CN113970525A

CN113970525A - 一种全光纤型深海多参数原位检测装置及方法

Info

Publication number: CN113970525A
Application number: CN202111247441.8A
Authority: CN
Inventors: 李劲松
Original assignee: Anhui University
Current assignee: Anhui University
Priority date: 2021-10-26
Filing date: 2021-10-26
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2041-10-26
Also published as: CN113970525B

Abstract

本发明公开了一种全光纤型深海多参数原位检测装置及方法，其特征在于，包括光纤输出型LED光源、多通道LED光源驱动模块、光纤分束器和合束器、水密光纤接插件、液体样品池、水密电接插件、微型光谱仪、钛合金密封舱、潜水器和计算机控制单元。本发明以小型化光纤输出型发光二极管(LED)作为激发光源,结合光纤传感技术和时分复用探测技术，采用全光纤传输方式设计理念，使得传感器系统光路设计更具有柔韧性，以单个微型光谱仪作为光电信号探测器即可实现多个海洋参数同步测量，从而使得测量系统具有重量轻、体积小、功耗和成本低等显著优势；信号处理算法中采用全光谱多维线性拟合处理算法，可有效提高测量结果的测量精度和准确度。

Description

一种全光纤型深海多参数原位检测装置及方法

技术领域

本发明涉及海洋传感器和光纤传感技术领域,具体为一种全光纤型深海多参数原位检测装置及方法。

背景技术

海洋是蕴育地球生命的摇篮，蕴藏着丰富的生物资源和矿物资源，包括多金属结核、富钴结壳、海底热液喷口等，具有潜在的巨大经济价值，由于其特殊的地理环境因素，一直是迄今人类探索与研究欠缺的区域，从而成为21世纪人类可持续发展的新领地。例如，溶解态铁、锰是海洋中重要的生物营养元素，硫化物则是深海热液喷口微生物化学合成的主要能量来源之一。因此，测定深海热液生态区铁、锰、硫化物等组分浓度，对于探寻极端环境系统的演变和生命的起源，评估热液活动的环境影响，具有重要的科学意义。

传统深海溶解态离子化合物的测量方法，仍以基于调查船的取样-实验室分析法为主。该方法对船时有极强的依赖性，获取数据所需时间长、数据量低，难以实现小空间尺度的高密度采样和长时间序列观测；样品需要经过“采集、转移、运输、分析”等过程，样品易污染，分析结果易受环境因素变化(如温度和压力等)的影响而发生化学形态和含量的改变。深海原位传感技术中，常用的电化学传感器虽然具有成本低，然而热液喷口的高温和强腐蚀环境引起化学电极的漂移特性严重影响了其原位测量结果的可靠性。由于深海特殊的地理环境限制，深海潜水器已成为探索海洋的重要工具。为提高深海潜水器的作业效率，其对搭载海洋传感器的重量、体积、功耗和通讯方式等方面具有严格的要求。目前，国内外相关报道的海洋传感器普遍以一种或两种物质为检测对象，因而在潜水器作业性价比方面存在一定的局限性。为此，开展小型化、低功耗、轻便型海洋多参数传感器研发具有重要的科学意义和经济价值。

发明内容

针对当今海洋探索需求和现有海洋传感器存在的不足之处，本发明提出一种全光纤型深海多参数原位检测装置及方法。

本发明采用的技术方案是：

一种全光纤型深海多参数原位检测装置，其特征在于，包括：钛合金密封舱、潜水器和计算机控制单元以及封装在钛合金密封舱内的多通道LED光源驱动模块、三个中心波长不同的光纤输出型LED光源、1×2光纤分束器、两个4×4水密光纤接插件、四个液体样品池、4×1光纤合束器(6)、微型光谱仪(7)、两个水密电接插件；所述多通道LED光源驱动模块与三个中心波长不同的光纤输出型LED光源相连接，其发出的时序脉冲电流信号同步驱动三个中心波长不同的LED光源在不同时刻发光，LED光源发光时间间隔可通过程序设置和修改；其中一个LED光源和1×2光纤分束器相连接，1×2光纤分束器将所述LED光源发出的光分成两束后再输入到其中一个4×4水密光纤接插件，另外两个LED光源直接连接到4×4水密光纤接插件；水密光纤接插件将四路LED光束分别输出耦合到四个液体样品池，四个液体样品池皆集成了光纤耦合输入和输出端口，四路LED光束在四个液体样品池内与吸收液体介质发生相互吸收过程，最后通过输出端口输出；所述四个液体样品池分别将光束直接输出耦合到另一个4×4水密光纤接插件；所述4×4水密光纤接插件与4×1光纤合束器相连接；所述4×1光纤合束器将四路LED光束合束后变成一束光，直接耦合到微型光谱仪；所述微型光谱仪依次和两个水密电接插件相连接。

