本发明涉及光电传感器技术领域，更具体的说是涉及一种光纤式co2、o2浓度快速采集探头。
背景技术：
人体全身均需要依靠氧气，以燃烧体内储存的能量，让它们变成热能，器官及肌肉得到热能才能活动。氧气由肺部吸入，故肺部容量大小及活动次数便很重要；而心脏则负责把氧气，透过血液循环系统送到各个器官及部位，故心脏跳动的强弱会影响血液的流量。
因此，心肺功能是包括了血液的循环速度、心脏跳动的强弱、肺部的容量及次数。而要量度心肺功能，最好便是进行运动测试，因为人体运动时对氧气的需求量十分大，故最能考验心脏及肺部的活动能力。心肺功能指的是人的摄氧和转化氧气成为能量的能力。整个过程，牵涉心脏制血及泵血功能、肺部摄氧及交换气体能力、血液循环系统携带氧气至全身各部位的效率，以及肌肉使用这些氧气的功能。心肺运动试验是通过观察受试者运动时的各项反应诸如呼吸、血压、心率、心电图、气体代谢、临床症状与体征等，来判断其心、肺、骨骼肌等的储备功能和肌体对运动的实际耐受能力。心肺耐力可以表征人体持续身体活动的能力，体现出人体在一定运动强度下的心肺功能状况，是健康体适能评价指标体系中重要指标之一。在进行心肺耐力测试时，需要检测受试者的呼吸气体参数如呼吸气体的流量、呼吸气体的氧气浓度及二氧化碳浓度。
然而现有技术中对于呼吸气体的氧气浓度及二氧化碳浓度的测量均是由采样泵进行呼吸端采样，然后在进行分析，导致其分析结果延迟性较高，不能与流量曲线同步，且由于分子运动，采样后的气体混合，导致其结果不精确。
因此，如何提供一种能够对呼吸气体中的氧气及二氧化碳进行实时采样以保证检测结果精确的光纤式co2、o2浓度快速采集探头是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现要素：
在现有的心肺运动测试仪中对呼吸气体的流量一般采用流量流传感器，能够实时检测出呼吸气体的流量输出电信号曲线图，但是进行氧气浓度和二氧化碳的浓度检测时，在对受试者的呼吸气体进行采样时，呼吸的气体要经过一个导气软管才能到达检测设备端，然后对氧气浓度和二氧化碳浓度进行检测，通过该方法采集的呼吸气体样本在检测时存在以下缺陷，第一，导气软管具有一定的长度，呼吸气体到达检测设备端需要一定的时间，那么检测出的氧气浓度和二氧化碳浓度的检测结果与呼吸气体流量的检测结果不同步，造成结果分析的滞后；第二，呼吸气体在导气软管流通过程中气体分子间会发生碰撞，同时导气软管的各部分直径也会存在差异，那么呼吸气体在导气软管中流通的先后顺序会发生变化，也就是说后呼吸出的气体有可能混杂到前呼吸的气体中，造成采样并不能按照呼吸的前后顺序进行采样，很难采集到同一呼吸时间上的样本，从而造成检测氧气和二氧化碳浓度的样本与检测呼吸气体流量的样本不是同一呼吸时间的样本，造成对受试者呼吸气体参数综合分析不精确，从而影响对受试者综合指标的判断结果。
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种光纤式co2、o2浓度快速采集探头，以解决现有心肺运动试验中对氧气浓度及二氧化碳浓度不能进行实时采样，延迟性高，误差率大的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种光纤式co2、o2浓度快速采集探头，包括发光部，受光部以及光纤主体；
所述发光部包括第一发光元件和第二发光元件；所述第一发光元件射出包含第一测定对象气体的光吸收频谱的波长频带的激光；所述第二发光元件射出包含第二测定对象气体的光吸收频谱的波长频带的激光；
所述光纤主体为中空圆柱形，内侧设有玻璃态导光柱，外侧设有保护套，所述受光部设于所述玻璃态导光柱内侧中部；
所述受光部包括椭圆形载体，氧气荧光敏感膜以及二氧化碳荧光敏感膜；所述氧气荧光敏感膜与所述氧化碳荧光敏感膜贴附于所述椭圆形载体的两面。
