CN103743675B - 用于盐度测量的光纤探头及使用该光纤探头的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于盐度测量的光纤探头以及使用该光纤探头的测量装置，特点是该光纤探头包括光纤探针，光纤探针由第一光纤、长周期光纤光栅、第二光纤、布拉格光纤光栅和第三光纤组成，第一光纤的一端镀设有金属反射膜形成镀金属反射膜端头，第一光纤的另一端、载有长周期光纤光栅的光纤、第二光纤、载有布拉格光纤光栅的光纤和第三光纤依次连接；优点是该光纤探头总体结构简单，制作方便，且其各部分光纤价格低廉、能够适用的环境温度和环境深度的范围较广，适合大规模生产；使用该光纤探头的测量装置组成方便，易于使用人员的操作；该测量装置能够实时、准确且大范围获得水体的盐度、温度和深度。

Description

用于盐度测量的光纤探头及使用该光纤探头的测量装置

技术领域

本发明涉及一种盐度测量技术，尤其是一种用于盐度测量的光纤探头以及使用该光纤探头的测量装置。

背景技术

水体及食品中的盐分作为度量成分指标的重要参数，近年来随之出现了多种相关的技术测量手段。常用的技术手段包括电导率测盐度、折射率测盐度等，对应的也有便携式电导率/盐度/温度测量仪和便携式折射率/盐度/温度测量仪。目前，此类便携式盐度测量仪的测量对象单一，在测试水体盐度的过程中，往往无法实现水温及水的深度的同时测量，而需要加入其他的测量仪器进行补充测量，故而增加了测量流程和设备体量。

近年来，光纤光栅由于其稳定的物理性能、成熟的制作技术以及低廉的制作成本而逐渐广泛地应用于工业技术领域等诸多领域，例如气体监测、桥梁应力监测、折射率测量、化学成分测定等。目前应用较广泛的光纤光栅主要有布拉格光纤光栅（FiberBraggGrating，FBG）和长周期光纤光栅（LongPeriodGrating，LPG）。布拉格光纤光栅能够有效的监测温度、应力、形变等物理量；长周期光纤光栅由于其纤芯的传输膜与包层膜能够相互干涉，故能够测量外界环境中的折射率和化学成分的变化，而液体中盐度的变化恰会使其折射率值发生改变，故非常适用于水体中盐度的测量。现有技术中也有基于布拉格光纤光栅的海水盐度测量装置，该海水盐度测量装置包括包层完好的布拉格光纤光栅FBG1和包层通过氢氟酸腐蚀的布拉格光纤光栅FBG2，FBG1对温度敏感，且不受外界溶液折射率变化的影响，故用来测量温度变化，FBG2则主要用来测量溶液折射率变化；通过对折射率和盐度的标定，就可以利用测量溶液折射率的办法来测量溶液盐度。这种利用布拉格光纤光栅来测量盐度的装置，虽然传感结构简单，能实现长距离、分布式的测量，然而由于腐烛后的光纤机械性能大大降低，在测量时会影响测量结果的准确性；此外，氢氟酸是一种对人类和自然环境都有较大危害的化学品，这就必然提高了对操作的安全性要求，使得操作过程复杂化，不仅降低了生产效率，也增大了生产成本。

另外，常用的盐度测量仪器一般都直接对待测水体进行检测，这就无法避免水体中泥沙、灰尘、浮游微生物等的影响，导致检测到盐度数据与实际的海水或其它水体中的盐度有偏差，故而如何有效的排除水体中其它环境因素的影响，就显得非常重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于盐度测量的光纤探头以及使用该光纤探头的测量装置，该测量装置能够实时、准确并大范围地检测水体或者溶液的盐度和温度。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种用于盐度测量的光纤探头，包括光纤探针，所述的光纤探针由第一光纤、长周期光纤光栅、第二光纤、布拉格光纤光栅和第三光纤组成，所述的第一光纤的一端镀设有金属反射膜形成镀金属反射膜端头，所述的第一光纤的另一端、载有所述的长周期光纤光栅的光纤、所述的第二光纤、载有所述的布拉格光纤光栅的光纤和所述的第三光纤依次连接。

