CN103439298A - 一种氯离子浓度传感器及其测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氯离子浓度传感器及其测量系统，包括：薄壁柚子型光子晶体光纤，材料为纯石英，包层直径为125±5微米；包层空气孔直径为34.6微米，空气孔间距为35.3微米；纤芯直径为12微米，且纤芯掺杂锗元素；纤芯中写入透射损耗峰在1550纳米附近的长周期光纤光栅，得到薄壁柚子型光子晶体光纤光栅；将不同浓度的氯离子溶液填充入所述薄壁柚子型光子晶体光纤光栅的包层空气孔中。该器件具有结构简单紧凑、设计灵活、灵敏度高、成本低廉等优点。采用全光纤传感模式，使得整套系统结构更加紧凑、利于集成、成本低廉，更适合于工业现场中的灵活应用。采用适当的波分复用及空分复用技术可以实现光纤组网，便于多点分布式测量。

Description

一种氯离子浓度传感器及其测量系统

技术领域

本发明涉及光子晶体光纤传感器领域，特别涉及一种基于长周期光子晶体光纤光栅的氯离子浓度传感器及其测量系统。 

背景技术

钢筋混凝土结构的耐久性是公共交通、土木工程等领域最为关注的问题之一。在实际应用中，钢筋耐久性的退化将引起建筑物结构性能的劣化，从而缩短其使用寿命，造成巨大的安全隐患。特别是海洋环境中，海水中氯离子的侵蚀作用将直接影响混凝土中钢筋的腐蚀，导致其承载能力下降，最后不可避免的导致结构塌陷。传统的氯离子浓度监测方法主要基于电化学反应原理，因此敏感度低，并且对低浓度条件下的氯离子浓度监测不够有效。 

近年来，光纤传感技术被广泛应用于建筑物监控、基础设施评估等工业领域。该种技术具有灵敏度较高，几何结构灵活，多种物理量传感，适用于高压、电气噪声、高温、腐蚀等恶劣环境以及便于组网等特点。因此，采用光纤传感技术对海洋环境中混凝土结构内部不同位置的氯离子浓度及钢筋的腐蚀程度进行定性分析和定量测量是解决上述问题的有效途径之一。 

目前，已报道的光纤传感技术方案主要集中在光敏材料传感方面，例如：荧光团猝灭技术、钠离子吸收技术以及依附于电介质波导的离子选择性吸附技术等等。上述传感装置主要应用于含水试样的氯离子浓度分析，所涉及的化学反应中可以对氯离子进行有效选择的离子载体数量较为有限，并且大部分实验方案都需要大量的仪器设备以及复杂的化学工艺。 

发明内容

本发明提供了一种氯离子浓度传感器及其测量系统，本发明减少了仪器设备的使用数量，简化了检测原理，提高了工作效率，详见下文描述： 

一种氯离子浓度传感器，包括：薄壁柚子型光子晶体光纤，材料为纯石英，包层直径为125±5微米；包层空气孔直径为34.6微米，空气孔间距为35.3微米；纤芯直径为12微米，且纤芯掺杂锗元素；纤芯中写入透射损耗峰在1550纳米附近的长周期光纤光栅，得到薄壁柚子型光子晶体光纤光栅；将不同浓度的氯离子溶液填充入所述薄壁柚子型光子晶体光纤光栅的包层空气孔中。 

一种氯离子浓度测量系统，包括：氯离子浓度传感器，所述氯离子浓度传感器的两端采用熔接或适配器耦合的方式分别同1550纳米单模光纤跳线进行耦合，通过所述第1550纳米单模光纤跳线分别连接可调谐半导体激光光源和数字功率计，所述可调谐半导体激光光源和所述数字功率计分别与Labview控制系统连接，所述Labview控制系统控制所述可调谐半导体激光光源输出波长，且波长中心在1550纳米。 

