CN101135640A - 准分布式光纤浓度传感器 - Google Patents

Abstract

一种准分布式光纤浓度传感器，由宽带ASE光源、光纤耦合器、介质膜滤光型波分复用器B₁～Bn、光纤传感头G₁～Gn、阵列波导光栅、光电二极管探头、阵列光电二极管探头T₁～Tn、传输光纤和电路处理单元共同连接构成。本传感器可实现分布式浓度测量，具有实时在线和远程检测的能力，测量范围大、灵敏度高、稳定性强、操作方便。

Description

准分布式光纤浓度传感器

(一)技术领域

本发明涉及一种准分布式光纤浓度传感器，具体为一种基于菲涅耳反射的准分布式光纤浓度传感器系统，属于新型光纤传感技术。

(二)背景技术

溶液的浓度是表征溶液特性的主要参量之一，在生化、环保、医疗和食品加工领域内，对溶液浓度的测量与控制对现代化工业生产过程有十分重要的作用，它是保证和提高产品质量的重要技术手段。因此，许多的测量溶液浓度的方法应运而生。传统的测量仪器包括商用的偏光计、色度计、阿贝折光仪等，还有宽带吸收光谱法、滴定法和荧光淬火等测量方法，但是大多数这些方法都只局限于可见光范围而且都是取样的方法，不能进行实时的监控。随后，光声、光纤光栅、SPR传感器和拉曼光谱等一些新技术相继出现，但是这些方法价格昂贵并且不易操作。当前光纤浓度传感方法大多为无选择性的或是光纤无传感作用而只是做为传光手段，尤其是在线溶液浓度的连续检测与控制方面还处于比较落后的状态.并且上述的方法都很难实现分布式的实时测量。然而在实际的工程应用中，被测对象往往不是一个点，而是呈现一定空间分布的场，为了获得这一类被测对象的比较完整的信息，需要采用分布调制的光纤传感系统。为此，基于溶液的浓度与其折射率之间具有对应关系，本发明提出了基于菲涅耳反射原理的强度调制型的测量溶液浓度的准分布式传感方案。利用了介质膜滤光型波分复用器(TFF型DWDM)的基本特性是表现为一个反射式的光学滤波器，在一根光纤中串接多个TFF，TFF反射的窄带波为中心的光进入到待测溶液中进行探测，并且使用了阵列波导光栅(AWG)作为解调单元实现了分布式光纤浓度传感。通过单一通道实现对多个测试信号的采集，这种技术的最大优点在于减少了测试数据采集设备所需的通道数量，从而降低了测试成本，并能够实现对待测溶液浓度的准分布场值的测量。由于这种传感系统检测效率高，并易于形成传感网络，为其实际应用开辟了广阔的前景。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠精确、实时快速的准分布式光纤浓度传感装置。与现有技术相比，本发明具有实时在线和远程检测的能力，可用于光纤传感、强吸收不透明波段(或介质)的测量，并可用于探测折射率或浓度的空间分布。此外，还具有测量范围大、灵敏度较高和操作方便等特点。

具体地讲，本发明的准分布式光纤浓度传感器由宽带ASE光源、光纤耦合器、n个介质膜滤光型波分复用器B₁～B_n(分别用B₁、B₂、……B_n表示)、n个光纤传感头G₁～G_n(分别用G₁、G₂、……G_n表示)、阵列波导光栅AWG、光电二极管探头、阵列光电二极管探头T₁～T_n(分别用T₁、T₂、……T_n表示)、传输光纤以及电路处理单元共同连接构成，其相互连接关系为：宽带ASE光源通过传输光纤与耦合器连接；耦合器通过传输光纤与介质膜滤光型波分复用器B₁～B_n、光电二极管探头和阵列波导光栅AWG连接；介质膜滤光型波分复用器B₁～B_n与相同编号的光纤传感头G₁～G_n依次一一对应连接(即B₁对应G₁、B₂对应G₂、……B_n对应G_n)；阵列波导光栅AWG通过传输光纤与阵列光电二极管探头T₁～T_n连接；阵列光电二极管探头T₁～T_n分别与电路处理单元电气连接。进行测量时，光纤传感头G₁～G_n插入待测液体中。

