包括其尖端被包覆的大直徑光學纖維的氧氣傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種氧氣傳感器，包括減少或消除錯誤解釋氧氣濃度的可能性的氧氣敏感熒光材料。
【專利說明】
包括其尖端被包覆的大直徑光學纖維的氧氣傳感器
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及氧氣傳感器，更具體地涉及用于在飛機應用中使用的氧氣傳感器，更具體地是在燃料箱或空氣分離模塊應用中。
[0002]本發(fā)明在測量氧氣濃度上提供了改進。在測量飛機燃料箱氣隙或空氣分離模塊中氧氣濃度方面，本發(fā)明將是特別有用的。
【背景技術】
[0003]使用熒光淬滅來指示某些感興趣的物質(zhì)的存在是已知的。在由比所發(fā)射的波長短的特定的波長激發(fā)時，熒光材料發(fā)射具有特定的發(fā)射壽命的特定波長和強度的光。發(fā)射的強度和壽命取決于與熒光材料接觸的氧氣的濃度。隨著氧氣濃度增加，熒光發(fā)射強度和壽命降低，并且上述增加和降低彼此成正比。
[0004]在燃料箱中使用的傳感器由暴露于燃料箱環(huán)境的熒光材料表面組成。在氧氣存在情況下，熒光材料的發(fā)射強度和壽命的降低給出了圍繞傳感器表面的氧氣濃度的直接測量。被電磁地激發(fā)的材料的熒光發(fā)射減少與感興趣的物質(zhì)的濃度成正比。例如鉑四五氟化苯基卟啉和鉑八乙基卟啉的材料被用于氣態(tài)氧氣傳感材料。然而，燃料箱環(huán)境是嚴酷的，且能導致熒光材料降解。該材料的這種降解將導致強度的降低和熒光發(fā)射的壽命的改變，這可以被錯誤地解釋為更高的氧氣水平。
[0005]熒光發(fā)射的過程可以概括如下:
[0006]激發(fā):L+hvl=L*(方程 I)
[0007]熒光:L*= L+hv2 (方程 2)
[0008]淬滅:l*+02= L+02* (方程 3)
[0009]方程I示出了通過具有能量hvl的光子的熒光團的電磁激發(fā)的過程。方程2示出了當激發(fā)的熒光團L*返回至去激發(fā)狀態(tài)L時，發(fā)射能量hv2的光子，其中hv2〈hvl。在氧氣存在的情況下，熒光團通過碰撞轉移能量至氧氣分子，如方程3所示。在被定義為淬滅的過程中，這個能量轉移不會釋放光子。激發(fā)的熒光團通過氧氣分子的淬滅導致發(fā)射的總強度和壽命的減少。正是這種機理，允許開發(fā)光學氧氣傳感器。已發(fā)現(xiàn)該傳感器在航空燃料箱中特別有用，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當傳感器暴露于液體燃料時，氧氣敏感材料降解。另外，當熒光材料暴露于箱中的燃料，熒光團會被燃料中的碳氫分子掩蔽。這種相互作用能導致光致漂白，光致漂白可導致熒光團的不可逆的降解。如果熒光團和氧氣不相互作用，則整體發(fā)射強度和壽命增加。這種增加可能被錯誤地解釋為較低的氧氣濃度。校準或參考來自氧氣敏感的熒光團的發(fā)射也將是必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明旨在通過提供包括氧氣敏感熒光材料的氧氣傳感器來克服現(xiàn)有技術的問題，氧氣敏感熒光材料包括組合:氧氣敏感染料和氧氣不敏感染料，其中兩種染料是熒光團。氧氣不敏感染料可以是硅八乙基卟啉。氧敏感材料可以是鉑四五氟化苯基卟啉和鉑八乙基卟啉。這兩種染料可以被分散在聚合物基質(zhì)中，例如聚二甲基硅氧烷?？蛇x擇地，該材料可以使用溶膠-凝膠的干凝膠方法來制備。使用這種技術，將這個材料分散在耐油和透氧的氟硅橡膠中是可能的。
