CN110806397A - 基于多纵模自混合效应的液体浓度传感测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本分案申请涉及光学测量技术领域，具体为一种基于多纵模自混合效应的液体浓度传感测量装置及方法，测量装置包括多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元，测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光经传感单元后入射到振动目标上，再反馈回多纵模激光器谐振腔内形成自混合信号，上述过程中传感单元发生改变引起自混合信号波形改变，通过调节滑动装置使振动目标发生微移，形成在不同激光器外腔长度下的自混合信号，利用光电探测器采集不同外腔长度下的自混合信号，再利用信号预处理单元和信号处理单元进行处理，即可得出传感单元的变化，本案测量成本低、光路简单、测量精度高。

Description

基于多纵模自混合效应的液体浓度传感测量装置及方法

本申请为申请号201810327444.4、申请日2018年4月12日、发明名称 “基于多纵模自混合效应的传感测量装置及方法”的分案申请。

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种基于多纵模自混合效应的液体 浓度传感测量装置及方法。

背景技术

利用光学进行精密测量，一直是计量测量技术领域中的主要方法，目前，光 学测量方法因其非接触测量、测量灵敏度高、测量精度高等优点已被成熟应用于 温度测量、电压测量、磁场测量、应变测量、液体浓度测量等测量场合。

在液体浓度测量技术领域中，相对传统的化学测量方法，物理测量方法具有 在测量过程中不易改变液体本身性质的优点，现有的物理测量方法主要包括比重 法，光学测量法等。其中，比重法存在测量分辨率低的缺点，而光学测量法因其 具有非接触的优势，近年来逐渐受到重视。目前运用光学手段检测液体浓度(或 者折射率)的方法主要有掠入射法、等离子共振法、吸收光谱法、法布里-帕罗 腔干涉法、马赫-曾德尔干涉法等。掠入射法是根据折射率定律，测定待测物质 浓度(或者折射率)，虽简单易行，但受参考物质的限定，测量精度较低。等离 子共振法、吸收光谱法分别利用表面等离子体与待测液体共振吸收峰和待测液体 对激光的吸收光谱进行液体浓度(或者折射率)测量，但必须根据光谱吸收峰寻 找相应波长激光光源，部分波长激光造价昂贵且制作困难，不适合工业传感应用。 而基于光学干涉效应测量溶液浓度的法布里-帕罗腔干涉法则受法布里-帕罗标 准具的限制，测量灵敏度和测量范围受限，而马赫-曾德尔干涉法则是非本征结 构传感器，传感臂和参考臂为不同光路，存在易受环境扰动，测量误差较大的缺 点。

发明内容

针对现有技术中利用光学传感技术测量液体浓度时存在的问题，本发明提供 基于多纵模自混合效应的传感测量装置，能够实现液体浓度的传感测量。

为实现测量液体浓度的技术目的，本发明的技术方案是：

一种基于多纵模自混合效应的液体浓度传感测量装置，包括多纵模激光器、 传感单元、反射镜组件、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预 处理单元和信号处理单元，

所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；

所述传感单元为液体池，所述液体池内充有待测浓度的液体；

所述多纵模激光器用于出射激光，所述多纵模激光器出射的激光进入液体池 并经多次反射后从液体池内射出，射出的激光经反射镜组件入射到振动目标的振 动面上，入射到振动面上的激光经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器谐 振腔内，形成激光自混合信号；

所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿 出射激光方向发生移动；

所述分光元件为分束器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处 理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理包括整 形、放大、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得液体池液体 的浓度变化。

