CN106872416B - 一种浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置，包括收发一体全光纤探头和信号控制处理模块，所述收发一体全光纤探头包括Y型探头光纤束和探头尖端，所述信号控制处理模块包括控制器、驱动电路、激光器、单光子探测器、信号处理器、存储器和显示器。本发明还提供一种浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置的检测方法。本发明利用收发一体全光纤探头代替传统的环形器作为零度后向透射光的接收端，实现了小型化全光纤结构探测，具有灵敏度高、抗干扰能力强的优点，易于实现远距离、狭窄工作环境空间的检测，为移动便携式小型化的水质检测设备提供了技术保障。

Description

一种浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及环境水中悬浮物浓度检测技术领域，具体是一种浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置及方法。

背景技术

随着工农业生产和城市建设的发展、人口的增长以及人民生活水平的提高，用水量和污水排放量都大幅度增加。由于大量的工业废水和生活污水排入河流水体，水环境质量严重恶化，地表水和地下水受到不同程度的污染。目前国际上对水中悬浮物浓度的检测方法包括传统的称质量法、光学传感器、激光衍射、遥感等。经过对比和研究发现光学法更加适合实时监测水中悬浮物浓度，更加适用一些特殊环境下的检测，也是未来轻便、可携带浊度仪器的发展方向。

目前国内外的各种浊度测量系统都难以实现狭小空间且环境特别恶劣条件下的在线浊度测量，比如对狭窄的油井进行检测，一般的测量系统都因为体积庞大而无法正常工作，唯一的办法只能通过收发一体的探头探入到待测处进行检测。这种检测方式不仅满足了在狭窄空间工作的条件，而且避免了信号处理电路在特殊环境下的不稳定性，保证了测量结果的准确性和抗干扰能力。

为了应对上面提出的问题，一些新的检测方式被提出，如中国发明专利ZL201210401753.4提出了一种光纤式激光液体浊度测量装置及测量方法，利用环形器以达到收发一体的目的。由于环形器的工作特性，逆向获得光信号是被抑制的，因此获得的光信号很少，检测的范围很小，而且环形器的体积相对较大，不利于狭小范围和检测系统的集成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置及方法，弥补现有水质浊度测量技术的不足，尤其是解决现有测量设备不能快速实时测量、体积庞大、不易携带、抗干扰差等问题。

本发明的技术方案为：

一种浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置，该装置包括收发一体全光纤探头和信号控制处理模块，所述收发一体全光纤探头包括Y型探头光纤束和探头尖端，所述信号控制处理模块包括控制器、驱动电路、激光器、单光子探测器、信号处理器、存储器和显示器；

所述Y型探头光纤束由若干光源光纤束和若干探测光纤束通过光纤耦合器汇聚构成，所述Y型探头光纤束的汇聚端与探头尖端嵌套连接，所述探头尖端为周向开设有若干壁孔的中空圆柱结构，其内部位于Y型探头光纤束汇聚端的后端依次设有透镜和平面镜；

所述控制器的输出端通过驱动电路与激光器的输入端连接，所述激光器的输出端通过光纤跳线与光源光纤束连接，所述探测光纤束通过光纤跳线与单光子探测器的输入端连接，所述单光子探测器的输出端通过信号处理器与存储器的输入端连接，所述存储器与控制器交互式连接，所述控制器的输出端与信号处理器的输入端、显示器的输入端连接。

所述的浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置，当该装置用于检测浊度低于一定阈值的待测液时，所述光源光纤束的数目少于探测光纤束的数目；当该装置用于检测浊度高于一定阈值的待测液时，所述光源光纤束的数目多于探测光纤束的数目。

所述的浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置，所述光源光纤束和探测光纤束在Y型探头光纤束的汇聚端截面上的几何分布为均匀有规则的形状。

所述的浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置，所述探头尖端采用吸光材料制备。

所述的浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置，所述平面镜到Y型探头光纤束汇聚端的距离在0～10cm之间。