所述钛合金密封舱分为两个舱：耐高压密封舱和压力自平衡舱，两个舱之间通过两个4×4水密光纤接插件和一个水密电接插件相连接，所述多通道LED光源驱动模块、三个中心波长不同的光纤输出型LED光源、1×2光纤分束器、4×1光纤合束器、微型光谱仪封装在耐高压密封舱内，所述液体样品池封装在压力自平衡舱内，且压力自平衡舱通过另一个水密电接插件与外围潜水器相连接。

所述潜水器外部接口是具有直流供电和信号通讯功能的多芯接口，其中供电芯用于传感器整体供电，通讯芯将信号通过其内部接口输出到便携式计算机控制单元。

以铁离子、锰离子和硫离子为例，三个LED光源中心波长分别为594nm、560nm和670nm。1×2光纤分束器将中心波长为594nm的光分成两束后再输入到4×4水密光纤接插件，中心波长为560nm和670nm的两个LED光源直接连接到4×4水密光纤接插件。

所述四个液体样品池分别用于检测二价铁离子、三价铁离子、锰离子和硫离子。

计算机控制单元为便携式笔记本电脑或工控机，安装有实时通讯的上位机操作软件，上位机操作软件采用USB转串口RS485通讯协议与多通道LED光源驱动模块和微型光谱仪进行实时通讯，实现时序脉冲信号的控制、LED光谱信号的采集和分析处理及存储功能；依据实际应用需求，可通过上位机通讯软件将传感器系统设定为在线模式和离线模式；在线模式可通过上位机软件界面实时监测传感器工作状态和数据初步分析结果；离线模式为无人值守状态，在供电状态下即可自动将原始光谱数据按预先设定好的参数记录存储到下位机存储模块。

一种全光纤型深海多参数原位检测方法，其特征在于：首先通过液体蠕动泵将已知浓度的参考液体样品泵入液体样品池用于产生参考光谱信号，再通过多通道电磁阀切换进样通道，注入待测海水用于产生待测信号光谱，光谱信号处理过程中，采用全光谱多维线性拟合算法进行样品浓度分析，即以已知参考样品的吸收光谱为横坐标，待测海水样品的光谱信号作为纵坐标，结合最小二乘法，对其进行线性拟合分析，分析过程中获得的斜率乘以参考样品的浓度即为待测海水样品中的吸收介质浓度；四种样品的光谱信号分析过程和方法相同。

本发明的优点是：

本发明以小型化光纤输出型发光二极管(LED)作为激发光源,结合光纤传感技术和时分复用探测技术，采用全光纤传输方式设计理念，使得传感器系统光路设计更具有柔韧性，以单个微型光谱仪作为光电信号探测器即可实现多个海洋参数同步测量，从而使得测量系统具有重量轻、体积小、功耗和成本低等显著优势；信号处理算法中采用全光谱多维线性拟合处理算法，可有效提高测量结果的测量精度和准确度。

本发明实施例虽然以二价铁离子(Fe2+)、三价铁离子(Fe3+)、锰离子(Mn2+)和硫离子(HS-)四种样品的测量方法为例，通过选择其他吸收介质匹配的LED光源，即可推广到其他海洋溶解态物质的原位测量应用中。

附图说明

图1为本发明一种全光纤型深海多参数原位检测装置及方法实施例的结构示意图。

图2为LED时序脉冲驱动信号示意图。

图3为传统峰值单点比值法示意图。

图4为本发明采用的全光谱多维线性拟合法示意图。

图中标号：多通道LED光源驱动模块1、光纤输出型LED光源2-1、光纤输出型LED光源2-2、光纤输出型LED光源2-3、1×2光纤分束器3、4×4水密光纤接插件4-1、4×4水密光纤接插件4-2、液体样品池5-1、液体样品池5-2、液体样品池5-3、液体样品池5-4、4×1光纤合束器6、微型光谱仪7、水密电接插件8-1、水密电接插件8-2、钛合金密封舱9、耐高压密封舱9-1、压力自平衡舱9-2、潜水器10、计算机控制单元11。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1。以基于载人潜水器的深海溶解态(铁、锰和硫)原位测量为例：