基于上述测量装置的液体浓度测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光 器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐 振腔内形成激光自混合信号，上述过程中液体池液体浓度发生改变，导致激光自 混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向 发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激 光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下 的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最 后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出液体池液 体的浓度变化，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干 涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加， 根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混 合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模 式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往 返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模 式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算 中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为液体浓度变化引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测浓度时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为 激光器外腔初始光程，δop_s为液体浓度变化引起的传感单元光程变化，δop_c为 补偿光程，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为液体池液体的折射率，L_s为激 光在液体池中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折 射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相 同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内 往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合 信号不产生波形分立，从式(5)可知，当液体池液体浓度改变时，光在传感光 纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数， 叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界 反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波 形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得液体池内由浓 度变化引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，由液体池液体浓度变化引起的传感 单元相位变化与浓度变化量的关系如下式所示：

式(7)中，δc为浓度变化量，

为浓度变化引起的折射率变化系数，L_s0为激 光在液体池中传输的实际路径的总初始几何长度；

利用补偿相位并结合激光在液体池中传输实际路径的总初始几何长度L_s0和 浓度变化引起的折射率变化系数

进行计算，可得液体浓度变化量。

从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节测量灵敏度和分 辨率。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的仿真模拟结果示意图。

具体实施方式

结合图1和图2，详细说明本发明的实施例1，但不对本发明的权利要求做 任何限定。

如图1所示，一种基于多纵模自混合效应的液体浓度传感测量装置，包括多 纵模激光器1、传感单元2、反射镜组件27、振动目标3、滑动装置4、分光元 件5、光电探测器6、信号预处理单元7和信号处理单元8，振动目标3能够发 生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；传感单元包括液体池26，液体 池26内充有待测浓度的液体；多纵模激光器1用于出射激光，多纵模激光器出 射的激光进入液体池26并经多次反射后从液体池26内射出，射出的激光经反射 镜组件27入射到振动目标3的振动面上，入射到振动面上的激光经反射结构反 射后沿原路反馈回多纵模激光器1谐振腔内，形成激光自混合信号；振动目标3 底部固定于滑动装置4上，通过调节滑动装置4能够使振动目标沿出射激光方向 发生移动；分光元件5采用分束器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器6 上；光电探测器6用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单 元7；信号预处理单元7用于对接收到的电信号进行预处理，预处理至少包括整 形、放大、滤波；信号处理单元8用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得 液体池液体的浓度变化。

上述装置中：

1.滑动装置4包括滑轨41及设于滑轨41上的滑块42，振动目标3底部固 定于滑块42上；滑轨41与出射激光处于同一方向上；

2.反射结构可以为反射平面镜，也可以为反射膜等具有散射特性或者反射特 性材料；

3.振动目标3可以采用由信号发生器31驱动的扬声器32或者压电陶瓷，图 1中分别用实线和虚线表示的两个扬声器32，分别代表扬声器随滑动装置滑动时 滑动前和滑动后的位置；

4.信号处理单元8可以为计算机、示波器或者频谱仪。

基于上述测量装置的液体浓度测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光 器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐 振腔内形成激光自混合信号，上述过程中液体池液体浓度发生改变，导致激光自 混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向 发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激 光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下 的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最 后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出液体池液 体的浓度变化，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干 涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加， 根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混 合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模 式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往 返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模 式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算 中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为液体浓度变化引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测浓度时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为 激光器外腔初始光程，δop_s为液体浓度变化引起的传感单元光程变化，δop_c为 补偿光程，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为液体池液体的折射率，L_s激光 在液体池中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折 射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相 同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内 往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合 信号不产生波形分立，从式(5)可知，当液体池液体浓度改变时，光在传感光 纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数， 叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界 反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波 形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得液体池内由浓 度变化引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，由液体池液体浓度变化引起的传感 单元相位变化与浓度变化量的关系如下式所示：

式(7)中，δc为浓度变化量，

为浓度变化引起的折射率变化系数，L_s0为激 光在液体池中传输的实际路径的总初始几何长度；

利用补偿相位并结合激光在液体池中传输实际路径的总初始几何长度L_s0和 浓度变化引起的折射率变化系数

进行计算，可得液体浓度变化量。

基于上述技术方案建立实验装置，实验装置双模LD激光器，采用利用仿真 软件进行模拟仿真，为简单起见，我们这里仅考虑幅度相同的双模LD激光自混 合信号的强度叠加波形，具体的仿真参数如下：op₀＝84000.00mm，δop_c＝0mm， L_s0＝60.00m，n_g＝3.5，L₀＝300um，L_c＝83920.32mm；初始质量浓度c＝0ppm，初始折 射率n_s＝1.328，浓度升高35.0ppm。