该光纤探头还包括一个能够进入水体并能够滤除水体中的水生物及其它固体颗粒杂质的封装套管，所述的光纤探针悬置在所述的封装套管内，所述的封装套管包括一端开口的透明管体、带中心孔的密封盖、第一隔离栅网，所述的透明管体的侧壁上设置有若干个入水孔，所述的密封盖与所述的透明管体的开口端密封连接，所述的第一隔离栅网包覆于所述的透明管体外并紧密覆盖住全部入水孔，所述的第三光纤穿过所述的密封盖的中心孔并与所述的密封盖密封连接，所述的第一光纤、载有所述的长周期光纤光栅的光纤、所述的第二光纤、载有所述的布拉格光纤光栅的光纤和部分所述的第三光纤位于所述的透明管体内，且所述的镀金属反射膜端头与所述的透明管体的密封端的内壁不相接触。设置配套的封装套管，通过第一隔离栅网能够有效过滤水体中的浮游生物、藻类以及砂砾类固体颗粒物质，并且能够避免水生物对光纤探针的直接撞击，同时保护自然水体及水生物免受断裂光纤的影响，从而进一步提高检测精度。

所述的光纤探针的整体长度为5-10cm，所述的第一光纤的长度不超过5cm，所述的第二光纤的长度不超过5cm。

所述的入水孔的孔径为0.5cm-1.0cm，所述的第一隔离栅网为网孔数大于200目的不锈钢栅网。

所述的透明管体为透明塑料管或者透明玻璃管。

所述的密封盖的中心孔内紧密安装有用于固定所述的第三光纤的固定装置，所述的密封盖上还设置有与所述的透明管体的内腔相连通的排气孔，所述的排气孔的孔径为0.1mm-2mm，所述的排气孔的外侧设置有第二隔离栅网。固定装置在固定第三光纤的同时也有利于保护第三光纤，防止断裂，排气孔的设置有利于透明管体内外气压平衡。

一种使用所述的用于盐度测量的光纤探头的测量装置，包括放大自发辐射光源、光纤光谱仪、光环形器和光纤探头，所述的光环形器具有三个端口，所述的光环形器的第一个端口与所述的放大自发辐射光源的输出端连接，所述的光环形器的第二个端口与所述的第三光纤连接，所述的光环形器的第三个端口与所述的光纤光谱仪的输入端连接。

所述的光环形器的第二个端口通过光纤跳线与所述的第三光纤的自由端连接，所述的光纤跳线与所述的光环形器的第二个端口连接的一端为FC光纤接口或者APC光纤接口。光纤跳线与光环形器的第二端口连接的一端设置为FC光纤接口或者APC光纤接口，方便于光纤探头和光纤跳线的快速连接。

所述的光纤跳线的另一端与所述的第三光纤的自由端焊接，且焊接点处设置有用于保护焊接点以及焊接点附近的部分所述的第三光纤和部分所述的光纤跳线的保护装置。

所述的保护装置包括保护套管和加固金属棒，所述的保护套管包覆在焊接点以及焊接点附近的部分所述的第三光纤和部分所述的光纤跳线外，所述的加固金属棒设置在所述的保护套管内，焊接点附近的部分所述的第三光纤、焊接点、焊接点附近的部分所述的光纤跳线的同侧壁均与所述的加固金属棒紧密贴合，所述的加固金属棒的长度为1.5-2cm，所述的加固金属棒的截面直径为1-2mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：这种用于盐度测量的光纤探头包括光纤探针，该光纤探针由第一光纤、长周期光纤光栅、第二光纤、布拉格光纤光栅和第三光纤组成，其总体结构简单，制作方便，且光纤探针中的各部分光纤价格低廉、能够适用的环境温度和环境深度的范围较广，适合大规模生产和大范围运用；该用于盐度测量的光纤探头与放大自发辐射光源、光环形器、光纤光谱仪组成的测量装置，组成方便，易于使用人员的操作；根据长周期光纤光栅对温度的敏感性和布拉格光纤光栅对外界应力的敏感性，并结合装置中的其他部件可以实时、准确且大范围获得水体的盐度、温度和深度，测试时直接将光纤探头浸没在待测水体中即可，操作过程简单，且测试精度高。

