環境監測傳感器的工作原理及設計

2021-01-18 電子發燒友
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環境監測傳感器的工作原理及設計

工程師吳畏 發表於 2018-09-24 09:37:00

今天為大家介紹一項國家發明授權專利——基於拉曼效應的環境監測傳感器以及環境檢測方法。該專利由青島中一監測有限公司申請，並於2018年8月24日獲得授權公告。

內容說明

本發明屬於環境監測傳感器技術領域，具體涉及一種基於拉曼效應的環境監測傳感器以及一種環境檢測方法。

發明背景

隨著工業的迅速發展，環境汙染也在日趨嚴重。在環境監測過程中，人們發現環境中的汙染物對環境中的微生物生存和代謝都產生了很大的影響。由於微生物的多樣性、敏感性，決定了微生物能夠對環境中多種汙染情況做出多種反應，同時也能反映出環境汙染的歷史狀況。因此，對環境中微生物進行檢測，對於監測環境汙染情況、評價環境質量狀況具有很重要的意義。這種環境監測主要是對環境液體中的微生物進行檢測，尤其是水體的質量。例如：用大腸菌群的數量作為水體質量的指標，利用鼠傷寒沙門氏桿菌的組氨酸缺陷變株的回覆突變（即「艾姆氏試驗法」）檢測水體的汙染狀況以及食品、飲料、藥物中是否含有致癌變、致畸變、致突變毒物等。

但是，在現有的環境監測過程中，對環境中微生物檢測採取的是現場採樣、實驗室培養、實驗室鑑定分析的方法，存在檢測時間長、成本高、效率低等問題，而且由於沒有及時檢測樣品，中途發生的變化以及樣品傳輸過程中的汙染都會影響到檢測結果的客觀性。因此，開發出快速檢測環境中微生物的方法以及儀器顯得尤為重要。

現有的高精密拉曼光譜傳感系統主要採用顯微鏡、雷射系統、單色系統、檢測系統等部分組成，結構複雜，設備龐大，不利於現場檢測。手持式拉曼光譜儀精度不高，穩定性不夠，只能對少量表面無汙染的固體大分子材料進行定性分析，特別是一些能夠產生螢光的物質及微生物樣品，容易受到背景螢光的嚴重幹擾，無法進行測試。共振拉曼光譜雖然能夠提高拉曼光譜靈敏度，但是僅能在少數分子和特定波長的雷射上具有相匹配的電子吸收能級，也容易幹擾特徵物的拉曼光譜。此外，現有的拉曼光譜儀都是將雷射發射模塊與接收模塊做成一體式，也就是雷射發射通道與接收通道共同，這樣容易造成幹擾。因此，對於環境微生物的現場監測，由於現場工作環境複雜、汙染物多，就需要開發一種可以減少幹擾、提高選擇性與靈敏度的環境監測傳感器，用於環境微生物的現場檢測。

發明內容

本發明的目的在於提供一種基於拉曼效應的環境監測傳感器，利用紅外、紫外雷射互相協同分析待檢測樣品中微生物的拉曼光譜，提升了微生物檢測的效率，節省了環境微生物檢測的成本，提高了環境監測傳感器的解析度和準確度。

本發明所提出的基於拉曼效應的環境監測傳感器的一個實施例的結構示意圖

為達到上述技術目的，本發明採用以下技術方案實現：一種基於拉曼效應的環境監測傳感器，其特徵在於，包括外殼，所述外殼上固定設置有CCD光電轉換模塊、紅外雷射發射模塊、紫外雷射發射模塊以及樣品池；所述紅外雷射發射模塊發出的紅外雷射照射到樣品池中待檢測樣品中的微生物時，所述微生物產生拉曼散射，其產生的散射光進入所述CCD光電轉換模塊；所述紫外雷射發射模塊發出的紫外雷射照射到所述樣品池中。

進一步的，所述CCD光電轉換模塊包括第一殼體和在所述第一殼體內固定設置的CCD光電轉換晶片、全息反射光柵、第一聚光透鏡，所述CCD光電轉換晶片與全息反射光柵左右設置，所述第一聚光透鏡位於所述全息反射光柵的下方。所述CCD光電轉換模塊還包括第一偏振片，所述第一偏振片固定在所述第一殼體上，所述第一偏振片位於所述第一聚光透鏡的下方。進一步的，所述紅外雷射發射模塊，包括第二殼體和在第二殼體內上下依次固定設置的紅外雷射管、第二磁光效應調製模塊和第二聚光透鏡，所述第二磁光效應調製模塊包括調製晶體和調製線圈，所述調製線圈套在所述調製晶體外側。

進一步的，所述紅外雷射管為大於1000nm的紅外雷射管。所述紅外雷射管為摻鐿元素的釔鋁石榴石固體雷射器。所述調製線圈與所述調製晶體之間設置有陶瓷套筒。所述紅外雷射發射模塊還包括第二偏振片，所述第二偏振片固定在所述第二殼體上，所述第二偏振片設置在所述紅外雷射管和第二磁光效應調製模塊之間。所述第二偏振片的偏振角度與所述第一偏振片的偏振角度之間的夾角為45°～90°。所述紫外雷射發射模塊，包括第三殼體和在第三殼體內上下固定設置的紫外雷射管和第二聚光透鏡，所述紫外雷射管為小於350nm的深紫外雷射管。

所述雷射管為紫外可見光雷射二極體或準分子雷射器。進一步的，所述紫外雷射發射模塊還設置有第三磁光效應調製模塊，所述第三磁光效應調製模塊固定在所述第三殼體上，所述第三磁光效應調製模塊位於紫外雷射管和第二聚光透鏡之間。

基於上述的環境監測傳感器的檢測原理，本發明還提供一種環境檢測方法，方便、快捷、準確的監測出環境中微生物的類型以及具體的名稱，提升了環境微生物檢測的效率，節省了環境微生物檢測的成本。

本發明提供的基於拉曼效應的環境監測傳感器，通過設置紫外雷射發射模塊和紅外雷射發射模塊，利用紅外、紫外雷射互相協同分析微生物的拉曼光譜，提升了微生物檢測的效率，提高了檢測精度，節省了環境微生物檢測的成本；同時採用了磁光調製技術，減小了拉曼光譜傳感系統的體積，有效提高了檢測精度、加快了檢測時間。

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