所述的浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置，所述平面镜到Y型探头光纤束汇聚端的距离为5cm。

所述的一种浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置的检测方法，包括以下顺序的步骤：

a、将Y型探头光纤束固定，并将探头尖端浸入待测液中，使待测液通过壁孔流入探头尖端内部；

b、控制器通过驱动电路点亮激光器，并对激光器进行恒定光强控制；

c、稳定后的激光器发出的激光信号通过光源光纤束进入探头尖端，经透镜聚焦后，照射到探头尖端内部的待测液上，然后经过平面镜的反射，再次照射到探头尖端内部的待测液上，实现激光信号在探头尖端内部待测液上的来回传输；

d、从探头尖端内部待测液出射的激光信号经透镜聚焦后通过探测光纤束传输到单光子探测器；

e、单光子探测器将接收到的激光信号转换成光子脉冲信号，并发送给信号处理器，信号处理器对光子脉冲信号进行计数，并将得到的光子脉冲数存入存储器；

f、控制器调用存储器内的光子脉冲数以及预存的光子脉冲数与浊度之间的标定关系反演出待测液的浊度，存入存储器并在显示器上显示。

所述的浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置的检测方法，步骤f中，所述光子脉冲数与浊度之间的标定关系，通过以下步骤获得：

f1、选取一组同梯度不同浊度的福尔马荆标准液作为检测对象；

f2、将清洁过的探头尖端先后浸入各个检测对象中，控制器通过驱动电路关闭激光器，在无光源的情况下，单光子探测器仅接收到外界干扰信号，经信号处理器处理后，换算得到各个检测对象对应的基底光子脉冲数；

f3、将清洁过的探头尖端浸入某个检测对象中，控制器通过驱动电路启动激光器，在有光源的情况下，信号处理器对单光子探测器探测到的激光信号进行处理，换算得到此时该检测对象对应的总光子脉冲数，去除其对应的基底光子脉冲数，得到该检测对象对应的光子脉冲数；

f4、重复步骤f3，得到各个检测对象即一组同梯度不同浊度的福尔马荆标准液对应的光子脉冲数；

f5、以光子脉冲数为纵坐标，以标准液浊度值为横坐标，画出福尔马荆标准液浊度变化对应光子脉冲数变化的关系曲线，并对画出的关系曲线进行指数拟合，获得光子脉冲数与浊度之间的标定关系。

本发明的有益效果为：

（1）本发明检测时只需要将探头尖端浸入待测液，无需其他辅助设备对待测液进行采集，使得结构简单，易于小型化和低成本，采用浸入检测方式，避免了样品池的壁厚对散射区域的大小和相对位置的影响，提高了检测的准确度；

（2）本发明采用收发一体的结构形式易于一体集成和小型化、低成本，便于在狭小空间内的检测，收发一体全光纤探头为全光纤结构，避免了外界环境的干扰，提高了系统的信噪比；

（3）本发明通过对光源光纤束和探测光纤束的数目和在汇聚端截面上的几何分布进行选择，扩大了测量范围，可以灵活地使用在各种特定情况下，同时并不增加制作工艺难度以及装置的体积和成本；

（4）本发明的收发一体全光纤探头的制作材料可以采用耐高温的光纤，适用于高温浊度检测条件下，因此可以应用在固定高温油田的检测场合，同时微型化的结构也可以应用到移动水源浊度检测方面。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的探头尖端的立体视图；

图3是本发明的Y型探头光纤束汇聚端的截面图；

图4是本发明的光源光纤束的分布截面图；

图5是本发明的探测光纤束的分布截面图；

图6是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1～图5所示，一种浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置，包括收发一体全光纤探头1和信号控制处理模块2，其中，收发一体全光纤探头1包括Y型探头光纤束11和探头尖端12，信号控制处理模块2包括控制器21、驱动电路22、激光器23、单光子探测器24、信号处理器25、存储器26和显示器27。