[0011]可以在相同波長下激發(fā)氧氣敏感染料和氧氣不敏感染料。每一種染料發(fā)射與另一種不同的波長、強度和壽命。在與氧氣分子相互作用下，對于氧氣敏感染料，發(fā)射強度和壽命降低，然而氧氣不敏感染料的發(fā)射強度和壽命保持不變。
[0012]傳感器具有包括氧氣不敏感染料和氧氣敏感染料的組合的尖端。該尖端處于大光學直徑纖維的端部。大光學直徑纖維的另一端部可連接至棱鏡或傳感器以分離波長。大直徑纖維被容納在管中，優(yōu)選由鋼制成。該管的一個端部具有橡膠膜和一個或多個通氣孔，防止液體燃料與熒光團接觸，但是允許熒光團和氧氣之間相互作用。該膜可以由任何防止航空燃料透過且允許氣態(tài)氧氣透過的合適的材料制成，例如氟硅橡膠、聚二甲基硅氧烷。
[0013]用于傳輸激發(fā)光和收集來自氧氣敏感熒光材料的發(fā)射的裝置包括光學纖維。這種纖維優(yōu)選是大直徑。該裝置還包括三色棱鏡以及兩個光檢測器或三色傳感器(例如集成的RGB傳感器)。三色棱鏡以及兩個光檢測器或三色傳感器(例如集成的RGB傳感器)分離三個波長;激發(fā)以及來自每個染料的發(fā)射。強度或壽命被轉換成比例電流?；プ杩狗糯笃鞅挥糜趯㈦娏鬓D換成與來自氧氣不敏感染料的發(fā)射的強度或壽命成比例的電壓(Vl)和與來自氧氣敏感染料的發(fā)射的強度或壽命成比例的電壓(V2)。為了測量發(fā)射的壽命，激發(fā)是脈沖。通常，熒光壽命在70和10ys之間，且在已知的時間內(nèi)進行監(jiān)測?？梢砸黄饻y量壽命和強度。
[0014]在傳感器的操作中，電壓(VI和V2)被相互比較來推斷氧氣敏感熒光材料的性能。隨著氧氣含量的增加，V2降低且Vl保持不變。如果材料在氧氣濃度沒有改變的情況下降解，那么Vl和V2將一起降低。材料的性能、氧氣濃度和敏感度可以通過V1/V2的比例進行校準。電壓的這個比較有效地是內(nèi)置自檢。
【附圖說明】
[0015]現(xiàn)在將參考附圖描述本發(fā)明，其中:
[0016]圖1示出了具有根據(jù)本發(fā)明傳感器的傳感器探頭。
[0017]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的用于分離來自熒光團和激發(fā)的發(fā)射的波長的傳感器和裝置。
[0018]圖3不出了來自兩個焚光團的焚光發(fā)射的一個不例。
[0019]圖4示出了已知的時間的窗口，其中測量發(fā)射的壽命。
【具體實施方式】
[0020]圖1示出了包括大直徑纖維22的傳感器探頭20，該大直徑纖維22具有用于將該纖維連接至三色棱鏡或三色傳感器的纖維連接器24。大直徑纖維22具有尖端26(在分解部分更詳細地示出)，尖端26終止于包括氧氣敏感染料和氧氣不敏感染料的氧氣敏感熒光材料28，其中所述染料都是熒光團。大直徑纖維22被放置在管30內(nèi)進行保護。管具有可附接至其上的通氣孔32，其包括用于防止液體燃料與雙熒光團尖端28相接觸的膜。
[0021]圖2示出了圖1所示的傳感器探頭的簡化版本。氧氣敏感熒光材料28位于大直徑光學纖維22的一端。在光學纖維22的另一端是三色棱鏡40。光子穿過棱鏡40發(fā)送，且通過光學纖維22傳輸以激發(fā)尖端28中的熒光團。來自熒光團的發(fā)射通過纖維22被傳輸且穿過三色棱鏡40以分離由激發(fā)、來自氧氣敏感染料36和氧氣不敏感染料38的發(fā)射組成的三個波長。兩個光檢測器(未示出)被用于將強度或壽命信息轉換成比例電流Il和12。然后通過互阻抗放大器將電流轉換成電壓。
