CN106770022A - 一种水中污染物浓度的测量装置及测量方法 - Google Patents

一种水中污染物浓度的测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种水中污染物浓度的测量装置及测量方法。被动调Q光纤激光器发出调Q脉冲激光信号经由倏逝场光纤传输后，输出倏逝波至待检测水样中，基于待检测水样中污染物对倏逝波的吸收作用而造成的倏逝波的变化，及倏逝波的变化而引起的被动调Q光纤激光器的输出重复频率的变化，将被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果输出，测量方法简单，且基于该测量方法的测量装置的结构简单，造价成本低廉。

Description

一种水中污染物浓度的测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于水中污染物处理技术领域，尤其涉及一种水中污染物浓度的测量装置及测量方法。
背景技术
水资源是人类赖于生存与发展的重要环境资源，环境水质的污染会导致对生态环境系统的连锁破坏，最终对人类日常生活和社会发展造成严重的影响，因此水资源环境保护已经成为世界各国共同关注和高度重视的全球化问题。我国人均水资源十分短缺，伴随着我国经济的高速发展和城镇化进程的加快，高耗能、高耗水、高污染产业废水污染居高不下，城镇生活废水污染严重，地表径流流动污染更是难以控制。水污染直接或间接地影响着人们的健康和生活，据世界卫生组织调查报告显示，在发展中国家，高于70％的疾病与水污染有关。因此水资源环境的破坏己成为国家社会经济可持续发展的严重制约因素，受到了国家的高度重视。水质监测仪器是为水污染监测与治理提供及时、准确、全面的科学依据的必备装备，是制定切实可行的污染防治规划和水资源环境保护的重要前提和基础，对于水资源环境的安全监测与保护具有极为重要的意义。
目前，国内外主要采用紫外-可见光谱分析技术对水质进行检测，该光谱分析技术需要以集成电路实现光谱扫描为硬件基础，以化学计量方法的应用为算法基础。因此，目前市场上的水质分析仪器往往造价昂贵，且操作复杂。
发明内容
本发明提供一种水中污染物浓度的测量装置及测量方法，旨在解决现有的水中污染物浓度测量成本高，且测量方法复杂的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种水中污染物浓度的测量装置，所述装置包括被动调Q光纤激光器、倏逝场光纤以及频谱装置；
所述倏逝场光纤置于所述被动调Q光纤激光器的激光谐振腔内，所述被动调Q光纤激光器与所述频谱装置连接；
所述被动调Q光纤激光器，用于发出调Q脉冲激光信号经由倏逝场光纤传输后，输出倏逝波至所述待检测水样中；
所述被动调Q光纤激光器，还用于基于所述待检测水样中污染物对所述倏逝波的吸收作用而造成的所述倏逝波的变化，及所述倏逝波的变化而引起的所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率的变化，将所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果输出；
所述频谱装置，用于显示所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果。
进一步地，所述频谱装置，还用于基于预设的被动调Q光纤激光器的输出重复频率与水中污染物浓度之间的映射关系，以及输出的所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果，对所述待检测水样中污染物浓度进行判断得到测量结果，并将所述测量结果显示。
进一步地，所述被动调Q光纤激光器的腔体结构为环形腔结构或线性腔结构中的任意一种。
本发明还提供了一种水中污染物浓度的测量方法，倏逝场光纤置于被动调Q光纤激光器的激光谐振腔内，所述方法包括：
所述被动调Q光纤激光器发出调Q脉冲激光信号经由倏逝场光纤传输后，输出倏逝波至所述待检测水样中；
所述被动调Q光纤激光器基于所述待检测水样中污染物对所述倏逝波的吸收作用而造成的所述倏逝波的变化，及所述倏逝波的变化而引起的所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率的变化，将所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果输出至频谱装置；