Y型探头光纤束11由若干光源光纤束111和若干探测光纤束112通过光纤耦合器113汇聚构成，Y型探头光纤束11的汇聚端与探头尖端12嵌套连接，探头尖端12为周向开设有若干壁孔121的中空圆柱结构，采用吸光材料制备而成，其内部位于Y型探头光纤束11汇聚端的后端依次设有透镜122和平面镜123。

控制器21的输出端通过驱动电路22与激光器23的输入端连接，激光器23的输出端通过光纤跳线与光源光纤束111连接，探测光纤束112通过光纤跳线与单光子探测器24的输入端连接，单光子探测器24的输出端通过信号处理器25与存储器26的输入端连接，存储器26与控制器21交互式连接，控制器21的输出端与信号处理器25的输入端、显示器27的输入端连接。

放置在探头尖端12下底部的平面镜123到Y型探头光纤束11汇聚端的距离在0～10cm之间，即放置在探头尖端12上底部的透镜122的焦距应在0～10cm之间。作为优选，平面镜123到Y型探头光纤束11汇聚端的距离为5cm。

如图6所示，一种浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置的检测方法，包括以下顺序的步骤：

a、利用架子将Y型探头光纤束11固定，并将探头尖端12浸入待测液中，使待测液通过壁孔121流入探头尖端12内部。

Y型探头光纤束11可以采用不同的浸入测量方式，探头尖端12浸入待测液的角度可以根据实际情况做出选择。

b、控制器21通过驱动电路22点亮激光器23，并对激光器23进行恒定光强控制。

c、待激光器23稳定后，发出的激光信号通过光纤跳线传入光源光纤束111进而进入探头尖端12，经透镜122聚焦后，入射到待测液和平面镜123上。

d、探测光纤束112接收透射回来的激光信号，在耦合器113的耦合下，完成收发一体全光纤探头1的收发一体的功能。透射回来的激光信号经过探测光纤束112传输到单光子探测器24。

e、单光子探测器24将接收到的激光信号转换成光子脉冲信号，利用信号处理器25对光子脉冲信号进行计数，将得到的光子脉冲数存入存储器26，用光子脉冲数来表示透射光强。

f、控制器21调用存储器26内的光子脉冲数以及预存的光子脉冲数与浊度之间的标定关系反演出待测液的浊度，存入存储器26并在显示器27上显示，最终实现浊度的检测。

光子脉冲数与浊度之间的标定关系，通过以下步骤获得：

f1、将清洁过的探头尖端12先后浸入一组同梯度不同浊度的福尔马荆标准液中。

f2、首先控制器21通过驱动电路22关闭激光器23，在无光源的情况下，收发一体全光纤探头1无激光信号传输到信号控制处理模块2。由于收发一体全光纤探头1为全光纤结构，单光子探测器24只接收到极少的外界干扰信号。干扰信号经过信号处理器25处理后换算得到对应各浊度标准液下的基底光子脉冲数。

f3、然后由控制器21通过驱动电路22启动激光器23，在有光源的情况下，激光信号通过光源光纤束111入射到探头尖端12内的待测液中，通过探测光纤束112接收透射回来的激光信号。信号处理器（25）对单光子探测器（24）探测到的激光信号进行处理，换算得到此时总的光子脉冲数，去除对应的基底光子脉冲数，得到对应的光子脉冲数。

f4、重复步骤f3，分别对一组同梯度不同浊度的福尔马荆标准液进行检测。

f5、最后以检测的光子脉冲数为纵坐标，同时以标准液浊度值为横坐标，画出福尔马荆标准液浊度变化对应光子脉冲数变化的关系曲线，并对画出的关系曲线进行指数拟合，获得光子脉冲数与浊度之间的标定关系。

