專(zhuān)利名稱(chēng)：生物行為傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器，尤其是涉及一種生物行為傳感器，用于水質(zhì)安全在線(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
為了保護(hù)水生生物生活環(huán)境質(zhì)量和人類(lèi)飲用水的安全健康，人們常采用各種方法對(duì)水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的安全預(yù)警。水體的生物監(jiān)測(cè)是反映水環(huán)境質(zhì)量狀況的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，它直接反映了水環(huán)境質(zhì)量變化對(duì)生物的影響和危害程度， 是實(shí)現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測(cè)目的的一種最直接而有效的手段。生物監(jiān)測(cè)有以下幾種一、在線(xiàn)生物發(fā)光檢測(cè)技術(shù)，它利用了發(fā)光菌在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了光照強(qiáng)度受環(huán)境內(nèi)污染物影響的特點(diǎn)，通過(guò)光學(xué)傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)光菌的發(fā)光強(qiáng)度變化，反應(yīng)水質(zhì)情況。但是，發(fā)光菌強(qiáng)度受本身新陳代謝的影響，不能實(shí)現(xiàn)水體的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)， 只能依靠間隔抽樣監(jiān)測(cè)，很難反映水質(zhì)本身的實(shí)時(shí)變化情況；二、在線(xiàn)攝像技術(shù)(on-line image analysis)可以通過(guò)攝像記錄受試生物的運(yùn)動(dòng)行為變化，并根據(jù)生物的行為變化對(duì)水質(zhì)進(jìn)行在線(xiàn)評(píng)價(jià)。但這種技術(shù)存在的誤差會(huì)因?yàn)樗w的透明度、水體流速、光照等因素的影響而加大，并且此技術(shù)只實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物的二維監(jiān)測(cè)，不能對(duì)生物在立體空間內(nèi)的行為變化進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、分析；三、多物種淡水生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以克服外界環(huán)境因子對(duì)受試生物的影響，最大程度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境內(nèi)受試生物的行為學(xué)變化。但是，此技術(shù)不能結(jié)合合理的生物運(yùn)動(dòng)行為變化規(guī)律對(duì)受試生物的行為學(xué)變化進(jìn)行分析、評(píng)估；四、水質(zhì)在線(xiàn)安全預(yù)警系統(tǒng) (water quality on-line warning system)應(yīng)用生物在一定環(huán)境壓力下表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)的規(guī)律變化以及本身具有的對(duì)環(huán)境壓力的回避本能，它能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)在線(xiàn)三維監(jiān)測(cè)的同時(shí)又能夠結(jié)合生物的運(yùn)動(dòng)行為變化規(guī)律對(duì)受試生物的行為學(xué)變化進(jìn)行分析、評(píng)估。在此系統(tǒng)中為了了解分析受試生物運(yùn)動(dòng)行為的規(guī)律性以及其本身具有的對(duì)外界環(huán)境壓力的回避本能，采用了與生物行為規(guī)律相適應(yīng)的的傳感器(Biological Behavior biosensor，生物行為傳感器)。但此系統(tǒng)中現(xiàn)使用的生物行為傳感器在監(jiān)測(cè)水質(zhì)時(shí)易受外界干擾，且不能夠監(jiān)測(cè)到高頻低強(qiáng)度的生物行為的變化。