在上述传感器中，n的取值范围为2～500(即2≤n≤500)。具体数目根据宽带光源的光谱范围确定，范围越宽，n值越大。确定n值的基本原则是使相邻两个介质膜滤光型波分复用器的反射光的中心波长之差不小于0.8纳米，以防止他们之间发生的串扰过大而影响测量结果。

所述的电路处理单元由探头T₁～T_n前置放大电路(分别与阵列光电二极管探头T₁～T_n连接)、单片微机电路和LCD显示器共同电气连接构成，其相互连接关系为：探头T₁～T_n前置放大电路的输出线与单片微机电路的输入线电气连接；单片微机电路的输出线与LCD显示器的输入线电气连接。

上述的探头T₁～T_n的前置放大电路都一样，每一个前置放大电路均由一个光电二极管、一个三极管、五个电阻和三个电容电气连接构成(例如探头T₁前置放大电路由光电二极管D1、三极管Q1、电阻R1～R5和电容C1～C3电气连接构成；探头T₂前置放大电路由光电二极管D2、三极管Q2、电阻R6～R10和电容C4～C6电气连接构成，其中D1与D2、Q1与Q2相同，R1与R6、R2与R7、R3与R8、T4与R9、R5与R10分别相同，C1与C4、C2与C5、C3与C6分别相同)；单片微机电路由电容C7～C9、4MHz晶振电路、单片机PIC16F876、电阻R11～R15和按钮S1～S3电气连接构成；LCD显示器由LCD显示模块、电阻R16～R19和放大器Q3电气连接构成。

在发明中，光纤耦合器的两输出端口I、II的分光比为(10％～90％)∶(90％～10％)(其中连着介质膜滤波器TFF B₁的输出端为I端口，连着光电二极管探头的输出端为II端口)。传输光纤为普通单模光纤。光纤传感头为简单的端面垂直的裸光纤、FC尾纤插头或者由垂直的光纤端面构成。阵列光电二极管探头T₁～T_n的光强测量灵敏度为10nW量级，具体取决于仪器的灵敏度要求，要求越高，对光电二极管探头的光强测量灵敏度的要求越高。本发明中使用光电二极管探头进行实时监控，目的是利用相对强度的方法消除光源的不稳定性及光路中反向光对光源的影响所带来的误差，提高仪器的测量精度及其抗干扰能力。

本发明采用的工作机理和测量方法是基于界面菲涅耳反射光强对材料的折射率大小变化敏感的原理，采用介质膜滤波器型的密集波分复用器作为波长调制元件，并使用阵列波导光栅作为该发明传感系统的解调单元，串联多个的TFF和阵列波导光栅实现了分布式的溶液浓度测量。

本发明采用的测试方法是：用宽带ASE作为光源，发出的激光经过传输光纤被耦合器分成两路，其中一路光经过传输光纤继续进入介质膜滤波器TFF B₁，另一路光进入光电二极管探头作为监控测量；介质膜滤波器TFF B₁的反射光经过光纤传感头G₁连接进入光纤末端与待测液体的分界面发生反射，反射光再次经过TFF B₁反射后被耦合器耦合经过传输光纤进入阵列波导光栅AWG进行波长解调，最后进入阵列光电二极管探头T₁，输出的光电压正比于待测物反射的回波强度，透射光通过传输光纤进入下一个介质膜滤波器TFF B₂；同样，介质膜滤波器TFF B₂的反射光经过光纤传感头G₂连接进入光纤末端与待测液体的分界面发生反射，反射光再次经过TFF B₂反射后经过TFF B₁透射后被耦合器耦合经过传输光纤进入阵列波导光栅AWG进行波长解调，最后进入阵列光电二极管探头T₂，输出的光电压正比于待测物反射的回波强度，透射光通过传输光纤进入下一个介质膜滤波器TFF B₃，以此类推。阵列光电二极管探头T₁～T_n的值输入到电路处理单元进行数据处理。由Fresnel公式可以得到所需要的折射率值。