本发明的工作原理：

控制器21对整个装置进行控制的同时，对激光器23进行恒定光强控制，以避免光强变化对实验结果造成影响。

控制器21控制驱动电路22激发激光器23发出激光信号，经光源光纤束111传输到Y型探头光纤束11的汇聚端，经放置在探头尖端12上底部的透镜122聚焦后入射到从壁孔121流进探头尖端12内部的待测液上，再经过放置在探头尖端12下底部的平面镜123的反射，再次入射到待测液上，完成在探头尖端12内部待测液内的来回传输，增加检测光程。最后激光信号出射到Y型探头光纤束11的汇聚端，经探测光纤束112传输到单光子探测器24，激光信号被转换成光子脉冲信号。光子脉冲信号经过信号处理器25的处理，得到光子脉冲数存入存储器26备用。控制器21调用存储器26内预存的光子脉冲数与浊度之间的标定关系反演出待测液的浊度，存储在存储器26内并在显示器27上显示，最终实现收发一体的浊度检测功能。

Y型探头光纤束11采用灵活的光纤束配置的分叉结构，分为光源光纤束111和探测光纤束112。激光信号由光源光纤束111导入，经待测液及探头尖端12下底部的平面镜123反射回来的激光信号，由探测光纤束112接收并传输到信号控制处理模块2。光源光纤束111传输激光器23发出的激光信号，探测激光束112探测透射回来的激光信号，实现全光纤结构收发一体的效果。基于两种光纤束的数目分配和在汇聚端截面上的几何分布（均匀有规则），可以设计成多种形式的光纤束组合。

上述多种组合可以灵活地适用在下面一些特定的情况下：

当检测装置探测较低浊度的待测液时，通过减少光源光纤束111的数目来减小入射光强，通过增加探测光纤束112的数目来增加汇聚端截面积，更好地探测透射回来的激光信号，此时光源光纤束111的数目要比探测光纤束112的数目要少。

当检测装置探测较高浊度的待测液时，通过增加光源光纤束111的数目来提高入射光强，通过减少探测光纤束112的数目来降低汇聚端截面积，更有效避开强烈入射光同时探测有用透射回来的激光信号，此时光源光纤束111的数目要比探测光纤束112的数目要多。

当检测装置探测特定孔径内的待测液时，通过改变光源光纤束111和探测光纤束112的数目来形成孔径样式的汇聚端截面，同时兼顾上面两种情况，最终确定两种光纤束的数目和在汇聚端截面上的几何分布。

本发明的收发一体全光纤探头1采用Y型探头光纤束11、探头尖端12以及光纤跳线的全光纤结构，实现零度透射光的收发一体的检测功能。结合单光子探测技术和零度后向透射光信号探测原理，待测液浊度与透射光强之间的关系符合朗伯比尔投射定律的指数关系，实现复杂环境下液体浊度的浸入式检测。本发明利用收发一体全光纤探头1代替传统的环形器作为零度后向透射光的接收端，实现小型化全光纤结构探测。利用光纤的柔韧性、抗干扰性和可延长性，整个检测装置具有灵敏度高、抗干扰能力强的优点，易于实现远距离、狭窄工作环境空间的检测，为移动便携式小型化的水质检测设备提供了技术保障。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置，其特征在于：该装置包括收发一体全光纤探头（1）和信号控制处理模块（2），所述收发一体全光纤探头（1）包括Y型探头光纤束（11）和探头尖端（12），所述信号控制处理模块（2）包括控制器（21）、驱动电路（22）、激光器（23）、单光子探测器（24）、信号处理器（25）、存储器（26）和显示器（27）；

所述Y型探头光纤束（11）由若干光源光纤束（111）和若干探测光纤束（112）通过光纤耦合器（113）汇聚构成，所述Y型探头光纤束（11）的汇聚端与探头尖端（12）嵌套连接，所述探头尖端（12）为周向开设有若干壁孔（121）的中空圆柱结构，其内部位于Y型探头光纤束（11）汇聚端的后端依次设有透镜（122）和平面镜（123）；