發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)(名稱(chēng)用于水質(zhì)安全在線(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)的生物行為傳感器，申請(qǐng)?zhí)?200710065436. 9)公開(kāi)了一種通過(guò)檢測(cè)生物在一定環(huán)境壓力下的回避行為來(lái)監(jiān)測(cè)水質(zhì)安全的生物行為傳感器，其采用單個(gè)腔體結(jié)構(gòu)，其所感應(yīng)到的信號(hào)除了生物行為，還包括外界的信號(hào)，如外界噪聲、震動(dòng)等信號(hào)，并且不能檢測(cè)高頻低強(qiáng)度生物行為的信號(hào)，這就使得水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果不精確。另外，現(xiàn)有的生物行為傳感器中通常采用平板電極，這種電極不能均勻分布在腔體中，電場(chǎng)范圍小，這就使得部分有用且強(qiáng)度低、頻率高的信號(hào)不能采集到，而此類(lèi)信號(hào)更能反應(yīng)生物在低濃度有毒物質(zhì)環(huán)境中行為變化，因此，這同樣影響到水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的精確度
發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)人針對(duì)上述的問(wèn)題，進(jìn)行了研究改進(jìn)，提供一種生物行為傳感器，在水質(zhì)在線(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)中能更精確地檢測(cè)生物行為信號(hào)，能夠在不受外界干擾的情況下監(jiān)測(cè)受試生物的運(yùn)動(dòng)行為變化，且能夠監(jiān)測(cè)的信號(hào)范圍更廣。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
一種生物行為傳感器，包括兩個(gè)串聯(lián)的腔體，所述腔體為透明圓柱管，兩個(gè)腔體的內(nèi)徑相等并通過(guò)螺紋連接，兩個(gè)腔體之間設(shè)有分隔兩個(gè)腔體的隔網(wǎng)，兩個(gè)腔體的外端固定安裝有圓蓋，所述圓蓋的中心設(shè)有水管接頭；每個(gè)腔體中安裝至少一組電極，每組電極由相對(duì)設(shè)置的兩對(duì)電極組成，兩對(duì)電極的結(jié)構(gòu)一致，其中一對(duì)為發(fā)射電極，另一對(duì)為信號(hào)接收電極， 兩對(duì)電極分別與水質(zhì)在線(xiàn)安全預(yù)警系統(tǒng)連接。進(jìn)一步的
所述電極為網(wǎng)狀電極，呈圓弧形，貼合安裝在所述腔體的內(nèi)壁上。所述電極覆蓋除電極之間的空隙以外的整個(gè)所述腔體內(nèi)壁。所述電極由不銹鋼制成。所述水管接頭與外部水管連接，所述外部水管的進(jìn)水管上安裝有流量計(jì)。所述腔體的透明圓柱管由有機(jī)玻璃、PVC或ABS材料制成。所述隔網(wǎng)的直徑與所述腔體內(nèi)徑相等。所述隔網(wǎng)由尼龍或聚乙烯制成。本發(fā)明使用的生物行為傳感器設(shè)置兩個(gè)腔體，檢測(cè)時(shí)，在兩個(gè)腔體中，一個(gè)腔體中放受試生物，另一個(gè)腔體中不放，這樣兩腔體所感應(yīng)到的信號(hào)差即是受試生物的行為變化， 排除了外界環(huán)境的影響，確保檢測(cè)精度。本發(fā)明中，每個(gè)腔體中所使用的兩對(duì)電極的結(jié)構(gòu)一致，其中一對(duì)作為發(fā)射電極，另一對(duì)作為信號(hào)接收電極，電極呈圓弧形，貼合安裝在腔體的內(nèi)壁上，并且電極覆蓋除電極之間的空隙以外的整個(gè)腔體內(nèi)壁，這就使得電場(chǎng)分布均勻且更加靈敏，接收頻率更廣。本發(fā)明的原理每個(gè)腔體中一對(duì)電極連接矩形脈沖交變電流(此為發(fā)射信號(hào)的電極)，從而在管內(nèi)形成一個(gè)低壓電場(chǎng)；另一對(duì)電極不接矩形脈沖交變電流，而是連接信號(hào)采集器，為感應(yīng)電極(此為信號(hào)接收電極)。