所述频谱装置将所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果显示。
进一步地，所述频谱装置基于预设的被动调Q光纤激光器的输出重复频率与水中污染物浓度之间的映射关系，以及输出的所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果，对所述待检测水样中污染物浓度进行判断得到测量结果，并将所述测量结果输出显示。
进一步地，所述被动调Q光纤激光器的腔体结构为环形腔结构或线性腔结构中的任意一种。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
被动调Q光纤激光器发出调Q脉冲激光信号经由倏逝场光纤传输后，输出倏逝波至待检测水样中，基于待检测水样中污染物对倏逝波的吸收作用而造成的倏逝波的变化，及倏逝波的变化而引起的被动调Q光纤激光器的输出重复频率的变化，将被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果输出，本发明所提供的这种测量方法依据被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果判断水中污染物的浓度，测量方法简单，且基于该测量方法的测量装置的结构简单，造价成本低廉。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的水中污染物浓度的测量装置示意图；
图2是本发明第一实施例提供的水中污染物浓度的测量装置结构示意图；
图3是本发明第二实施例提供的水中污染物浓度的测量方法流程图；
图4是本发明第三实施例提供的水中污染物浓度的测量方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
作为本发明的第一个实施例，如图1或图2所示，本发明提供了一种水中污染物浓度的测量装置，该测量装置包括倏逝场光纤11、被动调Q光纤激光器22以及频谱装置33；
倏逝场光纤11置于被动调Q光纤激光器22的激光谐振腔内，被动调Q光纤激光器22与频谱装置33连接；
被动调Q光纤激光器22，用于发出调Q脉冲激光信号经由倏逝场光纤11传输后，输出倏逝波至待检测水样中；
被动调Q光纤激光器22，还用于基于待检测水样中污染物对倏逝波的吸收作用而造成的倏逝波的变化，及倏逝波的变化而引起的被动调Q光纤激光器的输出重复频率的变化，将被动调Q光纤激光器22的输出重复频率结果输出；
频谱装置33，用于显示被动调Q光纤激光器22的输出重复频率结果。
进一步地，频谱装置33，还用于基于预设的被动调Q光纤激光器的输出重复频率与水中污染物浓度之间的映射关系，以及输出的所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果，对待检测水样中污染物浓度进行判断得到测量结果，并将该测量结果显示。
进一步地，被动调Q光纤激光器22的腔体结构为环形腔结构或线性腔结构中的任意一种。如图2所示的被动调Q光纤激光器为环形腔结构，频谱装置33与被动调Q光纤激光器22连接，倏逝场光纤11置于被动调Q光纤激光器22激光谐振腔内。在本发明实施例中，如图2所示，被动调Q光纤激光器22包含半导体泵浦激光器201、波分复用器202、隔离器203、掺铒光纤204、可饱和吸收体205以及光耦合器206。其中，半导体泵浦激光器201作为泵浦光源；波分复用器202用于将泵浦光耦合进入谐振腔内；隔离器203用于防止光反馈，使激光沿着一个方向运行；掺铒光纤204作为激光增益介质；可饱和吸收体205用来作为可饱和吸收体，使激光形成被动调Q脉冲；光耦合器206用于将激光输出。
需要说明的是，待检测水样中污染物对倏逝波的吸收作用而造成倏逝波的变化，倏逝波的变化而引起被动调Q光纤激光器的输出重复频率的变化，主要是因为：
光的倏逝波到水中后，倏逝波会被水中的污染物吸收掉一部分，水中污染物的浓度越高，则被吸收的倏逝波越多，因此，倏逝波的减少而造成的被动调Q光纤激光器的腔内损耗越多，而被动调Q光纤激光器的腔内损耗变化会引起被动调Q光纤激光器的输出重复频率发生变化。总之，当待检测水样中污染物浓度变化时，由于倏逝波的吸收作用会随着水中污染物浓度变化而变化，从而引起被动调Q光纤激光器的输出重复频率的变化。
需要说明的是，频谱装置33可以是频谱仪，也可以是任何可以显示频谱的设备。