如图1所示，一种全光纤型深海多参数原位检测装置，其特征在于，包括：钛合金密封舱9、潜水器10和计算机控制单元11以及封装在圆柱形的钛合金密封舱9内的多通道LED光源驱动模块1、三个中心波长不同的光纤输出型LED光源2-1，2-2，2-3、1×2光纤分束器3、4×4水密光纤接插件4-1，4-2、液体样品池5-1，5-2，5-3，5-4、4×1光纤合束器6、微型光谱仪7、水密电接插件8-1，8-2。

多通道LED光源驱动模块1与三个中心波长不同的光纤输出型LED光源2-1，2-2，2-3相连接，其发出的时序脉冲电流信号如图2所示同步驱动三个中心波长不同的LED光源在不同时刻发光，LED光源发光时间间隔可通过程序设置和修改；

LED光源2-1，2-2，2-3中心波长分别为594nm、560nm和670nm，其中LED光源2-1和1×2光纤分束器3相连接，1×2光纤分束器3将中心波长为594nm的光分成两束后再输入到4×4水密光纤接插件4-1，中心波长为560nm和670nm的两个LED光源2-2，2-3直接连接到4×4水密光纤接插件4-1；

水密光纤接插件4-1将四路LED光束分别输出耦合到四个液体样品池5-1，5-2，5-3，5-4，分别用于二价铁离子(Fe²⁺⁾、三价铁离子(Fe³⁺⁾、锰离子(Mn²⁺)和硫离子(HS^-)，四个液体样品池皆集成了光纤耦合输入和输出端口，四路LED光束在四个液体样品池内与吸收液体介质海水或标准溶液样品发生相互吸收过程，最后通过输出端口输出；

四个液体样品池5-1，5-2，5-3，5-4分别将光束直接输出耦合到4×4水密光纤接插件4-2；

4×4水密光纤接插件4-2与4×1光纤合束器6相连接；

4×1光纤合束器6将四路LED光束合束后变成一束光，直接耦合到微型光谱仪7；

微型光谱仪7依次和水密电接插件8-1和8-2相连接；

钛合金密封舱9分为两个舱：耐高压密封舱9-1和压力自平衡舱9-2，两个舱之间通过4×4水密光纤接插件4-1，4-2和水密电接插件8-1相连接，多通道LED光源驱动模块1、三个中心波长不同的光纤输出型LED光源2-1，2-2，2-3、1×2光纤分束器3、4×1光纤合束器6、微型光谱仪7封装在耐高压密封舱9-1内，液体样品池5-1，5-2，5-3，5-4封装在压力自平衡舱9-2内，且压力自平衡舱9-2通过水密电接插件8-2与外围潜水器10等设备相连接；潜水器10为载人潜水器。

潜水器10外部接口是具有直流供电和信号通讯功能的多芯接口，其中供电芯用于传感器整体供电，通讯芯将信号通过其内部接口输出到便携式计算机控制单元11；

计算机控制单元11为便携式笔记本电脑或工控机，安装有实时通讯的上位机操作软件，上位机操作软件采用USB转串口RS485通讯协议与多通道LED光源驱动模块1和微型光谱仪7进行实时通讯，实现时序脉冲信号的控制、LED光谱信号的采集和分析处理及存储等功能。依据实际应用需求，可通过上位机通讯软件将传感器系统设定为在线模式和离线模式。在线模式可通过上位机软件界面实时监测传感器工作状态和数据初步分析结果；离线模式为无人值守状态，在供电状态下即可自动将原始光谱数据按预先设定好的参数记录存储到下位机存储模块。