在一個(gè)腔體中不放受試生物，在此腔體中傳感器低壓電場(chǎng)發(fā)生變化以后，接受信號(hào)電極感應(yīng)電場(chǎng)變化，記為El ；在另一腔體中放入受試生物， 當(dāng)受試生物在傳感器的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致低壓電場(chǎng)發(fā)生變化后，與此對(duì)應(yīng)的接受信號(hào)電極感受電場(chǎng)的變化，記為E2 ；E2和El經(jīng)水質(zhì)在線(xiàn)安全預(yù)警系統(tǒng)處理以后的差值即是受試生物的運(yùn)動(dòng)行為變化，然后對(duì)此運(yùn)動(dòng)行為變化進(jìn)行分析，并依據(jù)生物行為分析結(jié)果，對(duì)水質(zhì)變化進(jìn)行在線(xiàn)評(píng)估。本發(fā)明的生物行為傳感器可根據(jù)受試生物個(gè)體大小進(jìn)行選擇，并保持生物行為傳感器內(nèi)受試生物的數(shù)量為3-10只。在每個(gè)生物行為傳感器內(nèi)裝入的受試生物為出生后25-70小時(shí)的被監(jiān)測(cè)水源原生種的水生生物幼體，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)水培養(yǎng)進(jìn)化至少三代以上，作為受試生物使用；或是出生后25-70小時(shí)的被監(jiān)測(cè)水源標(biāo)準(zhǔn)模式生物的水聲生物幼體，直接作為受試生物使用。本發(fā)明采用的受試生物為被監(jiān)測(cè)水源標(biāo)準(zhǔn)模式下的脊椎動(dòng)物鯖鏘魚(yú)。鯖鏘隸屬鏘科，個(gè)體小，全長(zhǎng)2. 5 — 5. 0cm，可以耐受低溶氧和較寬的水溫和鹽度范圍，生命力強(qiáng)，疾病少，易于在實(shí)驗(yàn)室條件下飼養(yǎng)與培育。第二性征明顯，可通過(guò)臀鰭和背鰭的形狀及顏色比較精確區(qū)分雌雄。本發(fā)明的技術(shù)效果在于
本發(fā)明公開(kāi)的一種生物行為傳感器，用于水質(zhì)安全在線(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，對(duì)動(dòng)態(tài)的流水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)置兩個(gè)腔體，檢測(cè)時(shí)，一個(gè)腔體中放入受試生物，另一個(gè)腔體中不放，將兩腔體所感應(yīng)到的信號(hào)差作為受試生物的行為變化，排除了外界環(huán)境的影響，克服外界環(huán)境因子對(duì)受試生物的影響，最大程度地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境內(nèi)受試生物的行為學(xué)變化，不僅能夠監(jiān)測(cè)到正常頻率下的生物行為信號(hào)，也能監(jiān)測(cè)到高頻低強(qiáng)度的生物行為信號(hào)，提高檢測(cè)精確度； 另外，每個(gè)腔體中所使用的兩對(duì)電極的結(jié)構(gòu)一致，電極呈圓弧形，貼合安裝在腔體的內(nèi)壁上，并且電極覆蓋除電極之間的空隙以外的整個(gè)腔體內(nèi)壁，這就使得電場(chǎng)分布均勻且更加靈敏，接收頻率更廣。


圖1為本發(fā)明的三維剖切示意圖。圖2為本發(fā)明的三維爆破圖。圖3為利用生物行為傳感器監(jiān)測(cè)鯖鏘魚(yú)在正常水體內(nèi)的行為周期變化圖；圖中橫坐標(biāo)為暴露時(shí)間，縱坐標(biāo)為日本鯖鏘的行為強(qiáng)度變化。圖4為利用生物行為傳感器監(jiān)測(cè)鯖鏘魚(yú)24小時(shí)內(nèi)行為變化曲線(xiàn)圖，圖中橫坐標(biāo)為暴露時(shí)間，縱坐標(biāo)為日本鯖鏘的行為強(qiáng)度變化。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。如圖1、2所示，本發(fā)明包括兩個(gè)串聯(lián)的腔體，第一腔體1及第二腔體2，第一腔體1 及第二腔體2均為透明圓柱管，可以根據(jù)被監(jiān)測(cè)水體的性質(zhì)選擇由有機(jī)玻璃、PVC或ABS材料制造。第一腔體1及第二腔體2的內(nèi)徑相等并通過(guò)螺紋連接，兩個(gè)腔體之間設(shè)有隔網(wǎng)3， 隔網(wǎng)3將第一腔體1及第二腔體2分隔成兩個(gè)獨(dú)立的腔體，隔網(wǎng)3的直徑與第一腔體1及第二腔體2內(nèi)徑相等，隔網(wǎng)3通過(guò)第一腔體1及第二腔體2之間的卡槽固定，隔網(wǎng)3由尼龍或聚乙烯制成，隔網(wǎng)3的網(wǎng)眼大小由受試生物決定。第一腔體1及第二腔體2的外端分別通過(guò)螺紋固定安裝圓蓋4，圓蓋4的中心設(shè)有水管接頭5。第一腔體1及第二腔體2中分別安裝至少一組電極，每組電極由相對(duì)設(shè)置的兩對(duì)電極組成，其中一對(duì)為發(fā)射電極6，另一對(duì)為信號(hào)接收電極7，兩對(duì)電極的結(jié)構(gòu)一致，發(fā)射電極6及信號(hào)接收電極7分別與水質(zhì)在線(xiàn)安全預(yù)警系統(tǒng)連接。