另一实施例中，一种氯离子浓度测量系统，包括：若干个氯离子浓度传感器，组成传感阵列，相邻的所述氯离子浓度传感器通过1550纳米单模光纤跳线连接；整个传感阵列通过所述1550纳米单模光纤跳线分别连接可调谐光纤法布里-波罗滤波器和数字功率计，所述可调谐光纤法布里-波罗滤波器依次与隔离器和放大自发辐射宽带光源连接；所述可调谐光纤法布里-波罗滤波器和所述数字功率计分别与Labview控制系统连接。 

另一实施例中，一种氯离子浓度测量系统，包括：若干个氯离子浓度传感器，组成多个并行传感阵列，相邻的所述氯离子浓度传感器通过1550纳米单模光纤跳线连接；每个传感阵列通过所述1550纳米单模光纤跳线分别连接耦合器和光开关耦合装置，所述耦合器通过数字功率计连接Labview控制系统；所述光开关耦合装置依次连接可调谐光纤法布里-波罗滤波器、隔离器和放大自发辐射宽带光源；所述可调谐光纤法布里-波罗滤波器和所述光开关耦合装置分别与所述Labview控制系统连接。 

本发明提供的技术方案的有益效果是：采用长周期光子晶体光纤光栅对氯离子浓度进行检测，在大占空比光子晶体光纤包层空气孔内填充待检测的氯离子溶液，利用氯离子溶液浓度变化影响包层有效折射率，从而根据长周期光纤光栅透射光谱信息的变化推断氯离子含量。该器件具有结构简单紧凑、设计灵活、灵敏度高、成本低廉、便于组网等优点，易应用于工程实践。避免了化学反应方法中形式单一、结构复杂、响应速度慢和不便组网等缺点，采用全光纤传感模式，使得整套系统结构更加紧凑、利于集成、成本低廉，更适合于工业现场中的灵活应用。采用适当的波分复用及空分复用技术可以实现光纤组网，便于多点分布式测量。该种传感装置具有微量样品检测、高分辨率探测、低成本、快速获取信息和实验装置简单、集成度高等方面的优势。 

附图说明

图1为一种氯离子浓度传感器的结构示意图； 

图2为一种氯离子浓度测量系统的结构示意图； 

图3为一种氯离子浓度测量系统的另一结构示意图。 

附图中，各部件的列表如下： 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。 

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种氯离子浓度传感器及其测量系统，本发明将光纤传感技术更好的应用于实际海洋环境中氯离子浓度检测，设计了基于长周期光子晶体光纤光栅的装置。长周期光纤光栅具有插入损耗低、回波反射低、偏振无关等特性，在实际应用中仅需要相对简单的配套测试设备。水体中氯离子浓度信息引起溶液折射率的改变，而长周期光纤光栅对其包层附近环境的折射率变化极为敏感，因此可以采用长周期光纤光栅的透射光谱信息作为外界环境折射率传感信号，从而定量研究水体氯离子含量。 

参见图1，该氯离子浓度传感器包括：薄壁柚子型光子晶体光纤，该光子晶体光纤的材料为纯石英，包层直径为125±5微米；包层空气孔直径为34.6微米，空气孔间距为35.3微米；纤芯直径为12微米，且纤芯掺杂锗元素，便于光纤光栅的写制。纤芯中写入透射损耗峰在1550纳米附近的长周期光纤光栅（具体实现时，即采用紫外激光曝光的方法在纤芯中写入长周期光纤光栅），得到薄壁柚子型光子晶体光纤光栅1；采用毛细现象的方法将不同浓度的氯离子溶液填充入薄壁柚子型光子晶体光纤光栅1的包层空气孔中。 

本发明实施例根据氯离子浓度传感器设计了三种氯离子浓度测量系统，详见实施例1、实施例2和实施例3。 

实施例1 

参见图1，该氯离子浓度测量系统包括：氯离子浓度传感器，氯离子浓度传感器的两端采用熔接或适配器耦合的方式分别同1550纳米单模光纤跳线2进行耦合，通过第1550纳米单模光纤跳线2分别连接可调谐半导体激光光源3和数字功率计4，可调谐半导体激光光源3 和数字功率计4分别与Labview控制系统5连接，Labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）控制系统5控制可调谐半导体激光光源3输出波长，且波长中心在1550纳米。 