光强I_r与入射光强I_in的关系为： $I_r=I_m{\left(\frac{n_f-n_x}{n_f+n_x}\right)}^2,$ 其中n_x和n_f为待测液体和光纤有效折射率。假设光源的总光强为P₀，TFF的反射系数和透射系数分别为R_i(λ-λ_i)和T_i(λ-λ_i)(i＝1，2～n)，AWG各个通道的透过率为A_i(λ)，n个光电二极管的灵敏度为S_i(i＝1，2，…n)，耦合器的分光比k、k’。对于待测溶液i，由第i个阵列光电二极管探头T_i探测到的光强为

$P_i=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{S}_i{A}_i\left(\mathrm{\λ}\right)R_i^2(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_i)k{k}^{\text{'}}{I}_s\left(\mathrm{\λ}\right){\left(\frac{n_f-n_{\mathrm{xi}}}{n_f+n_{\mathrm{xi}}}\right)}^2\·\mathrm{d\λ},---\left(1\right)$

其中n_xi为浓度场中第i个监控点的溶液折射率。此时光电二极管探头3测得的光源监控的值为

$P_{\mathrm{ref}}=k^{\text{'}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{I}_r\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{d\λ}=k^{\text{'}}{P}_0,---\left(2\right)$

由公式(1)和(2)可以得到相对回波强度为

$K_i=P_i/P_{\mathrm{ref}}=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{S}_i{A}_i\left(\mathrm{\λ}\right)R_i^2(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_i)k{\left(\frac{n_f-n_{\mathrm{xi}}}{n_f+n_{\mathrm{xi}}}\right)}^2\·\mathrm{d\λ},---\left(3\right)$

因为温度、振动、压力等外界因素对光纤传输和测量的可能影响，将同时引起双通道光路光强的变化。通过双通道回波强度相除，即相对回波强度计算处理，可以大部分抵消这些影响，从而降低测量误差、提高仪器测量稳定性。测量前先将光纤传感头G_i置于空气中时，得到的相对回波强度为

$K_i^{\mathrm{air}}=P_i^{\mathrm{air}}/P_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{air}}=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{S}_i{A}_i\left(\mathrm{\λ}\right)R_i^2(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_i)k{\left(\frac{n_f-n_0}{n_f+n_0}\right)}^2\·\mathrm{d\λ},---\left(4\right)$

其中n₀为空气的折射率。由(3)(4)得：

$K_i/K_i^{\mathrm{air}}={\left(\frac{n_f-n_{\mathrm{xi}}}{n_f+n_{\mathrm{xi}}}\right)}^2{\left(\frac{n_f-n_0}{n_f+n_0}\right)}^2,---\left(5\right)$

通过变换公式(5)就可算得

$n_{\mathrm{xi}}=n_f\·\frac{K_i^{\mathrm{air}}-\mathrm{\τ}\sqrt{K_i}}{K_i^{\mathrm{air}}+\mathrm{\τ}\sqrt{K_i}},---\left(6\right)$

其中，τ＝(n_F-n₀)/(n_f+n₀)。根据文献所述在波长为λ＝1550nm处，n_f＝1.44961 n₀＝1.0003，因此τ＝0.1834。对于大多数溶液(例如糖和盐溶液)的折射率和浓度大致有一个线性关系：

$C={(\∂n/\∂C)}^{-1}n+C_0.---\left(7\right)$

最终通过(6)(7)式就可以求解出溶液的浓度C。采用较高灵敏度的光电二极管探头，就可实现对C的高精度测量和实时监控。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点：