需要说明的是，被动调Q光纤激光器的输出重复频率一般在百KHz量级上，由于本发明将倏逝场光纤11置于被动调Q光纤激光器22的激光谐振腔内，因此，即使待检测水样中污染物浓度发生很微小的变化，从而导致的被动调Q光纤激光器的腔内损耗变化很小，但由于谐振腔的振荡作用，会将该腔内损耗的变化放大，从而使得腔内损耗对调Q激光运行的作用非常明显，最终使得被动调Q光纤激光器22在此频域内的输出重复频率发生变化，这样更加方便了测量。当待检测水样中污染物浓度增大的时候，即损耗变大时，会引起激光输出的Q脉冲重复频率的显著减小。
在本实施例中，对单模光纤进行了处理以得到能够激发出倏逝场的倏逝场光纤。主要应用以下三种方法制备倏逝场光纤：
第一种：将单模光纤进行侧面抛光，抛光深度达到55微米～60微米，能确保激发出倏逝场。
第二种：将单模光纤进行拉锥，拉锥处理后束腰直径小于20微米且大于5微米，能确保激发出倏逝场，且不易损坏。
第三种：将单模光纤进行激光侧面刻槽，刻槽深度达到55微米～60微米，能确保激发出倏逝场。
需要说明的是，在测量过程中需要将倏逝场光纤11置于待检测水样中，因此，如图2所示，测量时将测量装置中包含有倏逝场光纤的部分置于待检测水样中即可。
需要说明的是，上述的被动调Q光纤激光器的输出重复频率与水中污染物浓度之间的映射关系，需要经过反复多次的实验而制定出该映射关系的一个范围或者标准。首先，要对已知污染物浓度的水样进行多次测量，从而得到该浓度下的被动调Q光纤激光器的输出重复频率的范围或者标准；其次，再根据这个被动调Q光纤激光器的输出重复频率的范围或者标准，确定被动调Q光纤激光器的输出重复频率与水中污染物浓度之间的映射关系的一个范围或标准；最后，将得到的标准的被动调Q光纤激光器的输出重复频率与水中污染物浓度之间的映射关系录入到频谱装置中，以使本发明所提供的水中污染物浓度的测量装置能够有一个精准的测量依据。
另外，频谱装置33所显示的测量结果，可以是被动调Q光纤激光器22的输出重复频率；也可以是被动调Q光纤激光器22的输出重复频率、和与其最相似的被预先录入的某浓度下被动调Q光纤激光器的输出重复频率，从而使两者之间形成对比，便于用户的判断；也可以是经过判断后得到的该待检测水样的污染物浓度值，使用户可以得到直观的测量结果；该测试结果也可以是前面述几种情况的任意结合等等。
综上所述，本发明第一实施例所提供的测量装置，所采用的测量方法利用频域中调Q光纤激光器对外界损耗的响应，通过倏逝波光纤将水溶液污染物浓度变化量与调Q光纤激光器的频域中重复频率的变化量建立对应关系，方法简单有效，且该装置的结构简单、造价成本低廉、装置的稳定性高、使用寿命长，器件全光纤化，适合批量生产和产业化推广，更能够满足市场的需求。
作为本发明的第二个实施例，如图3所示，本发明提供了一种水中污染物浓度的测量方法，倏逝场光纤置于被动调Q光纤激光器的激光谐振腔内，所述方法包括：
步骤S101：被动调Q光纤激光器发出调Q脉冲激光信号经由倏逝场光纤传输后，输出倏逝波至待检测水样中；
步骤S102：被动调Q光纤激光器基于待检测水样中污染物对倏逝波的吸收作用而造成的倏逝波的变化，及倏逝波的变化而引起的被动调Q光纤激光器的输出重复频率的变化，将被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果输出至频谱装置；
步骤S103：频谱装置将被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果显示。
需要说明的是，待检测水样中污染物对倏逝波的吸收作用而造成倏逝波的变化，倏逝波的变化而引起被动调Q光纤激光器的输出重复频率的变化，主要是因为：
光的倏逝波到水中后，倏逝波会被水中的污染物吸收掉一部分，水中污染物的浓度越高，则被吸收的倏逝波越多，因此，倏逝波的减少而造成的被动调Q光纤激光器的腔内损耗越多，而被动调Q光纤激光器的腔内损耗变化会引起被动调Q光纤激光器的输出重复频率发生变化。总之，当待检测水样中污染物浓度变化时，由于倏逝波的吸收作用会随着水中污染物浓度变化而变化，从而引起被动调Q光纤激光器的输出重复频率的变化。
需要说明的是，频谱装置可以是频谱仪，也可以是任何可以显示频谱的设备。
需要说明的是，被动调Q光纤激光器的输出重复频率一般在百KHz量级上，由于本发明将倏逝场光纤置于被动调Q光纤激光器的激光谐振腔内，因此，即使待检测水样中污染物浓度发生很微小的变化，从而导致的被动调Q光纤激光器的腔内损耗变化很小，但由于谐振腔的振荡作用，会将该腔内损耗的变化放大，从而使得腔内损耗对调Q激光运行的作用非常明显，最终使得被动调Q光纤激光器在此频域内的输出重复频率发生变化，这样更加方便了测量。当待检测水样中污染物浓度增大的时候，即损耗变大时，会引起激光输出的Q脉冲重复频率的显著减小。在本实施例中，对单模光纤进行了处理以得到能够激发出倏逝场的倏逝场光纤。主要应用以下三种方法制备倏逝场光纤：
