CN103728274A - 一种基于双光纤光栅的海水氯离子浓度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双光纤光栅的海水氯离子浓度测量装置，包括壳体，所述壳体内部设置有溶液槽、所述壳体外表面上设置有与电路控制模块连接的显示板，所述电路控制模块输入端与光电探测模块连接，其输出端与所述激光模块连接，所述激光模块输出端分别通过第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器与所述光电探测模块输入端连接，所述第二光纤光栅传感器外表面设置有热缩管，该装置测量海水氯离子浓度准确性高，稳定性强，成本低、体积小，携带方便，适于大范围推广应用。

Description

一种基于双光纤光栅的海水氯离子浓度测量装置

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域的测量海水氯离子浓度装置，尤其是一种基于双光纤光栅的海水氯离子浓度测量装置。

背景技术

海水中氯离子浓度的测量在海洋环境监测、石油、进出口贸易及军事上的航道测量等诸多领域应用十分广泛，尤其对近年来世界范围内环境保护、水质资源的监测等方面，有着重要的研究价值和科学意义。海水盐度是研究海洋渔业养殖、大洋环流、海洋动力学、降雨量、季节气候预测及海洋资源的重要参数。传统的海水氯离子浓度测量方法主要基于电化学方法，缺点是灵敏度低，操作繁琐，测量不准确。

近年来，很多高校和研究所开展了关于光纤光栅在海水氯离子浓度测量方面的一些研究和应用，但由于光纤光栅对应变、温度等多种因素极其敏感，并且传统的光纤光栅传感系统相关仪器十分昂贵，造成其工程应用具有一定难度。

中国专利200920293017.5公开了一种动态实时检测液体浓度的装置，该装置的溶液浓度传感器为裸长周期光纤光栅，用两个光纤光栅通过级联来提高测量精度，但没有考虑到长周期光纤光栅传感特性对温度、应变极其敏感，在测量溶液浓度时，溶液温度变化或者传感器应力变化很微小也会造成较大的测量误差，测得结果不稳定，易受环境温度影响。

中国专利201220302291.6公开了一种利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，该测量系统包括宽带光源、光谱分析仪、光纤光栅传感器等，宽带光源及光谱分析仪价格十分昂贵，并且该系统结构复杂，体积庞大，搭建繁琐，携带不方便，可移动性差，不利于需要到工业现场的测量。

综上所述，现有的利用光纤光栅测量海水氯离子浓度的方法误差较大，易受环境影响，仪器昂贵，系统庞大而且搭建复杂，不能满足目前快速发展的工农业发展需求。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于双光纤光栅的海水氯离子浓度测量装置，该装置测量海水氯离子浓度准确性高，稳定性强，成本低、体积小，携带方便，适于大范围推广应用。

为了解决现有技术中存在技术问题，本发明采用如下技术方案实施：

一种基于双光纤光栅的海水氯离子浓度测量装置，包括壳体，所述壳体内部设置有溶液槽、所述壳体外表面上设置有与电路控制模块连接的显示板，所述电路控制模块输入端与光电探测模块连接，其输出端与所述激光模块连接，所述激光模块输出端分别通过第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器与所述光电探测模块输入端连接，所述第二光纤光栅传感器外表面设置有热缩管。