所述控制器（21）的输出端通过驱动电路（22）与激光器（23）的输入端连接，所述激光器（23）的输出端通过光纤跳线与光源光纤束（111）连接，所述探测光纤束（112）通过光纤跳线与单光子探测器（24）的输入端连接，所述单光子探测器（24）的输出端通过信号处理器（25）与存储器（26）的输入端连接，所述存储器（26）与控制器（21）交互式连接，所述控制器（21）的输出端与信号处理器（25）的输入端、显示器（27）的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置，其特征在于：当该装置用于检测浊度低于一定阈值的待测液时，所述光源光纤束（111）的数目少于探测光纤束（112）的数目；当该装置用于检测浊度高于一定阈值的待测液时，所述光源光纤束（111）的数目多于探测光纤束（112）的数目。

3.根据权利要求1所述的浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置，其特征在于：所述光源光纤束（111）和探测光纤束（112）在Y型探头光纤束（11）的汇聚端截面上的几何分布为均匀有规则的形状。

4.根据权利要求1所述的浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置，其特征在于：所述探头尖端（12）采用吸光材料制备。

5.根据权利要求1所述的浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置，其特征在于：所述平面镜（123）到Y型探头光纤束（11）汇聚端的距离在0～10cm之间。

6.根据权利要求5所述的浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置，其特征在于：所述平面镜（123）到Y型探头光纤束（11）汇聚端的距离为5cm。

7.根据权利要求1所述的一种浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下顺序的步骤：

a、将Y型探头光纤束（11）固定，并将探头尖端（12）浸入待测液中，使待测液通过壁孔（121）流入探头尖端（12）内部；

b、控制器（21）通过驱动电路（22）点亮激光器（23），并对激光器（23）进行恒定光强控制；

c、稳定后的激光器（23）发出的激光信号通过光源光纤束（111）进入探头尖端（12），经透镜（122）聚焦后，照射到探头尖端（12）内部的待测液上，然后经过平面镜（123）的反射，再次照射到探头尖端（12）内部的待测液上，实现激光信号在探头尖端（12）内部待测液上的来回传输；

d、从探头尖端（12）内部待测液出射的激光信号经透镜（122）聚焦后通过探测光纤束（112）传输到单光子探测器（24）；

e、单光子探测器（24）将接收到的激光信号转换成光子脉冲信号，并发送给信号处理器（25），信号处理器（25）对光子脉冲信号进行计数，并将得到的光子脉冲数存入存储器（26）；

f、控制器（21）调用存储器（26）内的光子脉冲数以及预存的光子脉冲数与浊度之间的标定关系反演出待测液的浊度，存入存储器（26）并在显示器（27）上显示。

8.根据权利要求7所述的浸入式收发一体全光纤结构液体浊度检测装置的检测方法，其特征在于，步骤f中，所述光子脉冲数与浊度之间的标定关系，通过以下步骤获得：

f1、选取一组同梯度不同浊度的福尔马荆标准液作为检测对象；

f2、将清洁过的探头尖端（12）先后浸入各个检测对象中，控制器（21）通过驱动电路（22）关闭激光器（23），在无光源的情况下，单光子探测器（24）仅接收到外界干扰信号，经信号处理器（25）处理后，换算得到各个检测对象对应的基底光子脉冲数；

f3、将清洁过的探头尖端（12）浸入某个检测对象中，控制器（21）通过驱动电路（22）启动激光器（23），在有光源的情况下，信号处理器（25）对单光子探测器（24）探测到的激光信号进行处理，换算得到此时该检测对象对应的总光子脉冲数，去除其对应的基底光子脉冲数，得到该检测对象对应的光子脉冲数；

f4、重复步骤f3，得到各个检测对象即一组同梯度不同浊度的福尔马荆标准液对应的光子脉冲数；

f5、以光子脉冲数为纵坐标，以标准液浊度值为横坐标，画出福尔马荆标准液浊度变化对应光子脉冲数变化的关系曲线，并对画出的关系曲线进行指数拟合，获得光子脉冲数与浊度之间的标定关系。

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