采用上述技术方案，本发明通过第一发光元件和第二发光元件发出激光，照射在呼吸气体上，呼吸气体散射反射至受光部的椭圆形载体上的氧气荧光敏感膜以及二氧化碳荧光敏感膜使得第一发光元和第二发光元件在散射反射后照射在氧气荧光敏感膜以及二氧化碳荧光敏感膜上。椭圆形的氧气荧光敏感膜以及二氧化碳荧光敏感膜设计对散射反射的光的接收面积的大，使得荧光能够得到最大效率的接收。因而，本发明能够有效减少光传输的能量损失，具有荧光激发效率高、光能利用率高、荧光接收效率高和检测效率高的特点。
进一步的，所述椭圆形载体长轴与所述玻璃态导光柱直径相同。
进一步的，所述玻璃态导光柱突出所述光纤主体且与所述光纤主体呈10°—45°夹角。
优选的，玻璃态导光柱突出所述光纤主体且与所述光纤主体呈30°夹角。
采用上述技术方案既能够保证受第一发光元件和第二发光元件发出激光反射面积，保证氧气浓度及二氧化碳浓度测量的准确性，又能够保证整体玻璃态导光柱与光纤主体的机械强度，减少安装时的碰撞损坏。
进一步的，还包括设于椭圆形载体中部信号接收装置，所述信号接收装置将光信号转换成电信号。优选的，信号接收装置为电荷耦合光电检测器。
进一步的，所述第一发光元件以及第二发光元件发射的激光波长为2-450nm；强吸收谱线6359.97cm-1，即r16e，谱线强度1.744e23cm/mol和次弱谱线6362.5cm-1，即r20e，谱线强度为1.623e23cm/mol。
进一步的，所述氧气荧光敏感膜与所述二氧化碳荧光敏感膜均通过将荧光敏感物质经溶胶凝胶技术固定在一定的无机或有机的半透膜材料内获得。
优选的，氧气荧光敏感膜的选择：选择包埋有荧光物质的碳氟化溶胶凝胶基质构成，其中荧光物质与碳氟化溶胶凝胶基质的摩尔比为1～30。荧光物质为金属钌络合物、金属锇络合物、金属铅络合物、金属铂络合物、金属钯络合物、金属铼络合物；碳氟化溶胶凝胶基质为三氟丙基三甲氧基硅烷tfp-trimos与其它硅氧烷单体的水解共聚物；tfp-trimos与其它硅氧烷单体的体积比为0.25～4；其它硅氧烷单体为四甲氧基硅烷tmos、四乙氧基硅烷teos、甲基三甲氧基硅烷mtmos、甲基三乙氧基硅烷mteos、丙基三甲氧基硅烷ptmos或丙基三乙氧基硅烷pteos。
优选的，二氧化碳荧光敏感膜的选择：基于荧光碎灭原理的固定有叶琳的聚氯乙烯敏感膜，其原理是利用环糊精对叶琳的荧光增强效应，且该荧光能被溶液中二氧化碳碎灭，该膜响应速度快、重现性好、抗干扰能力强，测定碳酸的范围达到了4.75×10-7～3.90×10-5mol/l。
采用上述技术方案，本发明的氧气荧光敏感膜二氧化碳荧光敏感膜的测量氧气浓度和测量二氧化碳浓度的时间短，本发明本质上已经避免了传统的o2和co2测定从流量计处经过微量泵采样，然后送到相对慢反应的o2和co2测定装置分别测定所产生的采样时间延迟和o2与co2测定延迟，减少了连续动态累加计算每一个呼吸周期摄氧量和二氧化碳排出量的误差，提高了仪器检测的精准度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的现有技术中co2、o2浓度以及流量测量曲线；
图2附图为本发明提供的现有技术中co2、o2浓度以及流量误差调整后曲线；
图3附图为本发明提供的一种光纤式co2、o2浓度快速采集探头的整体结构示意图；
图4附图为本发明提供的一种光纤式co2、o2浓度快速采集探头的截面结构示意图。