所述第一光纤光栅传感器与所述第二光纤光栅传感器分别通过粘结层与所述溶液槽底部连接。

所述激光模块还包括单波长双路激光器和电源电路。

所述光电探测模块包括依次连接的光电探测二极管、IV转换电路、放大电路、低通滤波电路，

所述低通滤波电路输出端即为光电探测模块的输出信号。

所述电路控制模块的核心控制器为STM32。

本发明有益效果：第一，本发明通过采用双光纤光栅传感器对海水中氯离子浓度进行测量的装置，其中第一光纤光栅传感器采用一根裸光栅作为检测海水氯离子浓度的传感器，第二光纤光栅传感器采为一根外表面有热缩管的传感器，主要用于隔离溶液同时对光纤作温度补偿，从而减小温度对传感器的影响，克服传统测量系统测量误差大、保证了整个系统的稳定性。第二，本发明将两根光纤光栅传感器均使用502胶水固定于仪器底部待测海水溶液槽内以避免应力影响造成的测量误差。第三，传统测量系统使用光谱仪和宽带光源通过测量光纤光栅的光谱来测量氯离子浓度，本发明采用测量光纤光栅的光功率的损耗实现氯离子浓度的测量，同时采用低成本的单波长激光器作为光源，并利用光电二极管等元件搭建了低成本的光电探测电路测量光功率，克服了传统测量系统相关仪器成本高、体积庞大、搭建繁琐的缺点。第四，本发明结构简单、携带方便，适合在工业生产中大范围推广使用。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明电路结构示意图。

1—壳体  2—溶液槽  3—显示板  4—电路控制模块  5—光电探测模块

6—激光模块  7—第一光纤光栅传感器  8—第二光纤光栅传感器  81—热缩管

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

如图1，图2所示，本发明提供一种基于双光纤光栅的海水氯离子浓度测量装置，包括壳体1，所述壳体内部设置有溶液槽2，所述壳体1外表面上设置有与电路控制模块4连接的显示板3，所述电路控制模块4输入端与光电探测模块5输出端连接，所述电路控制模块4输出端与所述激光模块6输入端连接，所述激光模块6输出端分别通过第一光纤光栅传感器7和第二光纤光栅传感器8与所述光电探测模块5输入端连接，所述第二光纤光栅传感器8外表面设置有热缩管81。所述第一光纤光栅传感器7与所述第二光纤光栅传感器8采用周期为600um的长周期光纤光栅，谐振峰在1550nm。所述第一光纤光栅传感器7与所述第二光纤光栅传感器8分别通过粘结层与所述溶液槽2底部连接。所述粘结层可以采用502胶，803胶、万能胶进行粘结。在实际生产中，第一光纤光栅传感器7用裸光栅作为检测海水氯离子浓度的传感器，第二光纤光栅传感器8作为参考光纤进行温度补偿，其外表面采用热缩管81与溶液隔离，第一光纤光栅传感器7和第二光纤光栅传感器8均使用502胶水固定于壳体1底部的溶液槽2内。需要注意的是，在使用502胶水、803胶水、万能胶对第一光纤光栅传感器7和第二光纤光栅传感器8进行粘贴时，需要将第一光纤光栅传感器7和第二光纤光栅传感器8的两端与溶液槽2粘结，同时，涂胶尽量远离第一光纤光栅传感器7和第二光纤光栅传感器8的光栅区以免影响第一光纤光栅传感器7和第二光纤光栅传感器中8的传感器的传感特性。

所述激光模块6还包括单波长双路激光器和电源电路，所述激光模块6采用两路激光信号输出，所输出的激光波长为1550nm,功率为10mW。所述激光模块6输出端输出激光信号分别与第一光纤光栅传感器7和第二光纤光栅传感器8的输入端连接。

所述光电探测模块5包括依次连接的光电探测二极管、IV转换电路、放大电路、低通滤波电路。光电二极管与IV转换电路相连，IV转换电路输出端接放大电路输入端，放大电路输出端与低通滤波电路输入端相连，低通滤波电路输出端即为光电探测模块的输出信号。光电二极管可采用InGaAs型。

所述电路控制模块4还包括核心控制器、外围电路和显示板3。所述电路控制模块4采用的核心控制器为STM32，该模块控制激光模块中激光器的输出，同时读取光电探测模块输出端的模拟电压值，计算得到海水氯离子浓度并显示在显示板3上，所述显示板3由数码管构成。所述电路控制模块4为嵌入式系统电路控制板。

