浅谈一种新型非消耗的光学原理氧传感器

张立新 解喜春 于希波

1. 山东赛肯测控技术有限公司，山东淄博 255000；

2. 丹东航空仪表机械有限公司，辽宁丹东 118000；

3. 北京巴什卡科技有限公司，北京 100096

一、前言

气体、液体中的氧气分子含量，溶解氧分子浓度，在很多场合的定量检测和控制都是非常重要的技术指标，如医疗、医学、工业烟气尾气处理、工业生产废水和生活污水处理、环境监测等，准确的监测和控制氧的含量具有非常重要的意义。随着国家、社会对环境保护的重视，法律法规的完善，对于氧传感器也提出了更高的要求。

根据测氧目的不同，传统的氧气测量主要有电化学、电磁、氧化锆式等方法，这些测量方式都有各自的劣势。例如最常见的电化学原理的氧气传感器，即通常所说的“氧电池”，一则含有重金属等有害物质，不符合RoHs标准，随着电子技术等新技术的产生，以及相关法律法规的要求，这些传感器将陆续被禁用或淘汰。其次在应用现场环境，现场环境存在不确定性（本文仅只氧气测量而言），使这种消耗型传感器无法预知其工作寿命，有的场合因为氧电池的耗尽而不能及时或者实时检测氧气含量，会造成一定的危险或者损失。

基于荧光猝灭原理的光学氧传感器（Fluorescence Quenching Based Oxygen Sensor，FQOS）是一种非消耗型的氧传感器，国内外已研究多年，可用来测量气态分子氧、水溶液及生物流体中氧分子的质量分数。这种光学传感器的开发源于市场上对非消耗和完全符合RoHs标准的传感器有需求，所以这种传感器的问世满足了一部分用户更高、更环保、更安全的需求，弥补了电化学原理和其他含铅等重金属消耗性的传感器不足，同时解决了消耗型传感器使用完无法及时更换的问题。

技术性能上，这种光学氧传感器具有较好的稳定性、较快的反应时间、不受电磁干扰、检测时不会消耗氧气从而不会改变被测气体的成分比例，所以具有更高的灵敏度和分辨率。和光纤技术结合，安全防爆，可对危险环境进行远程、连续和在线监控。目前这种光学氧传感器已有比较成熟的产品让客户接受和应用。

二、测量原理

本文所述光学氧传感器是基于荧光物质分子的光致发光和氧猝灭原理而设计的。

光致发光（Photoluminescence，PL）是冷发光现象的一种，指经外界光源（紫外辐射、可见光及红外辐射等）照射后，物体吸收光子后再辐射出光子导致发光的一种现象，整个过程包括吸收、能量传递及光发射，分为荧光和磷光[1-2]。

发光猝灭（Luminescent Quenching）是指发光被某种原因削弱或甚至完全消失的现象，本质是发光分子激发态寿命因某种原因被缩短。根据引发猝灭的原因可分为温度猝灭、浓度猝灭、猝灭剂猝灭。

温度猝灭：也称为热猝灭，是指因发光体的温度上升引起的发光强度下降；

浓度猝灭：发光中心浓度的增高使猝灭中心的作用加强造成的发光强度下降；

猝灭剂猝灭：因某种类型杂质的掺入造成发光分子与杂质分子相互作用引起发光强度下降，这种杂质称为猝灭剂，例如，引起荧光猝灭（Fluorescence Quenching）的物质称为荧光猝灭剂（Fluorescence Quencher），它可以降低荧光染色剂的辐射荧光强度，并且荧光强度随着猝灭剂强度的改变而改变，二者关系式可用Stern-Volmer方程来描述[3]：

其中，KSV—Stern-Volmer猝灭常数；

[Q] —猝灭剂分子浓度；

I0—猝灭剂不存在时的荧光辐射强度；

I —给定猝灭剂时的荧光辐射强度。

根据式（1），只要检测出荧光辐射强度即可求得猝灭剂的分子浓度。基于荧光猝灭原理的光学氧传感器就是利用这种原理设计的。其中，氧分子作为猝灭剂，荧光染色剂作为氧指示剂，传感器通过检测氧指示剂被分子氧或溶解氧猝灭时荧光强度的变化计算出氧分子浓度。