附图说明

图1为实施例中光纤探针的结构示意图；

图2为实施例中测量装置的组成示意图；

图3为实施例中封装套管与光纤探针的封装示意图一；

图4为实施例中封装套管与光纤探针的封装示意图二；

图5为实施例中验证实验的实验装置图；

图6a为实施例的验证实验中长周期光纤光栅的谐振峰峰谷在四组不同浓度盐溶液中的变化；

图6b为实施例的验证实验中长周期光纤光栅的谐振峰峰谷在浓度为4%的盐溶液中的变化；

图6c为实施例的验证实验中布拉格光纤光栅的谐振峰峰谷在浓度为4%的盐溶液中的变化。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1和图3所示，一种用于盐度测量的光纤探头，包括光纤探针1和一个能够进入水体并能够滤除水体中的水生物及其它固体颗粒杂质的封装套管，光纤探针1由第一光纤11、长周期光纤光栅12、第二光纤13、布拉格光纤光栅14和第三光纤15组成，第一光纤11的一端镀设有金属反射膜形成镀金属反射膜端头16，第一光纤11的另一端、载有长周期光纤光栅12的光纤、第二光纤13、载有布拉格光纤光栅14的光纤和第三光纤15依次连接。光纤探针1的整体长度为5cm，第一光纤11的长度为2cm。在此，光纤探针1中载有长周期光纤光栅12的光纤与载有布拉格光纤光栅14相焊接，焊接处形成第二光纤13，因此，第二光纤13的长度由载有长周期光纤光栅12的光纤与载有布拉格光纤光栅14来决定，在本实施例中，第二光纤13的长度为0.5cm。封装套管包括一端开口的透明管体21、带中心孔的密封盖22、第一隔离栅网23。密封盖22与透明管体21的开口端密封连接，透明管体21的侧壁上设置有若干个入水孔（图中未示出），第一隔离栅网23包覆于透明管体21外并紧密覆盖住全部入水孔，且透明管体21的侧壁上的入水孔的孔径为0.5cm-1.0cm。密封盖22的中心孔内紧密安装有用于固定第三光纤15的固定装置，这里固定装置采用内径为125μm的FC陶瓷插芯24，光纤探针1穿过FC陶瓷插芯24后悬置在封装套管内，其中第三光纤15穿过FC陶瓷插芯24并与密封盖22密封连接，第一光纤11、载有长周期光纤光栅12的光纤、第二光纤13、载有布拉格光纤光栅14的光纤和部分第三光纤15位于透明管体21内，且所述的金属反射膜端头16与透明管体21的密封端的内壁不相接触。

在本实施例中，第一隔离栅网23采用网孔数为250目的不锈钢栅网；透明管体21为透明塑料管，在其他具体实际应用中也可以为透明玻璃管；密封盖22上还设置有与透明管体21的内腔相连通的排气孔25，排气孔25的孔径为0.1mm-2mm，且排气孔25的外侧设置有第二隔离栅网（图中未示出），其中第二隔离栅网和第一隔离栅网23一样采用网孔数为250目的不锈钢栅网。在其他具体实际应用中，固定装置也可以采用自制的夹具来紧密固定并保护第三光纤15。

如图2所示，一种使用上述光纤探头的测量装置，包括放大自发辐射光源3、光纤光谱仪4、光环形器5和光纤探头，光环形器5具有三个端口，光环形器5的第一个端口与放大自发辐射光源3的输出端连接，光环形器5的第二个端口通过光纤跳线6与第三光纤15的自由端相焊接，光环形器5的第三个端口与光纤光谱仪4的输入端连接。在此，放大自发辐射光源3和光环形器5均采用现有技术，光纤光谱仪4采用分辨率在0.02nm及以上的各种应用于光纤监测的光纤光谱仪。光纤跳线6与光环形器5的第二个端口连接的一端为FC光纤接口，光纤跳线6的另一端与第三光纤15的自由端焊接，且焊接点处设置有用于保护焊接点以及焊接点附近的部分第三光纤15和部分光纤跳线6的保护装置，在此，保护装置如图3所示，其包括橡胶保护套管7和加固金属棒8，橡胶保护套管7包覆在焊接点以及焊接点附近的部分第三光纤15和部分光纤跳线6外，加固金属棒8设置在橡胶保护套管7内，且焊接点附近的部分第三光纤15、焊接点、焊接点附近的部分光纤跳线6的同侧壁均与加固金属棒8紧密贴合，加固金属棒8的长度为1.5cm，截面直径为1.5mm。