第一种：将单模光纤进行侧面抛光，抛光深度达到55微米～60微米，能确保激发出倏逝场。
第二种：将单模光纤进行拉锥，拉锥处理后束腰直径小于20微米且大于5微米，能确保激发出倏逝场，且不易损坏。
第三种：将单模光纤进行激光侧面刻槽，刻槽深度达到55微米～60微米，能确保激发出倏逝场。
需要说明的是，在测量过程中需要将倏逝场光纤置于待检测水样中，因此测量时将测量装置中包含有倏逝场光纤的部分置于待检测水样中即可。
需要说明的是，上述的被动调Q光纤激光器的输出重复频率与水中污染物浓度之间的映射关系，需要经过反复多次的实验而制定出该映射关系的一个范围或者标准。首先，要对已知污染物浓度的水样进行多次测量，从而得到该浓度下的被动调Q光纤激光器的输出重复频率的范围或者标准；其次，再根据这个被动调Q光纤激光器的输出重复频率的范围或者标准，确定被动调Q光纤激光器的输出重复频率与水中污染物浓度之间的映射关系的一个范围或标准；最后，将得到的标准的被动调Q光纤激光器的输出重复频率与水中污染物浓度之间的映射关系录入到频谱装置中，以使本发明所提供的水中污染物浓度的测量装置能够有一个精准的测量依据。
综上所述，本发明第二实施例所提供的测量方法简单。
作为本发明的第三个实施例，如图4所示，本发明提供了一种水中污染物浓度的测量方法，倏逝场光纤置于被动调Q光纤激光器的激光谐振腔内，所述方法包括：
步骤S101：被动调Q光纤激光器发出调Q脉冲激光信号经由倏逝场光纤传输后，输出倏逝波至待检测水样中；
步骤S102：被动调Q光纤激光器基于待检测水样中污染物对倏逝波的吸收作用而造成的倏逝波的变化，及倏逝波的变化而引起的被动调Q光纤激光器的输出重复频率的变化，将被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果输出至频谱装置；
步骤S103：频谱装置将被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果显示。
步骤S104：频谱装置基于预设的被动调Q光纤激光器的输出重复频率与水中污染物浓度之间的映射关系，以及输出的被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果，对待检测水样中污染物浓度进行判断得到测量结果，并将该测量结果输出显示。
其中，被动调Q光纤激光器的腔体结构为环形腔结构或线性腔结构中的任意一种。
需要说明的是，待检测水样中污染物对倏逝波的吸收作用而造成倏逝波的变化，倏逝波的变化而引起被动调Q光纤激光器的输出重复频率的变化，主要是因为：
光的倏逝波到水中后，倏逝波会被水中的污染物吸收掉一部分，水中污染物的浓度越高，则被吸收的倏逝波越多，因此，倏逝波的减少而造成的被动调Q光纤激光器的腔内损耗越多，而被动调Q光纤激光器的腔内损耗变化会引起被动调Q光纤激光器的输出重复频率发生变化。总之，当待检测水样中污染物浓度变化时，由于倏逝波的吸收作用会随着水中污染物浓度变化而变化，从而引起被动调Q光纤激光器的输出重复频率的变化。
需要说明的是，频谱装置可以是频谱仪，也可以是任何可以显示频谱的设备。
需要说明的是，被动调Q光纤激光器的输出重复频率一般在百KHz量级上，由于本发明将倏逝场光纤置于被动调Q光纤激光器的激光谐振腔内，因此，即使待检测水样中污染物浓度发生很微小的变化，从而导致的被动调Q光纤激光器的腔内损耗变化很小，但由于谐振腔的振荡作用，会将该腔内损耗的变化放大，从而使得腔内损耗对调Q激光运行的作用非常明显，最终使得被动调Q光纤激光器在此频域内的输出重复频率发生变化，这样更加方便了测量。当待检测水样中污染物浓度增大的时候，即损耗变大时，会引起激光输出的Q脉冲重复频率的显著减小。
在本实施例中，对单模光纤进行了处理以得到能够激发出倏逝场的倏逝场光纤。主要应用以下三种方法制备倏逝场光纤：
第一种：将单模光纤进行侧面抛光，抛光深度达到55微米～60微米，能确保激发出倏逝场。
第二种：将单模光纤进行拉锥，拉锥处理后束腰直径小于20微米且大于5微米，能确保激发出倏逝场，且不易损坏。
第三种：将单模光纤进行激光侧面刻槽，刻槽深度达到55微米～60微米，能确保激发出倏逝场。
需要说明的是，在测量过程中需要将倏逝场光纤置于待检测水样中，因此测量时将测量装置中包含有倏逝场光纤的部分置于待检测水样中即可。