[0022]圖3示出了能量對熒光強度的圖?？梢钥闯?，來自氧氣敏感染料的發(fā)射的強度減小，氧氣濃度增加。然而，通過改變氧氣濃度，來自氧氣不敏感染料的發(fā)射的強度保持不受影響。
[0023]圖4示出了已知的時間的測量窗口50，其中發(fā)射壽命被測量。在測量窗口 50中的總積分強度給出了氧氣濃度的測量值。
[0024]所描述和示出的氧氣傳感器的相同設計可用于燃料箱和空氣分離模塊應用中。
[0025]在前面說明書中、或所附權利要求書、或附圖中公開的特征以它們的具體形式或依據(jù)用于執(zhí)行公開的功能的手段，或在用于獲得所公開的結果的方法中被表示，這些特征可以酌情單獨地或以這些特征的任何組合被用于以其不同的形式實現(xiàn)本發(fā)明。
【主權項】
1.一種用于測量在飛機應用、更具體地在燃料箱應用或空氣分離模塊應用中的氧氣濃度的氧氣傳感器，所述傳感器包括氧氣敏感熒光材料，該氧氣敏感熒光材料包括組合:氧氣敏感染料和氧氣不敏感染料，其中兩種所述染料是熒光團，其特征在于，所述傳感器還包括大直徑光學纖維，以傳送光子和傳輸來自激發(fā)的熒光團的發(fā)射，其中所述纖維具有兩個端部，所述熒光材料位于所述大直徑光學纖維的端部。2.根據(jù)權利要求1所述的氧氣傳感器，其中所述大直徑光學纖維被容納在管中。3.根據(jù)權利要求2所述的氧氣傳感器，其中所述管具有兩個端部，該兩個端部中的一個具有橡膠膜和能夠附接至所述橡膠膜的一個或多個通氣孔。4.根據(jù)權利要求3所述的氧氣傳感器，其中所述橡膠膜防止航空燃料透過且允許氣態(tài)氧氣透過。5.根據(jù)前述任一項權利要求所述的氧氣傳感器，其中所述氧氣敏感染料與所述氧氣不敏感染料能夠在相同的波長下激發(fā)。6.根據(jù)前述任一項權利要求所述的氧氣傳感器，所述氧氣敏感染料和氧氣不敏感染料被分散在耐油和透氧橡膠中。7.根據(jù)權利要求6所述的氧氣傳感器，其中所述橡膠是氟硅橡膠。8.—種用于測量燃料箱中的氧氣濃度的裝置，包括:根據(jù)前述任一項權利要求所述的傳感器，其中所述大直徑光學纖維在遠離所述熒光材料的端部被連接至三色棱鏡和用于激發(fā)所述熒光團的激發(fā)源。9.根據(jù)權利要求8所述的裝置，其中，所述三色棱鏡與兩個光檢測器一起使用，以分離來自每種染料和所述激發(fā)的發(fā)射的波長。10.—種用于測量燃料箱中的氧氣濃度的裝置，包括:根據(jù)權利要求1-7所述的具有大直徑光學纖維的傳感器，所述大直徑光學纖維在遠離所述熒光材料的端部被連接至三色傳感器和用于激發(fā)所述熒光團的激發(fā)源。11.根據(jù)權利要求10所述的裝置，其中所述三色傳感器是集成的RGB。12.根據(jù)權利要求8-11中任一項所述的裝置，其中由所述激發(fā)的熒光團發(fā)射的所述熒光的強度或壽命被轉換成比例電流，且所述比例電流被轉換成電壓。13.根據(jù)權利要求12所述的裝置，其中互阻抗放大器被用于將所述電流轉換成電壓。14.一種使用根據(jù)權利要求12或13所述的裝置的方法，其中所述電壓被相互比較來推斷所述氧氣敏感熒光材料的性能。
【文檔編號】G01N21/77GK105992944SQ201580008018
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月17日
【發(fā)明人】K·馬達夫
【申請人】伊頓有限公司