淺談一種新型非消耗的光學原理氧傳感器

張立新 解喜春 于希波

1. 山東賽肯測控技術有限公司，山東淄博 255000；

2. 丹東航空儀表機械有限公司，遼寧丹東 118000；

3. 北京巴什卡科技有限公司，北京 100096

一、前言

氣體、液體中的氧氣分子含量，溶解氧分子濃度，在很多場合的定量檢測和控制都是非常重要的技術指標，如醫療、醫學、工業煙氣尾氣處理、工業生產廢水和生活污水處理、環境監測等，準確的監測和控制氧的含量具有非常重要的意義。隨著國家、社會對環境保護的重視，法律法規的完善，對于氧傳感器也提出了更高的要求。

根據測氧目的不同，傳統的氧氣測量主要有電化學、電磁、氧化鋯式等方法，這些測量方式都有各自的劣勢。例如最常見的電化學原理的氧氣傳感器，即通常所說的“氧電池”，一則含有重金屬等有害物質，不符合RoHs標準，隨著電子技術等新技術的產生，以及相關法律法規的要求，這些傳感器將陸續被禁用或淘汰。其次在應用現場環境，現場環境存在不確定性（本文僅只氧氣測量而言），使這種消耗型傳感器無法預知其工作壽命，有的場合因為氧電池的耗盡而不能及時或者實時檢測氧氣含量，會造成一定的危險或者損失。

基于熒光猝滅原理的光學氧傳感器（Fluorescence Quenching Based Oxygen Sensor，FQOS）是一種非消耗型的氧傳感器，國內外已研究多年，可用來測量氣態分子氧、水溶液及生物流體中氧分子的質量分數。這種光學傳感器的開發源于市場上對非消耗和完全符合RoHs標準的傳感器有需求，所以這種傳感器的問世滿足了一部分用戶更高、更環保、更安全的需求，彌補了電化學原理和其他含鉛等重金屬消耗性的傳感器不足，同時解決了消耗型傳感器使用完無法及時更換的問題。

技術性能上，這種光學氧傳感器具有較好的穩定性、較快的反應時間、不受電磁干擾、檢測時不會消耗氧氣從而不會改變被測氣體的成分比例，所以具有更高的靈敏度和分辨率。和光纖技術結合，安全防爆，可對危險環境進行遠程、連續和在線監控。目前這種光學氧傳感器已有比較成熟的產品讓客戶接受和應用。

二、測量原理

本文所述光學氧傳感器是基于熒光物質分子的光致發光和氧猝滅原理而設計的。

光致發光（Photoluminescence，PL）是冷發光現象的一種，指經外界光源（紫外輻射、可見光及紅外輻射等）照射后，物體吸收光子后再輻射出光子導致發光的一種現象，整個過程包括吸收、能量傳遞及光發射，分為熒光和磷光[1-2]。

發光猝滅（Luminescent Quenching）是指發光被某種原因削弱或甚至完全消失的現象，本質是發光分子激發態壽命因某種原因被縮短。根據引發猝滅的原因可分為溫度猝滅、濃度猝滅、猝滅劑猝滅。

溫度猝滅：也稱為熱猝滅，是指因發光體的溫度上升引起的發光強度下降；

濃度猝滅：發光中心濃度的增高使猝滅中心的作用加強造成的發光強度下降；

猝滅劑猝滅：因某種類型雜質的摻入造成發光分子與雜質分子相互作用引起發光強度下降，這種雜質稱為猝滅劑，例如，引起熒光猝滅（Fluorescence Quenching）的物質稱為熒光猝滅劑（Fluorescence Quencher），它可以降低熒光染色劑的輻射熒光強度，并且熒光強度隨著猝滅劑強度的改變而改變，二者關系式可用Stern-Volmer方程來描述[3]：

其中，KSV—Stern-Volmer猝滅常數；

[Q] —猝滅劑分子濃度；

I0—猝滅劑不存在時的熒光輻射強度；

I —給定猝滅劑時的熒光輻射強度。

根據式（1），只要檢測出熒光輻射強度即可求得猝滅劑的分子濃度。基于熒光猝滅原理的光學氧傳感器就是利用這種原理設計的。其中，氧分子作為猝滅劑，熒光染色劑作為氧指示劑，傳感器通過檢測氧指示劑被分子氧或溶解氧猝滅時熒光強度的變化計算出氧分子濃度。

