨气，游离氨气与敏感膜上的大环醚冠形成气相和膜相平衡，使得吖啶橙非质子化和质子化也达到平衡，产生恒定的荧光，再通过光电检测器将光信号转化成电信号，电信号经过滤波放大、数据分析等处理把电信号转化可以显示的数字信号，因此可以应用于测量水中氨氮含量，特别是海水养殖中的氨氮含量测定。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的优选实施例，并不对本实用新型的范围进行限制。附图不按比例(除规定外)，并且旨在结合下面详细描述中的说明来使用。

图1为本实用新型实施例提供的一种测量液体中氨氮含量的光纤传感器结构示意图。

图中：光源1，单模入射光纤2，隔板3，多孔壳体4，隔水透气膜5，敏感膜6，凸透镜7，单模出射光纤8，光电检测器9，数据处理模块10，电路室11，外接电线12。

具体实施方式

为了更好理解本实用新型技术内容，下面将结合本实用新型中的附图，提供具体实施例，并结合附图对本实用新型做进一步的说明。

如图1所示，一种测量液体中氨氮含量的光纤传感器，包括多孔壳体4、隔水透气膜5、单模入射光纤2、敏感膜6、凸透镜7、单模出射光纤8、隔板3；多孔壳体4和隔水透气膜5形成隔水透气孔，隔水透气膜5材质为聚四氟乙烯，具有耐酸耐碱、隔水透气的性质，位于多孔壳体4外部，防止液体进入多孔壳体4，多孔壳体4和隔板3构成气室，气室内设有敏感膜6和凸透镜7；敏感膜6上的光敏物质为吖啶橙，传输途径是通过单模光纤传输，敏感膜6的厚度为10nm-100nm，宽度为2cm-6cm；凸透镜7的焦距为2cm-6cm，单模出射光纤8位于凸透镜7聚焦点上；单模入射光纤2和单模出射光纤8设置于隔板3上，单模入射光纤2连接光源1，单模出射光纤8连接光电检测器9，光电检测器9是一个高精度光电二极管，能检测400nm-1000nm范围内的波长，并能将光信号转化成电信号，光电检测器9连接数据处理模块10，数据处理模块10处理电信号得到一个输出信号；光源1是波长为488nm-500nm的激发光，能激发光敏物质吖啶橙发荧光。光源1、光电检测器9、数据处理模块均位于电路室11中。

敏感膜6的制备过程如下：分别称取1.0mg-2.0mg的吖啶橙、4mg-5mg大环冠醚、2.8mg-3mg四对氯苯硼酸钾、30mg-40mgPVC粉和100g磷酸三丁酯于烧杯中，量取5ml新蒸馏过的四氢呋喃加入烧杯，然后加入转子置于磁力搅拌器搅拌20min-40min，充分溶解后制成敏感液，用微型注射剂吸取4ul-8ul上述敏感液，滴于经处理过的石英玻璃上，通过旋涂的方法制备均匀薄膜，然后将该薄膜置于无氨水中活化数分钟，用滤纸吸干。

本实用新型液体中氨氮含量的测量过程：

量取50ml的待测样品，滴入500ul的1mol/L的氢氧化钠溶液，使待测样品的pH值达到11以上，使铵根离子大部分转化为游离的氨气，游离的氨气经隔水透气孔进入气室内；启动光源1发出488nm-500nm的激发光，经过单模入射光纤2进入气室内，照射于敏感膜6上激发光敏物质发光，光敏物质和游离的氨气反应，使荧光强度降低，游离氨的浓度越大，荧光强度越弱，荧光照射到凸透镜7上，平行光聚集于凸透镜7的焦距上，在焦距上的单模出射光纤8接收荧光，传输到光电检测器9上，光电检测器9将光信号转化成电信号，再传输到数据处理模块10上，数据处理模块10将电信号放大滤波等后透过数据线输出信号。

与现有传感器相比，本实用新型通过将测量气态氨气的光纤传感器进行改造，可将其应用于液态氨氮的测量。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种测量液体中氨氮含量的光纤传感器，其特征在于：包括多孔壳体、隔水透气膜、单模入射光纤、敏感膜、凸透镜、单模出射光纤、隔板；所述多孔壳体和所述隔水透气膜形成隔水透气孔，所述多孔壳体和所述隔板构成气室，所述气室内设有所述敏感膜和所述凸透镜；所述单模入射光纤和所述单模出射光纤设置于所述隔板上，所述单模入射光纤连接光源，所述单模出射光纤连接光电检测器；所述隔水透气膜材质为聚四氟乙烯；所述敏感膜上的光敏物质为吖啶橙，传输途径是通过单模光纤传输。

2.根据权利要求1所述的测量液体中氨氮含量的光纤传感器，其特征在于：所述光源是波长为488nm-500nm的激发光。

3.根据权利要求1或2所述的测量液体中氨氮含量的光纤传感器，其特征在于：所述光电检测器是一个高精度光电二极管。

4.根据权利要求3所述的测量液体中氨氮含量的光纤传感器，其特征在于：所述敏感膜的厚度为10nm-100nm，宽度为2cm-6cm。

5.根据权利要求4所述的测量液体中氨氮含量的光纤传感器，其特征在于：所述凸透镜的焦距为2cm-6cm，所述单模出射光纤位于所述凸透镜聚焦点上。

6.根据权利要求3所述的测量液体中氨氮含量的光纤传感器，其特征在于：所述光电检测器连接数据处理模块，所述数据处理模块处理电信号得到一个输出信号。

7.根据权利要求6所述的测量液体中氨氮含量的光纤传感器，其特征在于：所述光源、所述光电检测器和所述数据处理模块置于电路室中。

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