其中，Labview控制系统5的具体工作原理和工作过程为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。 

该氯离子浓度测量系统的工作原理如下：利用紫外曝光方法向纤芯掺锗的薄壁柚子型光子晶体光纤纤芯处写入透射损耗峰在1550纳米附近的长周期光纤光栅。采用毛细现象将不同浓度的氯离子溶液填充入薄壁柚子型光子晶体光纤光栅包层空气孔中，通过不同浓度影响溶液的折射率，从而引起光子晶体光纤包层有效折射率的变化，进而调制光纤光栅的模式耦合关系，最终引起透射光谱的强度变化。通过测量多组氯离子溶液浓度与透射光谱强度的数值建立二者之间对应的函数关系，从而达到定量测量溶液中氯离子浓度的目的。目前可以得到该种基于长周期光子晶体光纤光栅的氯离子传感器件的透射光谱响应灵敏度为5.0*10^-6mW/mg/L。在实际应用中，测量透射光信号的光谱强度，通过利用上述传感灵敏度可以推算出待测溶液的氯离子的浓度。 

此外，可以采用飞秒激光技术在光子晶体光纤包层打出微孔，利用浓度扩散原理实时监测氯离子浓度的变化。 

实施例2 

参见图2，另一氯离子浓度测量系统包括：若干个氯离子浓度传感器，组成一个传感阵列，相邻的氯离子浓度传感器通过1550纳米单模光纤跳线连接（即两端采用熔接或适配器耦合的方式分别同1550纳米单模光纤跳线2进行耦合）；整个传感阵列通过1550纳米单模光纤跳线2分别连接可调谐光纤法布里-波罗滤波器6和数字功率计4，可调谐光纤法布里-波罗滤波器6依次与隔离器7和ASE（放大自发辐射宽带光源）8连接；可调谐光纤法布里-波罗滤波器6和数字功率计4分别与Labview控制系统5连接。 

即通过写入不同光栅常数可以得到不同透射损耗峰的长周期光纤光栅，利用波分复用技术可以将这些光纤光栅串联起来，形成光纤传感网络。 

该氯离子浓度测量系统的工作原理如下：利用紫外曝光方法向纤芯掺锗的薄壁柚子型光子晶体光纤纤芯处写入透射损耗峰在1550纳米附近的长周期光纤光栅。采用毛细现象将不同浓度的氯离子溶液填充入每个薄壁柚子型光子晶体光纤光栅包层空气孔中。由于组成了光纤传感阵列，存在多个特征波长（例如：λ1、λ2、λ3……λn），使得每一个特征波长对应于 特定损耗峰的光纤光栅，通过不同波长标定长周期光纤光栅的序号，进而确定传感器位置，实现多点分布式测量。通过各个损耗峰的变化探测氯离子浓度的变化，利用适当标定定量测量氯离子浓度。即利用Labview控制系统5控制可调谐光纤法布里-波罗滤波器6选择性输出相应的波长（例如：λ1）。数字功率计4记录波长λ1的透射光谱强度变化，获取到第一个氯离子浓度传感器的所对应的氯离子浓度，依此类推，通过可调谐光纤法布里-波罗滤波器6选择波长，得到所有氯离子浓度传感器的氯离子浓度变化信息。其他的工作原理和实施例1相同，本发明实施例对此不做赘述。 

实施例3 

参见图3，另一氯离子浓度测量系统包括：若干个氯离子浓度传感器，组成多个并行传感阵列（例如：m个并行传感阵列，相当于m个通道），相邻的氯离子浓度传感器通过1550纳米单模光纤跳线连接（即两端采用熔接或适配器耦合的方式分别同1550纳米单模光纤跳线2进行耦合）；每个传感阵列通过1550纳米单模光纤跳线2分别连接耦合器9和光开关耦合装置10（其中，耦合器9和光开关耦合装置10的型号选择由通道个数确定，例如：本实施例中的通道个数为m，则耦合器9为m*1的耦合器，光开关耦合装置10为1*m的光开关耦合装置），耦合器9通过数字功率计4连接Labview控制系统5；光开关耦合装置10依次连接可调谐光纤法布里-波罗滤波器6、隔离器7和ASE（放大自发辐射宽带光源）8；可调谐光纤法布里-波罗滤波器6和光开关耦合装置10分别与Labview控制系统5连接。 