(1)采用光纤反射式相对回波强度调制测量方法，测量精度高。相对回波强度参量的引入有效地消除了光源的不稳定性以及传感系统内部光路分支中不同损耗引起的测量误差、降低了外界环境变化对测量带来的影响，提高了测量精度。折射率测量精度可小于1×10^-4。

(2)实现了分布式浓度测量。首次采用介质膜滤波器型的密集波分复用器作为波长调制元件，并使用阵列波导光栅作为该发明传感系统的解调单元，串联多个的TFF和阵列波导光栅实现了分布式的溶液浓度测量。

(3)适用于光纤的新的折射率测量技术。因为光纤是绝缘体，具有良好的远距离光传输性能，光损耗极低，传输频带非常宽，可在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、化学腐蚀等恶劣条件下使用，结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高。

(4)除了用于一般性液体检测外，还可对微量、危险液体检测，以及进行气态或固体物质的折射率测量。

(5)通过检测液体浓度还可应用于测量溶液的折射率和被测点的温度场或应力场。因为浓度、温度或应力与折射率之间存在一一对应的关系。

(四)附图说明

图1是本发明准分布式光纤浓度传感器的结构示意图。

图2是本发明光纤传感头G₁～G_n激光进入其光纤端面与待测物质的分界面时的光路图。

图3是本发明的电路处理单元连接方框图。

图4是本发明的电路原理图。

图5是本发明的电路处理单元程序框图。

图6是应用本发明进行不同浓度盐溶液测量的数据结果与线性拟合曲线。

图7是应用本发明测量盐溶液浓度随时间变化的稳定性曲线。

(五)具体实施方式

在图1中，1为宽带ASE光源、2为光纤耦合器、3为光电二极管探头、4为TFF型的密集波分复用器DWDM B₁～B_n、5为光纤传感头G₁～G_n、6为待测液体、7为传输光纤、8为阵列波导光栅AWG、9为阵列光电二极管探头T₁～T_n、10为电路处理单元。

从图1可见，本发明的基于菲涅耳反射的准分布式光纤浓度传感器由宽带ASE光源、光纤耦合器、n个介质膜滤光型波分复用器B₁～B_n(分别用B₁、B₂、……B_n表示)、n个光纤传感头G₁～G_n(分别用G₁、G₂、……G_n表示)、阵列波导光栅AWG、光电二极管探头、阵列光电二极管探头T₁～T_n(分别用T₁、T₂、……T_n表示)、传输光纤以及电路处理单元共同连接构成，其相互连接关系为：宽带ASE光源通过传输光纤与耦合器连接；耦合器通过传输光纤与介质膜滤光型波分复用器B₁～B_n、光电二极管探头和阵列波导光栅AWG连接；介质膜滤光型波分复用器B₁～B_n与相同编号的光纤传感头G₁～G_n依次一一对应连接(即B₁对应G₁、B₂对应G₂、……B_n对应G_n)；阵列波导光栅AWG通过传输光纤与阵列光电二极管探头T₁～T_n连接；阵列光电二极管探头T₁～T_n分别与电路处理单元电气连接。进行测时，光纤传感头G₁～G_n插入待测液体中。其中n的取值范围为2～500(即2≤n≤500)。

在发明中，所述的宽带ASE光源波长范围为1525nm-1565nm。光纤耦合器的两输出端口I、II的分光比为(10％～90％)∶(90％～10％)，比较常用的是50％∶50％(其中连着介质膜滤波器TFF B₁的输出端为I端口，连着光电二极管探头的输出端为II端口)。传输光纤为普通单模光纤。光纤传感头为简单的端面垂直的裸光纤、FC尾纤插头或者由垂直的光纤端面构成。光电二极管探头T₁～T_n的光强测量灵敏度为10nW量级，具体取决于仪器的灵敏度要求。本发明中使用光电二极管探头3进行实时监控，目的是利用相对强度的方法消除光源的不稳定性及光路中反向光对光源的影响。