發(fā)射電極6及信號(hào)接收電極7均為網(wǎng)狀電極，呈圓弧形，貼合安裝在第一腔體1及第二腔體2的內(nèi)壁上。在本實(shí)施例中，發(fā)射電極6及信號(hào)接收電極7由不銹鋼制成，一對(duì)發(fā)射電極6及一對(duì)信號(hào)接收電極7覆蓋除電極之間的空隙8以外的整個(gè)第一腔體 1及第二腔體2內(nèi)壁。本實(shí)施例用對(duì)正常無(wú)污染水源進(jìn)行在線(xiàn)安全預(yù)警的過(guò)程以及預(yù)警的效果進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以鯖鏘作為受試生物，構(gòu)成第一腔體1及第二腔體2的透明圓柱管的內(nèi)徑為40mm， 外徑為50mm。在第一腔體1及第二腔體2的內(nèi)壁上分別安裝兩對(duì)不銹鋼制作的電極，每對(duì)電極由相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)電極組成，其電極大小由受試管決定，對(duì)日本鯖鏘監(jiān)測(cè)時(shí)，電極選擇弧長(zhǎng)為50mm，高度為70mm。兩對(duì)電極與水質(zhì)在線(xiàn)安全預(yù)警系統(tǒng)用連接，其中一對(duì)為發(fā)射電極6，另一對(duì)為信號(hào)接收電極7 ；水管接頭5與外部水管連接，外部水管的進(jìn)水管上安裝有流量計(jì)，以便通過(guò)流量計(jì)控制進(jìn)水和出水。生物行為傳感器安裝在水質(zhì)安全預(yù)警系統(tǒng)中，除生物行為傳感器兩端的水管接頭5以外，生物行為傳感器的整個(gè)管體為由隔網(wǎng)3分隔成第一腔體1及第二腔體2的封閉系統(tǒng)。使用本發(fā)明的生物行為傳感器，在第一腔體1內(nèi)不放受試物體，在第二腔體2內(nèi)放置4-10只鯖鏘魚(yú)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)(45-50小時(shí)開(kāi)始監(jiān)測(cè))在正常水體內(nèi)的行為周期變化，具體監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)如下
該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的溫度控制在20士2°C，光照周期為自然光照周期。流水暴露實(shí)驗(yàn)維持在 2天。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，流水速率控制在3L/h，食物通過(guò)流水系統(tǒng)投喂。利用生物行為傳感器 (參考圖1)監(jiān)測(cè)鯖鏘魚(yú)(45-50小時(shí)開(kāi)始監(jiān)測(cè))在正常水體內(nèi)的行為周期變化圖。如圖3所示，在2天流水試驗(yàn)過(guò)程中，日本鯖鏘的行為學(xué)變化表現(xiàn)出明顯的晝夜變化，即生物種現(xiàn)象 (Biological Clock)。如圖4，為24小時(shí)內(nèi)鯖鏘魚(yú)行為變化曲線(xiàn)，不同曲線(xiàn)代表鯖鏘魚(yú)不同頻率的行為反應(yīng)，圖4中縱坐標(biāo)表示各頻率行為強(qiáng)度的大小，橫坐標(biāo)為時(shí)間，各曲線(xiàn)從下到上依次代表IOHz、5Hz、2Hz、IHz、0. 5Hz頻率的行為強(qiáng)度變化，有明顯晝夜節(jié)率變化，高強(qiáng)度低頻率(10HZ、5HZ、2HZ)行為曲線(xiàn)晝夜節(jié)率變化更加明顯，低強(qiáng)度高頻率(1Ηζ、0. 5Hz)行為曲線(xiàn)晝夜節(jié)率變化不明顯。本發(fā)明的生物行為強(qiáng)度傳感器可以檢測(cè)到高頻低強(qiáng)度的行為信號(hào)，如頻率為IOHz的行為強(qiáng)度，像魚(yú)鰓部呼吸運(yùn)動(dòng)等生物行為運(yùn)動(dòng)方式，對(duì)污染物更加敏感等微弱電信號(hào)，而且可以最大程度降低生物晝夜節(jié)律變化對(duì)預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，利用此類(lèi)行為信號(hào)，以達(dá)到生物預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，精確地檢測(cè)出低濃度污染物的目的。