CN104266999B - 一种基于d型塑料光纤探头的液体折射率测量仪 - Google Patents

一种基于d型塑料光纤探头的液体折射率测量仪 Download PDF

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一种基于D型塑料光纤探头的液体折射率测量仪，属于光纤传感技术领域，进一步还可以应用于液体的盐度与糖度的测量。该仪器主要包括激光光源、斩波器、D型塑料光纤探头、滤光片、探测器、控制与信息系统及显示器构成。激光光源发出的连续光信号经斩波器调制后进入D型塑料光纤探头，当有液体接触到探头时，探头中传输的光信号会产生衰减，之后光信号由探测器采集，并经A/D转换后进入信号处理系统，处理系统对信号进行相关运算后得到液体的折射率，系统中预制折射率‑糖度、折射率‑盐度关系，可在功能选择中选定并计算得出，所得结果经显示器显示。该折射率测量仪具有制作简单、灵敏度高、操作简便、成本低等优点。

Description

一种基于D型塑料光纤探头的液体折射率测量仪
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于D型塑料光纤探头的液体折射率测量仪，并进一步还可以应用于液体的盐度与糖度的测量。
背景技术
折射率是一种重要的光学参数，通过对液体折射率的测量可以用来分析溶液的含糖量、盐度、pH值等(如文献：“Chong J H,Shum P,Haryono H,et al.Measurements of refractive index sensitivity using long-period gratingrefractometer[J].Optics Communications,2004,229(1):65-69.”)，所以在生物医学、食品卫生、环境监测等领域中有广泛的应用。
现有液体折射率测量仪一般采用光纤光栅、光纤FP腔等技术，其特点是通过光谱调制而达到较高的灵敏度，但同时也需采用光谱仪进行测量，增加了设备的成本；且传感元件的制备过程较为复杂；另外，这些测量仪大多采用通信石英光纤，其工作窗口在1550nm的红外波段附近，也给相关部件的组装和调试带来有一定困难。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的是提供一种制作简单、灵敏度高、操作简便、成本低的液体折射率测量仪。
如图1所示，本发明所述的液体折射率测量仪由激光光源1、斩波器2、具有A、B两个端口的D型光纤探头3、滤光片4、探测器5、控制及信息处理系统10和显示模块11构成；其中，激光光源1、斩波器2、光纤探头的端口A处在同一光路上，光纤探头的端口B与滤光片4、探测器5处在同一光路上；
控制及信息处理系统10为DSP架构，由A/D转换器6、电源7、D/A转换器8和DSP芯片9构成，DSP芯片9的第一I/O口与D/A转换器8的输入端相连，D/A转换器8的输出端与斩波器2相连，探测器5与A/D转换器6的输入端相连，A/D转换器6的输出端与DSP芯片9的第二I/O口相连，DSP芯片9的串口与显示模块11相连，其中A/D转换器6、D/A转换器8、DSP芯片9与显示模块11均由电源7供电。
本发明为解决技术问题所采取的解决方案的关键是：将塑料光纤制成弯曲半径为1～5mm的塑料光纤探头3，并将光纤探头3抛磨成D型结构来提高折射率测量的灵敏度。另外，由于塑料光纤的透过窗口在可见光波段，可以采用如635nm、650nm可见光波段的半导体激光器作为光源，降低了相关部件的组装和调试难度。
D型光纤探头的制作，包括两个步骤：
步骤1：如图2，将塑料光纤缠绕在半径1～5mm的钢制圆柱12上，加热钢制圆柱12至80～100℃，3～5秒后将塑料光纤取下，得到具有一定曲率半径的宏弯曲塑料光纤，不同曲率半径的宏弯曲塑料光纤可通过更换不同尺寸的钢制圆柱12制成；
步骤2：如图3，宏弯曲塑料光纤由夹具13固定，夹具13端面和宏弯曲塑料光纤的对称轴成45°～90°角；宏弯曲塑料光纤的弯曲部分14露出夹具13端面的高度为塑料光纤直径的30～70％；然后使用抛光纸对露出的部分14抛磨至夹具13端面，从而得到具有A、B两个端口的D型光纤探头3。
本发明所述的液体传感器的D型光纤探头3接触到待测液体时，光纤中传输的部分光会从D型光纤探头3的抛磨处辐射出，使光在光纤探头3中的透过率发生改变。该透过率与待测液体的折射率、糖度和盐度有关，通过测量透过率即可得到待测液体的折射率、盐度和糖度等数值。
本发明的D型光纤探头液体折射率传感器的优点有：
(1)成本低，制作简单，便于商业化生产；
(2)工作在可见光波段，安装和调试的难度低；
(3)分辨率较高；
(4)工作方式简单、易于操作。
附图说明
图1是本发明的D型塑料光纤液体折射率测量仪结构示意图，各部件为：激光光源1、斩波器2、具有A、B两个端口的D型光纤探头3、滤光片4、探测器5、控制及信息处理系统10和显示模块11构成的主机15；其中，激光光源1、斩波器2、光纤探头3的端口A处在同一光路上，光纤探头3的端口B与滤光片4、探测器5处在同一光路上；
图2是本发明的宏弯曲塑料光纤制作步骤1示意图；
图3是本发明的D形塑料光纤探头制作步骤2示意图；
图4是本装置测量的折射率与透过率的关系及拟合曲线。
图5是本发明进行液体折射率测量示意图，包括主机15、显示模块11、光纤探头3、待测液体16。
具体实施方式
实施例1：D型光纤液体折射率测量仪的连接
如图1，本发明的折射率测量仪由激光光源1、斩波器2、D型光纤探头3(直径1mm，曲率半径5mm，抛磨深度500μm，抛磨平面即夹具13端面与光纤对称轴成60°、滤光片4、探测器5、控制及信息处理系统10和显示模块11构成。上述构成中激光光源1、斩波器2、光纤探头3的端口A处在同一光路上，光纤探头3的端口B与滤光片4、光电探测器5处在同一光路上，斩波器2与D/A转换器8的输出口连接，探测器5与A/D转换器6输入口连接；信息与控制系统10为DSP架构，包括A/D转换器6，电源7，D/A转换器8、DSP芯片9构成，DSP芯片9的第一I/O口与D/A转换器8的输入端相连，D/A转换器8的输出端与斩波器2相连，探测器5与A/D转化器6的输入端相连，A/D转换器6的输出端与DSP芯片9的第二I/O口相连，DSP芯片9的串口与显示模块11相连。其中激光光源1采用Thorlabs公司的TLS001-635，波长635nm；滤光片4采用深圳激埃特GIAI-NBP635窄带滤光片，工作波长635nm；斩波器2采用Thorlabs公司生产的MC1F10，工作频率50Hz；探测器5采用Thorlabs公司的s120，工作波段400-1100nm；A/D转换器6和D/A转换器8分别采用ADI公司的ad9243和ad7876；DSP采用TI公司的TMS320VC5509；电源7为220V交变电流电源。
实施例2：本发明仪器的折射率和液体浓度(盐度、浓度)测量工作方式
如图5，激光光源1发出的波长为635nm的激光由斩波器2进行50Hz的强度调制后，由端口A耦合进D型塑料光纤探头3，当D型光纤探头3接触到液体16时，会有部分激光从D型光纤探头3漏出，产生功率衰减，探测器5得到的激光信号经A/D转换后传递给信息处理系统10。考虑到信号和噪声在频率特性上的差别，即待测信号具有50Hz的频率，而噪声信号具有随机性和不相关性，本发明中采用互相关检测技术提取待测信息、抑制噪声的影响(高晋占编著.微弱信号检测[M].北京市：清华大学出版社.2004)。具体方法如公式(1)：将50Hz的参考信号y(t)进行延时τ后与探测器5得到的光信号x(t)相乘后做积分平均运算，得到光信号的透过率T。该方法可以非常有效地提高信号的信噪比，减小测量误差。
T = 1 T ∫ 0 T x ( t ) y ( t - τ ) dt - - - ( 1 )
通过改变液体16的折射率重新进行上述测量后可以得到本装置的透过率与折射率标准关系曲线，如图4。对其进行拟合后可以得到关系式：
T＝-8.28n+12.00 (2)
这样，当光纤探头3接触到待测的液体后，本装置将首先测量出透过率T，就可以根据公式(2)得到液体的折射率。另外，已知液体的折射率后根据由阿贝折射率测出的盐度和糖度与折射率关系的拟合公式(3)、(4)，只要在控制及信息处理系统10中预置折射率-糖度或折射率-盐度关系式，便可计算得出液体的糖度或盐度。
c盐＝555.6n-740.5 (3)
c盐＝632.9n-843.7 (4)
表1、表2和表3分别为使用该装置对液体盐度和糖度的测量结果，可见本装置对折射率的测量误差为1.82×10-4RIU，对盐度和浓度的测量相对误差分为为1.3％和1.2％。
表1折射率测量结果(n＝1.3500)
表2盐度测量结果(c盐＝10％)
表3糖度测量结果(c糖＝10％)