在图2中，5表示图1中的光纤传感头，6表示待测的液体，11表示光纤传感头与待测物的分界面。测量前，把光纤传感5(G₁～G_n)放置在空气中，进行仪器校准。测量时，把光纤传感头5(G₁～G_n)与待测物体良好接触，测量结果经自动计算后，转换成待测的折射率的值。

由图3可见，电路处理单元由探头T₁～T_n前置放大电路、单片微机电路和LCD显示器共同电气连接构成，其相互连接关系为：探头T₁～T_n前置放大电路的输出线与单片微机电路的输入线电气连接；单片微机电路的输出线与LCD显示器的输入线电气连接。

进行处理时，光电二极管探头3和阵列光电二极管探头9(T₁～T_n)输出的光电流信号经过前置放大电路，然后进入到数据处理器单片微机电路中，在单片微机电路中完成数据的算术运算，得出最后结果。通过单片微机对前置放大器输出信号的检测就能确定相应光电二极管电流的变化量。测量到的折射率值送LCD显示器由LCD显示模块显示。

由图4可见，探头T₁～T_n的前置放大电路都一样，每一个前置放大电路均由一个光电二极管、一个三极管、五个电阻和三个电容电气连接构成(例如探头T₁前置放大电路由光电二极管D1、三极管Q1、电阻R1～R5和电容C1～C3电气连接构成；探头T₂前置放大电路由光电二极管D2、三极管Q2、电阻R6～R10和电容C4～C6电气连接构成，其中D1与D2、Q1与Q2相同，R1与R6、R2与R7、R3与R8、T4与R9、R5与R10分别相同，C1与C4、C2与C5、C3与C6分别相同)；单片微机电路由电容C7～C9、4MHz晶振电路、单片机PIC16F876、电阻R11～R15和按钮S1～S3电气连接构成；LCD显示器由LCD显示模块、电阻R16～R19和放大器Q3电气连接构成。

各电路之间输出、输入线的连接关系为：探头T₁前置放大电路的L1输出线和探头T₂前置放大电路的L2输出线分别与单片微机电路的L1和L2引脚相电气连接，两探测信号经过放大后送到单片微机电路进行数据处理，LCD显示器的LCD_A和LCD_E引脚分别与单片微机电路相对应的引脚相电气连接，LCD显示器的LCD_RS和LCD_DB4～LCD_DB7引脚分别与单片微机电路相对应的引脚相电气连接，按钮电路S2和S3的INT1和INT2输入线单片微机电路的引脚INT1和INT2相电气连接，最后结果送LCD显示器由LCD显示模块显示。在图中，标号相同的线互相连接。电源开关与电路板的控制电源线相电气连接。

由图5显示，启动仪器后，仪器初始化，探测光进入阵列光电二极管，把光纤传感头G₁～G_n放置在空气中，自动存储光功率比值K_l ^air，并与默认值校对。然后进行溶液折射率的测量，测得的n_xl送入数值计算并由LCD显示器显示。

为了进一步检验本发明的可行性，特进行如下的实验：

实验1：

在实验中，应用基于菲涅耳反射的准分布式光纤浓度传感器测量了不同质量百分比浓度的同一液体(盐溶液)的折射率。实验结果如下：

盐溶液浓度(％)	折射率	标号
			00.0526320.0588240.0666670.0729630.0909090.1111110.1428570.2	1.3135931.3228881.3237091.3255401.3271571.3298421.3327941.3389821.348230	ABCDEFGHI

在图6中，是应用本发明进行不同浓度盐溶液折射率测量的数据结果与线性拟合曲线。标号A～I分别表示0～20％不同浓度的盐溶液。图中的实线为理论曲线，小圆点为实验测量值，可见，测量值能很好地与理论值相符合，R值大于0.99。