需要说明的是，上述的被动调Q光纤激光器的输出重复频率与水中污染物浓度之间的映射关系，需要经过反复多次的实验而制定出该映射关系的一个范围或者标准。首先，要对已知污染物浓度的水样进行多次测量，从而得到该浓度下的被动调Q光纤激光器的输出重复频率的范围或者标准；其次，再根据这个被动调Q光纤激光器的输出重复频率的范围或者标准，确定被动调Q光纤激光器的输出重复频率与水中污染物浓度之间的映射关系的一个范围或标准；最后，将得到的标准的被动调Q光纤激光器的输出重复频率与水中污染物浓度之间的映射关系录入到频谱装置中，以使本发明所提供的水中污染物浓度的测量装置能够有一个精准的测量依据。
另外，频谱装置所显示的测量结果，可以是被动调Q光纤激光器的输出重复频率；也可以是被动调Q光纤激光器的输出重复频率、和与其最相似的被预先录入的某浓度下被动调Q光纤激光器的输出重复频率，从而使两者之间形成对比，便于用户的判断；也可以是经过判断后得到的该待检测水样的污染物浓度值，使用户可以得到直观的测量结果；该测试结果也可以是前面所述的几种情况的任意结合等等。
综上所述，本发明第三实施例所提供的测量方法依据被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果判断水中污染物的浓度，测量方法简单有效。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水中污染物浓度的测量装置，其特征在于，所述装置包括被动调Q光纤激光器、倏逝场光纤以及频谱装置；
所述倏逝场光纤置于所述被动调Q光纤激光器的激光谐振腔内，所述被动调Q光纤激光器与所述频谱装置连接；
所述被动调Q光纤激光器，用于发出调Q脉冲激光信号经由倏逝场光纤传输后，输出倏逝波至所述待检测水样中；
所述被动调Q光纤激光器，还用于基于所述待检测水样中污染物对所述倏逝波的吸收作用而造成的所述倏逝波的变化，及所述倏逝波的变化而引起的所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率的变化，将所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果输出；
所述频谱装置，用于显示所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述频谱装置，还用于基于预设的被动调Q光纤激光器的输出重复频率与水中污染物浓度之间的映射关系，以及输出的所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果，对所述待检测水样中污染物浓度进行判断得到测量结果，并将所述测量结果显示。
3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述被动调Q光纤激光器的腔体结构为环形腔结构或线性腔结构中的任意一种。
4.一种水中污染物浓度的测量方法，其特征在于，倏逝场光纤置于被动调Q光纤激光器的激光谐振腔内，所述方法包括：
所述被动调Q光纤激光器发出调Q脉冲激光信号经由倏逝场光纤传输后，输出倏逝波至所述待检测水样中；
所述被动调Q光纤激光器基于所述待检测水样中污染物对所述倏逝波的吸收作用而造成的所述倏逝波的变化，及所述倏逝波的变化而引起的所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率的变化，将所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果输出至频谱装置；
所述频谱装置将所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果显示。
5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述频谱装置基于预设的被动调Q光纤激光器的输出重复频率与水中污染物浓度之间的映射关系，以及输出的所述被动调Q光纤激光器的输出重复频率结果，对所述待检测水样中污染物浓度进行判断得到测量结果，并将所述测量结果输出显示。
6.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述被动调Q光纤激光器的腔体结构为环形腔结构或线性腔结构中的任意一种。
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