Claims (3)

1.一种基于D型塑料光纤探头的液体折射率测量仪，其特征在于：由激光光源(1)、斩波器(2)、具有A、B两个端口的D型光纤探头(3)、滤光片(4)、探测器(5)、控制及信息处理系统(10)和显示器(11)构成；其中激光光源(1)、斩波器(2)、光纤探头(3)的端口A处在同一光路上，光纤探头(3)的端口B与滤光片(4)、探测器(5)处在同一光路上；控制及信息处理系统(10)为DSP架构，由A/D转换器(6)、电源(7)、D/A转换器(8)和DSP芯片(9)构成，DSP芯片(9)的第一I/O口与D/A转换器(8)的输入端相连，D/A转换器(8)的输出端与斩波器(2)相连，探测器(5)与A/D转换器(6)的输入端相连，A/D转换器(6)的输出端与DSP芯片(9)的第二I/O口相连，DSP芯片(9)的串口与显示器(11)相连，其中A/D转换器(6)、D/A转换器(8)、DSP芯片(9)与显示器(11)均由电源(7)供电；并且D型塑料光纤探头由如下步骤制备得到，
步骤1：将塑料光纤缠绕在半径1～5mm的钢制圆柱(12)上，加热钢制圆柱(12)至80～100℃，3～5秒后将塑料光纤取下，得到具有一定曲率半径的宏弯曲塑料光纤；
步骤2：宏弯曲塑料光纤由夹具(13)固定，夹具(13)端面和宏弯曲塑料光纤的对称轴成45°～90°角；宏弯曲塑料光纤的弯曲部分(14)露出夹具(13)端面的高度为塑料光纤直径的30～70％；然后使用抛光纸对露出的部分(14)抛磨至夹具(13)端面，从而得到具有A、B两个端口的D型光纤探头(3)。
2.如权利要求1所述的一种基于D型塑料光纤探头的液体折射率测量仪，其特征在于：采用635nm或650nm可见光波段的半导体激光器作为激光光源(1)。
3.如权利要求1中所述一种基于D型塑料光纤探头的液体折射率测量仪，其特征在于：在测量仪的控制及信息处理系统(10)中预置折射率-糖度或折射率-盐度关系式，进一步用于测量液体的糖度或盐度。
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