在其他实际应用中，光纤跳线与光环形器的第二个端口连接的一端也可以为APC光纤接口。另外，保护装置也可采用如图4给出的结构，其包括热塑套管10和加固金属棒8，热塑套管10穿过密封盖22的中心孔并包覆在自焊接点附近的光纤跳线6起至位于透明管体21内的部分第三光纤15外，热塑套管10内设置有加固金属棒8，加固金属棒8与部分第三光纤15的侧壁紧贴，加固金属棒8的长度为1.0cm，截面直径为1.5mm。由于热塑套管10穿过密封盖22的中心孔，因此不能采用图3给出的固定装置，在图4中采用的固定装置包括密封胶26，密封胶26涂覆在密封盖22的两端面与热塑套管10的连接处，既起到固定作用，又能够保证密封性。

为了验证本实施例给出的用于盐度测量的光纤探头以及使用该光纤探头的测量装置的可行性和准确性，进行如下实验：

实验装置如图5所示，其包括夹持器91以及环境维持装置，环境维持装置包括恒温水槽92、量筒93和升降台94，恒温水槽92放置在升降台94上，装有待测液体的量筒93放置在恒温水槽92内。实验时，光纤探头通过夹持器91固定，且使得光纤探头浸没在待测液体内，再通过升降台94调节恒温水槽92和量筒93的位置，使得光纤探头在位置基本保持不变的情况下插入待测液体内，同时保证每组实验中封装有光纤探头浸没在待测液体内的深度一致。

实验一：将浓度为1％、2％、3％、4％的盐溶液分别注入四支相同的量筒中，并在恒温水槽的温度一致的情况下，分别进行四组实验。实验时，开启放大自发辐射光源和光纤光谱仪，然后将光纤探头依次分别浸没于浓度为1％、2％、3％、4％的盐溶液中，此时通过光纤光谱仪中光谱曲线的变化，即可得到相同温度下，盐度与光谱对应的变化关系，图6a给出了长周期光纤光栅的谐振峰峰谷在上述四组不同浓度盐溶液中的变化。

实验二：调节恒温水槽的温度，将浓度为4％的盐溶液依次分别升温10℃、20℃，再观察光纤光谱仪中光谱曲线的变化，即可得到相同盐度下，温度与光谱对应的变化关系，图6b给出了不同温度下长周期光纤光栅的谐振峰峰谷在浓度为4%的盐溶液中的变化，图6c给出了不同温度下布拉格光纤光栅的谐振峰峰谷在浓度为4%的盐溶液中的变化。

上述实验中，由图6a、6b、6c可见，溶液的不同浓度、温度变化均可反应为光谱的峰值或者谷值的变化，其中图6a至图6c中峰值波长的选取方式如下：布拉格光纤光栅采用反射峰的谱线中的波峰所在的3dB谱宽的中心波长，长周期光纤光栅采用反射峰的谱线中的波谷所在的3dB谱宽的中心波长。

由于温度、盐度和光谱移动存在如下关系：（1）溶液的温度不变时，盐度每增加0.1％，折射率随之增加2×10^-4；（2）溶液的温度在20℃左右时，温度每增加1℃，折射率随之下降1×10^-4；光谱移动与盐度变化的计算公式为：Δ盐度=（α×Δλ_LPG+β×Δλ_FBG×1×10^-4）×2×10^-4，式中，Δ盐度为盐度变化值，α为长周期光纤光栅的变化系数，表示使用的长周期光纤光栅的波长漂移量与折射率的关系常数；β为布拉格光纤光栅的变化系数，表示使用的布拉格光纤光栅的波长漂移量与温度变化的关系常数；Δλ_LPG表示长周期光纤光栅的光谱谱线移动值，Δλ_FBG表示布拉格光纤光栅的光谱谱线移动值。因此，实际检测中，在测试前或更换新的光纤探针后需将光纤探头置于标定的溶液（即在20℃附近的已知温度和盐度的溶液）中进行定标，即获得温度的初始值，并在光纤光谱仪中分别得到长周期光纤光栅和布拉格光纤光栅的初始光谱谱线，再将光纤探头放入待测水体中，从计算机中分析得到长周期光纤光栅与布拉格光纤光栅的光谱谱线移动，再通过光谱移动与盐度变化的计算公式计算得到待测水体的实际盐度值，而待测水体中的实际温度值则通过布拉格光纤光栅的光谱谱线的移动量与温度的关系得到，所测得的温度值反馈补偿测量盐度时因温度变化引起的偏差。