本發(fā)明所提供的生物行為傳感器通過(guò)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)獲得的電信號(hào)方式顯示受試生物的行為變化信號(hào)，并經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)的分析評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了原位(In situ)、在線(xiàn)(On line)和實(shí)時(shí) (Real time)的在線(xiàn)生物監(jiān)測(cè)，并且可以對(duì)水體的未知污染進(jìn)行預(yù)警，對(duì)于研究環(huán)境污染， 尤其是突發(fā)性、劇烈的事故性變化具有非常重要的指示作用。此外本發(fā)明進(jìn)行水質(zhì)預(yù)警的投入很少，不需要專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行操作，占用有限的人力、物理，水質(zhì)預(yù)警期間的維護(hù)費(fèi)用極低。
權(quán)利要求
1.一種生物行為傳感器，其特征在于包括兩個(gè)串聯(lián)的腔體，所述腔體為透明圓柱管， 兩個(gè)腔體的內(nèi)徑相等并通過(guò)螺紋連接，兩個(gè)腔體之間設(shè)有分隔兩個(gè)腔體的隔網(wǎng)，兩個(gè)腔體的外端固定安裝有圓蓋，所述圓蓋的中心設(shè)有水管接頭；每個(gè)腔體中安裝至少一組電極，每組電極由相對(duì)設(shè)置的兩對(duì)電極組成，兩對(duì)電極的結(jié)構(gòu)一致，其中一對(duì)為發(fā)射電極，另一對(duì)為信號(hào)接收電極，兩對(duì)電極分別與水質(zhì)在線(xiàn)安全預(yù)警系統(tǒng)連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的生物行為傳感器，其特征在于所述電極為網(wǎng)狀電極，呈圓弧形，貼合安裝在所述腔體的內(nèi)壁上。
3.按照權(quán)利要求2所述的生物行為傳感器，其特征在于所述電極覆蓋除電極之間的空隙以外的整個(gè)所述腔體內(nèi)壁。
4.按照權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的生物行為傳感器，其特征在于所述電極由不銹鋼制成。
5.按照權(quán)利要求1所述的生物行為傳感器，其特征在于所述水管接頭與外部水管連接，所述外部水管的進(jìn)水管上安裝有流量計(jì)。
6.按照權(quán)利要求1所述的生物行為傳感器，其特征在于所述腔體的透明圓柱管由有機(jī)玻璃、PVC或ABS材料制成。
7.按照權(quán)利要求1所述的生物行為傳感器，其特征在于所述隔網(wǎng)的直徑與所述腔體內(nèi)徑相等。
8.按照權(quán)利要求1或7所述的生物行為傳感器，其特征在于所述隔網(wǎng)由尼龍或聚乙烯制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生物行為傳感器，其特征在于包括兩個(gè)串聯(lián)的腔體，兩個(gè)腔體之間設(shè)有隔網(wǎng)，兩個(gè)腔體的外端固定安裝有圓蓋，圓蓋的中心設(shè)有水管接頭；每個(gè)腔體中安裝至少一組電極，每組電極由相對(duì)設(shè)置的兩對(duì)電極組成，其中一對(duì)為發(fā)射電極，另一對(duì)為信號(hào)接收電極，兩對(duì)電極分別與水質(zhì)在線(xiàn)安全預(yù)警系統(tǒng)連接。本發(fā)明用于水質(zhì)安全在線(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，對(duì)動(dòng)態(tài)的流水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢測(cè)時(shí)，一個(gè)腔體中放入受試生物，另一個(gè)腔體中不放，將兩腔體所感應(yīng)到的信號(hào)差作為受試生物的行為變化，排除了外界環(huán)境的影響，最大程度地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境內(nèi)受試生物的行為學(xué)變化，能夠監(jiān)測(cè)到正常頻率及高頻低強(qiáng)度的生物行為信號(hào)，提高檢測(cè)精確度。
文檔編號(hào)G01N33/18GK102353757SQ20111031090
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月14日
發(fā)明者劉勇, 王子健, 饒凱鋒 申請(qǐng)人:無(wú)錫中科水質(zhì)環(huán)境技術(shù)有限公司