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光纤氧含量传感器：工作原理FOXY光纤氧气传感器采用溶胶-凝胶法，使用钌络合物的荧光来测量氧的分压：
脉冲蓝色LED发射波长~475 nm，光纤传输光给FOXY探 头。探头尖端由耐水溶胶-凝胶材料制成的薄层组成，溶胶-凝胶基质可以固定和保护内部的钌合成物。在探测器的尖端，LED光激发钌络合物发出荧光，发射能量为~600 nm。如果被激发的钌络合物遇到一个氧分子，通过非辐射转化，把多余的能量转移给氧分子，减少或淬灭荧光信号（见以下的荧光淬灭）。淬灭的程度与氧的浓度水平或薄膜中氧的分压有关，在样品中实现与氧的动力平衡。探测器收集能量，通过光纤传输给光谱仪。A/D转换器把模拟数据转换成数字数据，通过
OOISensors 软件
显示这些数据。
氧分子作为一种三重态分子能够有效的淬灭荧光和其它某种发光体的磷光。这种影响（Kautsky在1939年首次描述）被称为“动力荧光淬灭”。在激励状态下，氧分子与荧光团碰撞导致非辐射能量转换。荧光淬灭的程度与碰撞频率有关，也与媒介含氧的浓度、压力和温度有关。 为了对您的样品进行精确的氧测量，你必须首先对你的FOXY系统执行一个校准程序。两个主要的因素影响您的FOXY系统的校准程序。 首先，确定是否要样品的温度改变进行补偿。如果样品无温度波动，就不需要对温度进行补偿。 第二，选择希望用于校准程序的运算法则。 Linear
(Stern-Volmer)
法则至少需要两个已知氧浓度标准，而 Second Order Polynomial 运算法则至少需要三个已知氧浓度标准。 运用从标准和运算法则产生的校准曲线来计算未知样品的浓度值。Second Order Polynomial运算法则提供了一个良好的曲线拟合，因此在氧浓度测量时能获得更精确的数据，特别是在氧浓度范围大的工作时。 Stern-Volmer 运算法则至少需要两个已知氧浓度标准。第一个标准必须是0% 氧浓度，第二个标准必须是你工作浓度范围的最高氧浓度。荧光强度可用Stern-Volmer 等式表达，荧光在数量上与氧的分压相关联。 I0是在氧的压力为零下的荧光强度 对一个特定的媒介，在恒定的总压和温度下，分压与氧的摩尔分数成比例。 Stern-Volmer 常数(k)首先依赖钌络合物的化学组分。我们的探测器在长时间测量中表现出了良好的稳定性，该值在很大程度上独立于测量系统的其它部分。然而，在探测器中，Stern-Volmer 常数(k)却不尽相同，这与温度相关。所有的测量应当在相同的温度下进行，同时使用校准试验和温度监控设备。 如果你决定对温度进行补偿，Stern-Volmer 值和温度的关系定义如下： I0
= a0 + b0 * T + c0
* T 2 k
= a + b * T + c * T 2 在氧零压力下的荧光强度（I0 ）依赖于光学配置的详情：LED的功率，光纤、探测器由于光纤耦合产生的光损失，样品的反向散射。在每次样品配置时，测量在氧零压力下的荧光强度（I0 ）是很重要的步骤。 从等式中可知，传感器对低水平的氧浓度更灵敏。光度计的信噪比与信号强度的平方根大约成正比。在底氧气浓度下，伴随氧气浓度变化的信号强度有着显著的改变。于Stern-Volmer关系中产生的偏差，根本上源自更高的氧浓度条件。当通过校准纠正这些偏差时，须使用Second Order Polynomial 运算法则。 Backscattering in the media can increase the collection efficiency
of the probe, increasing the observed fluorescence. It is important to
perform calibration procedures in the media of interest for highly
scattering substances. For optically clear fluids and gases, this is unnecessary. Second Order Polynomial 运算法则至少需要已知氧浓度三个标准。第一个标准必须是0% 氧浓度，最后一个标准必须是你工作浓度范围的最高氧浓度。econd Order Polynomial 运算法则提供了更加精确的数据，因为它需要三个已知氧浓度标准，而Linear (Stern-Volmer)运算法则需要已知浓度标准的最小值。Second Order Polynomial 运算法则定义如下： = 1 + K1
* [O] + K2 * [O]2 I0是在氧压力为零时的荧光强度 如果你决定对温度进行补偿，Second Order Polynomial运算法则和温度的关系定义如下： I0
= a0 + b0 * T + c0
* T 2 K1
= a1 + b1 * T + c1
* T 2 K2
= a2 + b2 * T + c2
* T 2 在气体中校准FOXY系统然后在液体中使用FOXY系统是可能的，反之亦然。在理论上，FOXY系统探测氧的分压。为了转换氧分压为浓度，可以使用Henry法则。当温度保持恒定时，液体溶解氧的重量与液面上气体的压力成比例。因此，在溶液上气体的压力与溶液中气体的浓度成比例。如果知道绝对压强，可以计算浓度（摩尔%）： 氧的摩尔分数=氧分压/绝对压强 既然FOXY系统可测定氧的分压，气体环境中的反应与与气体均衡的液体环境类似。因此，如果利用Henry规则，在气体中校准FOXY系统是可能的，然后在液体样品上使用此系统，反之亦然。 然而，Henry规则不适用于极度可溶于水的气体。 下面信息表面了在不同温度下水氧的溶解度。 ln(X) = a + b/T* + cln(T*) 温度范围: 0℃ - 75℃ 一个大气压下水中氧的摩尔分数 一个大气压下水中氧的质量分数 0.209476大气压下水中氧的质量分数 61.46203583
从钌络合物发射出的荧光向各方向传播，在纯净的介质中，只有朝向探测器光纤接收角度的荧光能被探测。如果探测器的尖端接近一个反射表面，或浸在一个高散射介质中，荧光信号将加强。这种加强与在一定氧压力下的荧光强度和氧零压力下的荧光强度成比例，但不影响Stern-Volmer 系数。由于这种原因，必须在氧零压力下测量荧光的强度。为了提高结果精度，若在一个高散射介质中测量氧，那么用于校准程序的标准应当采用相同的介质。
Wang, W.; Reimers, C.E.;
Wainright, S.C.; Shahriari. M.R.; Morris, M.J. Applying Fiber-Optic Sensors
for Monitoring Dissolved Oxygen. Sea Technology, March 1999, Vol. 40,
No. 3, pp. 69-74. |
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