由于光纤探头中包括布拉格光纤光栅部分，且布拉格光纤光栅对外界应力变化敏感，因此可以通过在不同水深度下进行上述实验，从而将不同应力数据与光谱数据进行标定，即可在实际海洋环境盐度检测的同时，对环境的水深度进行检测。

Claims (9)

1.一种用于盐度测量的光纤探头，其特征在于包括光纤探针，所述的光纤探针由第一光纤、长周期光纤光栅、第二光纤、布拉格光纤光栅和第三光纤组成，所述的第一光纤的一端镀设有金属反射膜形成镀金属反射膜端头，所述的第一光纤的另一端、载有所述的长周期光纤光栅的光纤、所述的第二光纤、载有所述的布拉格光纤光栅的光纤和所述的第三光纤依次连接；

还包括一个能够进入水体并能够滤除水体中的水生物及其它固体颗粒杂质的封装套管，所述的光纤探针悬置在所述的封装套管内，所述的封装套管包括一端开口的透明管体、带中心孔的密封盖、第一隔离栅网，所述的透明管体的侧壁上设置有若干个入水孔，所述的密封盖与所述的透明管体的开口端密封连接，所述的第一隔离栅网包覆于所述的透明管体外并紧密覆盖住全部入水孔，所述的第三光纤穿过所述的密封盖的中心孔并与所述的密封盖密封连接，所述的第一光纤、载有所述的长周期光纤光栅的光纤、所述的第二光纤、载有所述的布拉格光纤光栅的光纤和部分所述的第三光纤位于所述的透明管体内，且所述的镀金属反射膜端头与所述的透明管体的密封端的内壁不相接触。

2.根据权利要求1所述的用于盐度测量的光纤探头，其特征在于所述的光纤探针的整体长度为5-10cm，所述的第一光纤的长度不超过5cm，所述的第二光纤的长度不超过5cm。

3.根据权利要求1所述的用于盐度测量的光纤探头，其特征在于所述的入水孔的孔径为0.5cm-1.0cm，所述的第一隔离栅网为网孔数大于200目的不锈钢栅网。

4.根据权利要求3所述的用于盐度测量的光纤探头，其特征在于所述的透明管体为透明塑料管或者透明玻璃管。

5.根据权利要求4所述的用于盐度测量的光纤探头，其特征在于所述的密封盖的中心孔内紧密安装有用于固定所述的第三光纤的固定装置，所述的密封盖上还设置有与所述的透明管体的内腔相连通的排气孔，所述的排气孔的孔径为0.1mm-2mm，所述的排气孔的外侧设置有第二隔离栅网。

6.一种使用权利要求1所述的用于盐度测量的光纤探头的测量装置，其特征在于包括放大自发辐射光源、光纤光谱仪、光环形器和光纤探头，所述的光环形器具有三个端口，所述的光环形器的第一个端口与所述的放大自发辐射光源的输出端连接，所述的光环形器的第二个端口与所述的第三光纤连接，所述的光环形器的第三个端口与所述的光纤光谱仪的输入端连接。

7.根据权利要求6所述的使用用于盐度测量的光纤探头的测量装置，其特征在于所述的光环形器的第二个端口通过光纤跳线与所述的第三光纤的自由端连接，所述的光纤跳线与所述的光环形器的第二个端口连接的一端为FC光纤接口或者APC光纤接口。

8.根据权利要求7所述的使用用于盐度测量的光纤探头的测量装置，其特征在于所述的光纤跳线的另一端与所述的第三光纤的自由端焊接，且焊接点处设置有用于保护焊接点以及焊接点附近的部分所述的第三光纤和部分所述的光纤跳线的保护装置。

9.根据权利要求8所述的使用用于盐度测量的光纤探头的测量装置，其特征在于所述的保护装置包括保护套管和加固金属棒，所述的保护套管包覆在焊接点以及焊接点附近的部分所述的第三光纤和部分所述的光纤跳线外，所述的加固金属棒设置在所述的保护套管内，焊接点附近的部分所述的第三光纤、焊接点、焊接点附近的部分所述的光纤跳线的同侧壁均与所述的加固金属棒紧密贴合，所述的加固金属棒的长度为1.5-2cm，所述的加固金属棒的截面直径为1-2mm。