本发明实际工作原理：电路控制模块4控制激光模块6输出两路波长为1550nm，功率为10mW的激光，激光模块6的两路输出端分别与第一光纤光栅传感器7和第二光纤光栅传感器8的输入端连接，第一光纤光栅传感器7和第二光纤光栅传感器8的长度均为10cm，其中第一光纤光栅传感器7为一根裸光栅，第二光纤光栅传感器8外表面采用热缩管81与溶液隔离。所述第一光纤光栅传感器7和所述第二光纤光栅传感器8输出端分别与光电探测模块5的输入端相连，所述光电探测模块5输出模拟电压信号传送给所述电路控制模块4，所述电路控制模块4中的核心控制器采集模拟电压信号并计算得到溶液浓度后将测量结果显示在显示板3上。在连接时，需要注意的是第一光纤光栅传感器7和第二光纤光栅传感器8的输入端和输出端需使用专用的光纤转接件进行连接，主要避免因耦合问题造成过多的功率损耗。

本发明所依据的科学原理：本发明利用光纤光栅对外界环境折射率敏感的特性，激光器输出激光进入光纤光栅传感器，当光纤包层模与外界环境相互作用时，随着外界溶液中氯离子浓度增大溶液折射率变大，光纤光栅的透射谱将向短波长方向偏移。如果测量固定波长下的光功率，固定波长下的光功率将随着溶液氯离子浓度的增大而增大，并且呈近似线性关系。本发明采用单波长激光器作为光源，利用光电二极管等元件搭建了高精度低成本的光电探测电路测量光功率，然后根据氯离子浓度与光功率的线性关系反演对应光功率下的溶液氯离子浓度。由于光纤光栅传感器对应力和环境温度也很敏感，所以引入另一根参考光纤光栅作温度补偿，并将光纤光栅传感器用502胶粘住以减小应力影响。传统装置采用光纤光栅测浓度的系统，原理是采用测光谱图，利用光谱图中波峰波长的变化测量，基于这个原理需要用到仪器：光谱仪、宽带光源，整个系统搭建起来庞大和繁琐。本发明将测量波长偏移转换为测量功率,采用低成本的仪器搭建了测量系统，从而使整个系统结构变得简单，大大降低了成本。

本发明使用过程，测量时，将待测海水溶液倒入待测溶液槽2中，上电即可测量，氯离子浓度将会显示在数码管显示板3上，需要注意是，为了避免误损传感器，待测溶液中应不含泥沙等大颗粒物质，如果含有应先将泥沙等大颗粒物滤除再倒入溶液槽2。并且，测量完毕后应及时将待测溶液倒出，以防长时间后海水中盐分在测量装置中形成盐结晶。

以上参照附图和实施例，对本发明进行了示意性描述，该描述没有限制性。本领域的普通技术人员应能理解，在实际应用中，本发明中各部件的设置方式均可能发生某些改变，而其他人员在其启示下也可能做出相似设计。需要指出的是，只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的改变及其相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于双光纤光栅的海水氯离子浓度测量装置，包括壳体，所述壳体内部设置有溶液槽、所述壳体外表面上设置有与电路控制模块连接的显示板，所述电路控制模块输入端与所述光电探测模块连接，其输出端与所述激光模块连接，其特征在于，所述激光模块输出端分别通过第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器与所述光电探测模块输入端连接，所述第二光纤光栅传感器外表面设置有热缩管。

2.根据权利要求1所述基于双光纤光栅的海水氯离子浓度测量装置，其特征在于，所述第一光纤光栅传感器与所述第二光纤光栅传感器分别通过粘结层与所述溶液槽底部连接。

3.根据权利要求1所述基于双光纤光栅的海水氯离子浓度测量装置，其特征在于，所述激光模块还包括单波长双路激光器和电源电路。

4.根据权利要求1所述基于双光纤光栅的海水氯离子浓度测量装置，其特征在于，所述光电探测模块包括依次连接的光电探测二极管、IV转换电路、放大电路、低通滤波电路，所述低通滤波电路输出端即为光电探测模块的输出信号。

5.根据权利要求1所述基于双光纤光栅的海水氯离子浓度测量装置，其特征在于，所述电路控制模块的核心控制器为STM32。

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