仿真模拟如图2所示，从图2可以看出，此时激光器外腔初始光程为 84000.00mm,为n_gL₀的整数倍，m＝80000，此时激光自混合信号波形不发生分立。 当质量浓度增加35.0ppm后，导致传感单元光程发生微小变动，重叠后激光自混 合信号波形发生分立，此时微调补偿外腔长度为0.39mm，激光器外腔光程再次 成为n_gL₀的整数倍，m＝80000，叠加后的激光自混合信号波形分立消失，通过测 量补偿光程，最终获得传感单元浓度变化，实现浓度测量。

由公式(7)可进一步获得浓度传感器外腔变化灵敏度S_mLc和邻级浓度差Δc_m。 S_mLc和Δc_m均是由

决定的。其中，外腔变化灵敏度S_mLc是指单位浓度变化引起 的补偿外腔长度变化，邻级浓度差Δc_m是指浓度c₂(变化后)引起的外腔等相位 点位置(m+1级)与浓度c₁(变化前)外腔等相位点位置(m级)所对应的邻级浓度 差值。一般而言，在浓度测量过程中，如果连续两次测量间隔中的测量浓度差大 于邻级浓度差Δc_m，须记录连续两次测量间隔中自混合信号波形变化周期数即m 值的改变量，通过调节补偿外腔长度，使激光自混合信号波形恢复到第m级对应 的信号波形重合位置。

式(8)和(9)为外腔变化灵敏度S_mLc和邻级浓度差Δc_m表达式：

采用本实施例所述的装置进行浓度测量时，具有以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节浓度测量灵敏度 和分辨率。

为了提高本实施例所述的测量装置性能，对装置可以进行以下改进：

1.在分光元件5与振动目标3之间的光路上增加光衰减器9，通过光衰减器 9，调节光反馈光的强度。

2.多纵模激光器采用半导体激光器，利用半导体激光器的特点，将光电二极 管集成于半导体激光器内实现光电探测器的功能，从而使得整个装置的光路得以 简化，去掉分光元件和光电探测器。

综上所述，本发明具有以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节测量灵敏度和分 辨率。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限 于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以 对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都 在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于多纵模自混合效应的液体浓度传感测量装置，其特征在于：包括多纵模激光器、传感单元、反射镜组件、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元，

所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；

所述传感单元为液体池，所述液体池内充有待测浓度的液体；

所述多纵模激光器用于出射激光，所述多纵模激光器出射的激光进入液体池并经多次反射后从液体池内射出，射出的激光经反射镜组件入射到振动目标的振动面上，入射到振动面上的激光经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合信号；

所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；

所述分光元件为分束器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理包括整形、放大、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得液体池液体的浓度变化。

2.基于权利要求1所述的基于多纵模自混合效应的液体浓度传感测量装置的液体浓度测量方法，其特征在于：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中液体池液体浓度发生改变，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出液体池液体的浓度变化，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为液体浓度变化引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测浓度时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为液体浓度变化引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为液体池中液体的折射率，L_s为激光在液体池中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当液体池液体浓度改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得液体池内由浓度变化引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，由液体池中液体浓度变化引起的传感单元相位变化与浓度变化量的关系如下式所示：

式(7)中，δc为浓度变化量，

为浓度变化引起的折射率变化系数，L_s0为激光在液体池中传输的实际路径的总初始几何长度；

利用补偿相位并结合激光在液体池中传输实际路径的总初始几何长度L_s0和浓度变化引起的折射率变化系数

进行计算，可得液体浓度变化量。

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