即采用光开关耦合装置10可以将测量系统分解为多个通道，易于实现大规模组网。 

该氯离子浓度测量系统的工作原理如下：利用紫外曝光方法向纤芯掺锗的薄壁柚子型光子晶体光纤纤芯处写入透射损耗峰在1550纳米附近的长周期光纤光栅。采用毛细现象将不同浓度的氯离子溶液填充入每个薄壁柚子型光子晶体光纤光栅包层空气孔中。由于组成了光纤传感阵列，存在多个特征波长（例如：λ1、λ2、λ3……λn），通过不同通道和不同波长标定长周期光纤光栅的序号，进而确定传感器位置，从而实现大规模组网式测量。通过各个损耗峰的强度变化探测氯离子浓度的变化，利用适当标定技术定量测量氯离子浓度。即利用Labview控制系统5控制光开关耦合装置10选择测量通道后，Labview控制系统5控制可调谐光纤法布里-波罗滤波器6选择性输出相应的波长（例如：通道1内的λ1）。每个测量通道内选出的波长都通过耦合器9耦合至数字功率计4，数字功率计4记录波长λ1的透射光谱强度变化，获取到通道1内的第一个氯离子浓度传感器的所对应的氯离子浓度，依此类推，通过光开关耦合装置10、可调谐光纤法布里-波罗滤波器6依次选择测量通道和波长，得到所有 氯离子浓度传感器的氯离子浓度变化信息。其他的工作原理和实施例1相同，本发明实施例对此不做赘述。 

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种氯离子浓度传感器，其特征在于，包括：薄壁柚子型光子晶体光纤，材料为纯石英，包层直径为125±5微米；包层空气孔直径为34.6微米，空气孔间距为35.3微米；纤芯直径为12微米，且纤芯掺杂锗元素；纤芯中写入透射损耗峰在1550纳米附近的长周期光纤光栅，得到薄壁柚子型光子晶体光纤光栅；将不同浓度的氯离子溶液填充入所述薄壁柚子型光子晶体光纤光栅的包层空气孔中。

2.一种氯离子浓度测量系统，其特征在于，包括：权利要求1所述的氯离子浓度传感器，

所述氯离子浓度传感器的两端采用熔接或适配器耦合的方式分别同1550纳米单模光纤跳线进行耦合，通过所述第1550纳米单模光纤跳线分别连接可调谐半导体激光光源和数字功率计，所述可调谐半导体激光光源和所述数字功率计分别与Labview控制系统连接，所述Labview控制系统控制所述可调谐半导体激光光源输出波长，且波长中心在1550纳米。

3.一种氯离子浓度测量系统，其特征在于，包括：若干个权利要求1所述的氯离子浓度传感器，组成传感阵列，相邻的所述氯离子浓度传感器通过1550纳米单模光纤跳线连接；整个传感阵列通过所述1550纳米单模光纤跳线分别连接可调谐光纤法布里-波罗滤波器和数字功率计，所述可调谐光纤法布里-波罗滤波器依次与隔离器和放大自发辐射宽带光源连接；所述可调谐光纤法布里-波罗滤波器和所述数字功率计分别与Labview控制系统连接。

4.一种氯离子浓度测量系统，其特征在于，包括：若干个权利要求1所述的氯离子浓度传感器，组成多个并行传感阵列，相邻的所述氯离子浓度传感器通过1550纳米单模光纤跳线连接；每个传感阵列通过所述1550纳米单模光纤跳线分别连接耦合器和光开关耦合装置，所述耦合器通过数字功率计连接Labview控制系统；所述光开关耦合装置依次连接可调谐光纤法布里-波罗滤波器、隔离器和放大自发辐射宽带光源；所述可调谐光纤法布里-波罗滤波器和所述光开关耦合装置分别与所述Labview控制系统连接。

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