图中，1为发光部，11为第一发光元件，12为第二发光元件，2为受光部，21为椭圆型载体，22为氧气荧光敏感膜，23为二氧化碳荧光敏感膜，3为光纤柱体，31为玻璃态导光柱，32为保护套。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示：现有技术中现有的心肺运动测试仪中对呼吸气体的流量一般采用流量流传感器，能够实时检测出呼吸气体的流量输出电信号曲线图，但是进行氧气浓度和二氧化碳的浓度检测时，在对受试者的呼吸气体进行采样时，呼吸的气体要经过一个导气软管才能到达检测设备端，然后对氧气浓度和二氧化碳浓度进行检测。
图中：1、大约有300毫秒开始之间的时间间隔呼气流量和开始浓度变化音量信号从解剖学上呼出死空间。
2、呼气结束时突然的变化出现浓度信号同时当流量过零。
3、流程整合开始当呼吸流停止时超过阈值流速。数字化频率：125赫兹。绘制间隔24毫秒。
通过该方法采集的呼吸气体样本在检测时存在以下缺陷，第一，导气软管具有一定的长度，呼吸气体到达检测设备端需要一定的时间，那么检测出的氧气浓度和二氧化碳浓度的检测结果与呼吸气体流量的检测结果不同步，造成结果分析的滞后；第二，呼吸气体在导气软管流通过程中气体分子间会发生碰撞，同时导气软管的各部分直径也会存在差异，那么呼吸气体在导气软管中流通的先后顺序会发生变化，也就是说后呼吸出的气体有可能混杂到前呼吸的气体中，造成采样并不能按照呼吸的前后顺序进行采样，很难采集到同一呼吸时间上的样本，从而造成检测氧气和二氧化碳浓度的样本与检测呼吸气体流量的样本不是同一呼吸时间的样本，造成对受试者呼吸气体参数综合分析不精确，从而影响对受试者综合指标的判断结果。
如图3-4所示：本实施例实施例公开了一种光纤式co2、o2浓度快速采集探头，包括发光部1，受光部2以及光纤主体3；
发光部1包括第一发光元件11和第二发光元件12；第一发光元件11射出包含第一测定对象气体的光吸收频谱的波长频带的激光；第二发光元件12射出包含第二测定对象气体的光吸收频谱的波长频带的激光；
光纤主体3为中空圆柱形，内侧设有玻璃态导光柱31，外侧设有保护套32，受光部2设于玻璃态导光柱31内侧中部；
受光部2包括椭圆形载体21，氧气荧光敏感膜22以及二氧化碳荧光敏感膜23；氧气荧光敏感膜22与氧化碳荧光敏感膜23贴附于椭圆形载体21的两面。
本实施例通过第一发光元件11和第二发光元件12发出激光，照射在呼吸气体上，呼吸气体散射反射至受光部2的椭圆形载体21上的氧气荧光敏感膜22以及二氧化碳荧光敏感膜23使得第一发光元件11和第二发光元件12在散射反射后照射在氧气荧光敏感膜22以及二氧化碳荧光敏感膜23上。椭圆形的氧气荧光敏感膜22以及二氧化碳荧光敏感膜23设计对散射反射的光的接收面积的大，使得荧光能够得到最大效率的接收。因而，本发明能够有效减少光传输的能量损失，具有荧光激发效率高、光能利用率高、荧光接收效率高和检测效率高的特点。
本实施例中，椭圆形载体21长轴与玻璃态导光柱31直径相同。
本实施例中，玻璃态导光柱31突出光纤主体3且与光纤主体3呈30°夹角。
在另一些实施例中，玻璃态导光柱31突出光纤主体3且与光纤主体3呈10°—45°夹角。
采用上述技术方案既能够保证受第一发光元件11和第二发光元件12发出激光反射面积，保证氧气浓度及二氧化碳浓度测量的准确性，又能够保证整体玻璃态导光柱31与光纤主体3的机械强度，减少安装时的碰撞损坏。
本实施例中，还包括设于椭圆形载体21中部信号接收装置，信号接收装置将光信号转换成电信号。优选的，信号接收装置为电荷耦合光电检测器。
在另一些实施例中，第一发光元件11以及第二发光元件12发射的激光波长为2-450nm；强吸收谱线6359.97cm-1，即r16e，谱线强度1.744e23cm/mol和次弱谱线6362.5cm-1，即r20e，谱线强度为1.623e23cm/mol。
本实施例激光，峰值波长为450nm，其覆盖发光体的吸收光谱，本实施例中采用强吸收谱线6359.97cm-1，即r16e，谱线强度1.744e23cm/mol和次弱谱线6362.5cm-1，即r20e，谱线强度为1.623e23cm/mol。