实验2：

在本实验中，应用基于菲涅耳反射的分布式光纤浓度传感器测量了不同浓度盐溶液的浓度随时间的变化情况，以评价本发明浓度测量稳定性。

在图7中，是应用本发明测量盐溶液浓度随时问变化的稳定性曲线。实验中，每隔30s的时间就测量一次盐溶液的浓度，记下读数。实验结果表明，该发明测量溶液浓度的稳定性在环境温度涨落0.5-1℃时为4×10^-4，并且通过图还可以知道该传感装置的测量精度为1×10^-4。

以上描述了本发明的结构及其原理、方法。在以上示例性实施例中，应用该装置进行了不同浓度的盐溶液的浓度测量，实验结果表明浓度测量值均与理论值吻合得很好，从而验证了该发明的实用性。虽然用其他的传感器或装置也能进行浓度折射率的测量，但是该基于菲涅耳反射的分布式光纤浓度传感器测试技术是首次应用了基于多层介质膜滤波器(TFF)型的密集波分复用器作为调制器件，并使用阵列波导光栅AWG作为信号解调单元的新的分布式光纤浓度测量技术。本发明实现了多点分布式的溶液浓度场的实时在线测量，相邻通道(Δλ＝0.8nm)的串扰很低(小于-52dB)，整个系统操作简单、价格较低、灵敏度高，稳定性强，具有远程监测的能力，可应用于不透明波段或介质的测量，具有三维折射率空间分布的探测能力。

本发明并不局限于上述的具体实施方式，对本发明的变通或实质相同的等量替换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种准分布式光纤浓度传感器，其特征在于：它由宽带ASE光源(1)、光纤耦合器(2)、介质膜滤光型波分复用器B₁～Bn(4)、光纤传感头G₁～Gn(5)、阵列波导光栅(8)、光电二极管探头(3)、阵列光电二极管探头T₁～Tn(9)、传输光纤(7)和电路处理单元(10)共同连接构成，其相互连接关系为：宽带ASE光源(1)通过传输光纤(7)与耦合器(2)连接；耦合器(2)通过传输光纤(7)与介质膜滤光型波分复用器B₁～Bn(4)、光电二极管探头(3)和阵列波导光栅(8)连接；介质膜滤光型波分复用器B₁～Bn(4)与相同编号的光纤传感头G₁～Gn(5)依次一一对应连接；阵列波导光栅(8)通过传输光纤(7)与阵列光电二极管探头T₁～Tn(9)连接；阵列光电二极管探头T₁～Tn(9)分别与电路处理单元(10)电气连接。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：n的取值范围为2≤n≤500。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的电路处理单元(10)由探头T₁～Tn前置放大电路、单片微机电路和LCD显示器共同电气连接构成，其相互连接关系为：探头T₁～Tn前置放大电路的输出线与单片微机电路的输入线电气连接；单片微机电路的输出线与LCD显示器的输入线电气连接。

4.如权利要求3所述的传感器，其特征在于：所述的探头T₁～T_n前置放大电路由一个光电二极管、一个三极管、五个电阻和三个电容电气连接构成；单片微机电路由电容C7～C9、4MHz晶振电路、单片机PIC16F876、电阻R11～R15和按钮S1～S3电气连接构成；LCD显示器由LCD显示模块、电阻R16～R19和放大器Q3电气连接构成。

5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：光纤耦合器连着介质膜滤波器B₁的输出端口I与连着光电二极管探头的输出端口II的分光比为10％～90％：90％～10％。

6.如权利要求1～5任一权利要求所述的传感器，其特征在于：所述的传输光纤为普通单模光纤；光纤传感头G₁～Gn为简单的端面垂直的裸光纤、FC尾纤插头或者由垂直的光纤端面构成；阵列光电二极管探头T₁～Tn的光强测量灵敏度为10nW量级。

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