三、產品結構電路

基于熒光猝滅原理的氧傳感器主要包括三部分：激發光源、熒光強度探測器和氧敏感裝置。其中，激發光源采用低功耗、小體積、易集成的藍光LED，熒光強度探測器采用光敏二極管，氧敏傳感薄膜由嵌入了氧指示劑（熒光染色劑）的聚合體材料制成。工作原理圖如圖1所示。

敏感膜是傳感器的核心，設計工作主要包括氧指示劑的選擇、氧指示劑載體的選擇、氧敏感膜的制作工藝的選擇。氧敏感膜要求具有高發光效率、快速響應能力、強抗變換性和良好的機械穩定性。

氧敏感膜制作完成后需要附著在一個透明的載體膜材料上，可以為敏感膜提供支撐和保護，并提供分析樣本與雜散光間的光學隔離。

圖2所示為氧傳感器的內部結構圖。傳感器共有4個引腳。兩個引腳接5V電源，另外兩個引腳是氧氣信號輸出引腳。傳感器里面內置壓力傳感器檢測環境壓力，內置溫度傳感器用于溫度補償。傳感器具有完全補償和校準輸出，可以選擇使用RS232 TTL電平兼容接口。

藍色LED發出高能量藍光脈沖，光照射到熒光材料上，熒光材料發出熒光并發出橙色光，產生的光量隨著時間的推移而衰減，它會在很短的時間（幾微秒）內衰減，高氧濃度的情況下，衰減速率快，在低氧濃度的情況下，則速度較慢。板載微控制器測量波形衰減所需的時間，并進行溫度補償，然后根據該值計算出氧氣值。（注：傳感器出廠前都被校準。）其中控制器需要4.75～5.25VDC供電，輸出信號類型RS232，RS485（Modbus RTU）和一路0-5V模擬信號適合現場應用。圖3為氧傳感器與開發的板載微控制器圖。傳感器可以直接使用，也可以配套開發現場使用的控制器。

需要說明的是，此光學氧傳感器的輸出為氧分壓值，微控制器使用壓力值和氧氣壓力來計算氧氣濃度，公式為：

其中，O2% —氧氣濃度；

PO2—氧分壓；

P —總壓力。

表1所示為氧傳感器的具體參數，供參考。

表1 氧傳感器參數[4]

四、現場測試說明

現場測試，數值有時候會有所下降，可能是因為呼吸出二氧化碳的影響。如果對其吹氣把更多的二氧化碳加到它上面，可以看到氧氣示值經下降到19.5%以下并且它會繼續下降，停止吹氣，然后它再次開始上升，因為新鮮空氣正在擴散回傳感器。氣體通過多孔PTFE疏水膜進入，這樣可以過濾水分和灰塵，對傳感器的保護很有必要，也是現場使用所必須的。因此響應時間會受到影響，當然只是輕輕地呼吸，影響不會很大，但是如果要以更高的流速引導氣體，那么響應時間會變快。氣體可以通過前面膜片進入，它也可以通過殼體和蓋子之間的間隙進入，因為這不是密封。對于許多只需要測量傳感器周圍環境中氧氣濃度的應用來說，這種測量方式是非常方便的選擇。從結構上，還有其他結構類型可選。

五、總結

基于熒光猝滅原理的光學氧傳感器的誕生，提供了一種新的測量和監測氧氣含量或氧分壓的傳感器，并同時還可檢測溫度和大氣壓值多個環境參數。更適合用于室內、高原、高空缺氧環境監測，高原列車供氧、高原生存環境氧氣的改善、醫療氧倉、密閉艙體環境監測、醫院、學校、科研院所、實驗室等，深度開發為萬物互聯，遠程監控等提供前沿神經。

經過各種的測試，目前該產品在市場中反應非常良好，相信這種傳感器目前在一些氧含量氧分壓的測試場合非常具有優勢。當然它也有先天的不足和局限性，比如在高溫測試環境、相對惡劣的場合等。在選擇使用某種傳感器的時候需要根據具體情況而定。

注：特別感謝UK.SST技術團隊文獻和技術支持；德國Mr.dittrich在考察期間和合作期間的技術和理論上的支持和幫助