本实施例中，氧气荧光敏感膜22与二氧化碳荧光敏感膜23均通过将荧光敏感物质经溶胶凝胶技术固定在一定的无机或有机的半透膜材料内获得。
具体的，氧气荧光敏感膜22的选择：选择包埋有荧光物质的碳氟化溶胶凝胶基质构成，其中荧光物质与碳氟化溶胶凝胶基质的摩尔比为1～30。荧光物质为金属钌络合物、金属锇络合物、金属铅络合物、金属铂络合物、金属钯络合物、金属铼络合物；碳氟化溶胶凝胶基质为三氟丙基三甲氧基硅烷tfp-trimos与其它硅氧烷单体的水解共聚物；tfp-trimos与其它硅氧烷单体的体积比为0.25～4；其它硅氧烷单体为四甲氧基硅烷tmos、四乙氧基硅烷teos、甲基三甲氧基硅烷mtmos、甲基三乙氧基硅烷mteos、丙基三甲氧基硅烷ptmos或丙基三乙氧基硅烷pteos。
具体的，二氧化碳荧光敏感膜23的选择：基于荧光碎灭原理的固定有叶琳的聚氯乙烯敏感膜，其原理是利用环糊精对叶琳的荧光增强效应，且该荧光能被溶液中二氧化碳碎灭，该膜响应速度快、重现性好、抗干扰能力强，测定碳酸的范围达到了4.75×10-7～3.90×10-5mol/l。
本实施例的氧气荧光敏感膜22二氧化碳荧光敏感膜23的测量氧气浓度和测量二氧化碳浓度的时间短，本发明本质上已经避免了传统的o2和co2测定从流量计处经过微量泵采样，然后送到相对慢反应的o2和co2测定装置分别测定所产生的采样时间延迟和o2与co2测定延迟，减少了连续动态累加计算每一个呼吸周期摄氧量和二氧化碳排出量的误差，提高了仪器检测的精准度。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
1.一种光纤式co2、o2浓度快速采集探头，其特征在于，包括发光部(1)，受光部(2)以及光纤主体(3)；
所述发光部(1)包括第一发光元件(11)和第二发光元件(12)；所述第一发光元件(11)射出包含第一测定对象气体的光吸收频谱的波长频带的激光；所述第二发光元件(12)射出包含第二测定对象气体的光吸收频谱的波长频带的激光；
所述光纤主体(3)为中空圆柱形，内侧设有玻璃态导光柱(31)，外侧设有保护套(32)，所述受光部(2)设于所述玻璃态导光柱(31)内侧中部；
所述受光部(2)包括椭圆形载体(21)，氧气荧光敏感膜(22)以及二氧化碳荧光敏感膜(23)；所述氧气荧光敏感膜(22)与所述氧化碳荧光敏感膜(23)贴附于所述椭圆形载体(21)的两面。
2.根据权利要求1所述的一种光纤式co2、o2浓度快速采集探头，其特征在于，所述椭圆形载体(21)长轴与所述玻璃态导光柱(31)直径相同。
3.根据权利要求1所述的一种光纤式co2、o2浓度快速采集探头，其特征在于，所述玻璃态导光柱(31)突出所述光纤主体(3)且与所述光纤主体(3)呈10°—45°夹角。
4.根据权利要求1所述的一种光纤式co2、o2浓度快速采集探头，其特征在于，还包括设于椭圆形载体(21)中部信号接收装置，所述信号接收装置将光信号转换成电信号。
5.根据权利要求3所述的而一种光纤式co2、o2浓度快速采集探头，其特征在于，所述第一发光元件(11)以及第二发光元件(12)发射的激光波长为2-450nm；强吸收谱线6359.97cm-1，即r16e，谱线强度1.744e23cm/mol和次弱谱线6362.5cm-1，即r20e，谱线强度为1.623e23cm/mol。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种光纤式co2、o2浓度快速采集探头，其特征在于，所述氧气荧光敏感膜(22)与所述氧化碳荧光敏感膜(23)均通过将荧光敏感物质经溶胶凝胶技术固定在一定的无机或有机的半透膜材料内获得。
技术总结