三、产品结构电路

基于荧光猝灭原理的氧传感器主要包括三部分：激发光源、荧光强度探测器和氧敏感装置。其中，激发光源采用低功耗、小体积、易集成的蓝光LED，荧光强度探测器采用光敏二极管，氧敏传感薄膜由嵌入了氧指示剂（荧光染色剂）的聚合体材料制成。工作原理图如图1所示。

敏感膜是传感器的核心，设计工作主要包括氧指示剂的选择、氧指示剂载体的选择、氧敏感膜的制作工艺的选择。氧敏感膜要求具有高发光效率、快速响应能力、强抗变换性和良好的机械稳定性。

氧敏感膜制作完成后需要附着在一个透明的载体膜材料上，可以为敏感膜提供支撑和保护，并提供分析样本与杂散光间的光学隔离。

图2所示为氧传感器的内部结构图。传感器共有4个引脚。两个引脚接5V电源，另外两个引脚是氧气信号输出引脚。传感器里面内置压力传感器检测环境压力，内置温度传感器用于温度补偿。传感器具有完全补偿和校准输出，可以选择使用RS232 TTL电平兼容接口。

蓝色LED发出高能量蓝光脉冲，光照射到荧光材料上，荧光材料发出荧光并发出橙色光，产生的光量随着时间的推移而衰减，它会在很短的时间（几微秒）内衰减，高氧浓度的情况下，衰减速率快，在低氧浓度的情况下，则速度较慢。板载微控制器测量波形衰减所需的时间，并进行温度补偿，然后根据该值计算出氧气值。（注：传感器出厂前都被校准。）其中控制器需要4.75～5.25VDC供电，输出信号类型RS232，RS485（Modbus RTU）和一路0-5V模拟信号适合现场应用。图3为氧传感器与开发的板载微控制器图。传感器可以直接使用，也可以配套开发现场使用的控制器。

需要说明的是，此光学氧传感器的输出为氧分压值，微控制器使用压力值和氧气压力来计算氧气浓度，公式为：

其中，O2% —氧气浓度；

PO2—氧分压；

P —总压力。

表1所示为氧传感器的具体参数，供参考。

表1 氧传感器参数[4]

四、现场测试说明

现场测试，数值有时候会有所下降，可能是因为呼吸出二氧化碳的影响。如果对其吹气把更多的二氧化碳加到它上面，可以看到氧气示值经下降到19.5%以下并且它会继续下降，停止吹气，然后它再次开始上升，因为新鲜空气正在扩散回传感器。气体通过多孔PTFE疏水膜进入，这样可以过滤水分和灰尘，对传感器的保护很有必要，也是现场使用所必须的。因此响应时间会受到影响，当然只是轻轻地呼吸，影响不会很大，但是如果要以更高的流速引导气体，那么响应时间会变快。气体可以通过前面膜片进入，它也可以通过壳体和盖子之间的间隙进入，因为这不是密封。对于许多只需要测量传感器周围环境中氧气浓度的应用来说，这种测量方式是非常方便的选择。从结构上，还有其他结构类型可选。

五、总结

基于荧光猝灭原理的光学氧传感器的诞生，提供了一种新的测量和监测氧气含量或氧分压的传感器，并同时还可检测温度和大气压值多个环境参数。更适合用于室内、高原、高空缺氧环境监测，高原列车供氧、高原生存环境氧气的改善、医疗氧仓、密闭舱体环境监测、医院、学校、科研院所、实验室等，深度开发为万物互联，远程监控等提供前沿神经。

经过各种的测试，目前该产品在市场中反应非常良好，相信这种传感器目前在一些氧含量氧分压的测试场合非常具有优势。当然它也有先天的不足和局限性，比如在高温测试环境、相对恶劣的场合等。在选择使用某种传感器的时候需要根据具体情况而定。

注：特别感谢UK.SST技术团队文献和技术支持；德国Mr.dittrich在考察期间和合作期间的技术和理论上的支持和帮助