一种全光纤型深海多参数原位检测方法，首先通过液体蠕动泵将已知浓度的参考液体样品泵入液体样品池用于产生参考光谱信号，再通过多通道电磁阀切换进样通道，注入待测海水用于产生待测信号光谱，光谱信号处理过程中，未解决传统单点峰值比值法(如图3)易受噪声干扰和系统稳定性的影响，本发明采用采用全光谱多维线性拟合算法(如图4)进行样品浓度分析，即以已知参考样品的吸收光谱为横坐标，待测海水样品的光谱信号作为纵坐标，结合最小二乘法，对其进行线性拟合分析，分析过程中获得的斜率乘以参考样品的浓度即为待测海水样品中的吸收介质浓度；二价铁离子(Fe2+)、三价铁离子(Fe3+)、锰离子(Mn2+)和硫离子(HS-)四种样品的光谱信号分析过程和方法相同。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种全光纤型深海多参数原位检测装置，其特征在于，包括：钛合金密封舱(9)、潜水器(10)和计算机控制单元(11)以及封装在钛合金密封舱(9)内的多通道LED光源驱动模块(1)、三个中心波长不同的光纤输出型LED光源(2-1，2-2，2-3)、1×2光纤分束器(3)、4×4水密光纤接插件(4-1，4-2)、液体样品池(5-1，5-2，5-3，5-4)、4×1光纤合束器(6)、微型光谱仪(7)、水密电接插件(8-1，8-2)；

所述多通道LED光源驱动模块(1)与三个中心波长不同的光纤输出型LED光源(2-1，2-2，2-3)相连接，其发出的时序脉冲电流信号同步驱动三个中心波长不同的LED光源在不同时刻发光，LED光源发光时间间隔可通过程序设置和修改；

所述LED光源(2-1)和1×2光纤分束器(3)相连接，1×2光纤分束器(3)将所述LED光源(2-1)发出的光分成两束后再输入到4×4水密光纤接插件(4-1)，另外两个LED光源(2-2，2-3)直接连接到4×4水密光纤接插件(4-1)；

所述水密光纤接插件(4-1)将四路LED光束分别输出耦合到四个液体样品池(5-1，5-2，5-3，5-4)，四个液体样品池皆集成了光纤耦合输入和输出端口，四路LED光束在四个液体样品池内与吸收液体介质发生相互吸收过程，最后通过输出端口输出；

所述四个液体样品池(5-1，5-2，5-3，5-4)分别将光束直接输出耦合到4×4水密光纤接插件(4-2)；所述4×4水密光纤接插件(4-2)与4×1光纤合束器(6)相连接；所述4×1光纤合束器(6)将四路LED光束合束后变成一束光，直接耦合到微型光谱仪(7)；所述微型光谱仪(7)依次和水密电接插件(8-1和8-2)相连接；

所述钛合金密封舱(9)通过水密电接插件(8-2)与外围潜水器(10)相连接；所述潜水器(10)外部接口是具有直流供电和信号通讯功能的多芯接口，其中供电芯用于传感器整体供电，通讯芯将信号通过其内部接口输出到便携式计算机控制单元(11)。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤型深海多参数原位检测装置，其特征在于，所述LED光源(2-1，2-2，2-3)中心波长分别为594nm、560nm和670nm。

3.根据权利要求2所述的一种全光纤型深海多参数原位检测装置，其特征在于，所述四个液体样品池(5-1，5-2，5-3，5-4)，分别用于检测二价铁离子、三价铁离子、锰离子和硫离子。

4.根据权利要求3所述的一种全光纤型深海多参数原位检测装置，其特征在于，所述钛合金密封舱(9)分为两个舱：耐高压密封舱(9-1)和压力自平衡舱(9-2)，两个舱之间通过4×4水密光纤接插件(4-1，4-2)和水密电接插件(8-1)相连接，所述多通道LED光源驱动模块(1)、三个中心波长不同的光纤输出型LED光源(2-1，2-2，2-3)、1×2光纤分束器(3)、4×1光纤合束器(6)、微型光谱仪(7)封装在耐高压密封舱(9-1)内，所述液体样品池(5-1，5-2，5-3，5-4)封装在压力自平衡舱(9-2)内，且压力自平衡舱(9-2)通过水密电接插件(8-2)与外围潜水器(10)相连接。

5.根据权利要求4所述的一种全光纤型深海多参数原位检测装置，其特征在于，所述计算机控制单元(11)为便携式笔记本电脑或工控机，安装有实时通讯的上位机操作软件，上位机操作软件采用USB转串口RS485通讯协议与多通道LED光源驱动模块(1)和微型光谱仪(7)进行实时通讯，实现时序脉冲信号的控制、LED光谱信号的采集和分析处理及存储功能；依据实际应用需求，可通过上位机通讯软件将传感器系统设定为在线模式和离线模式；在线模式可通过上位机软件界面实时监测传感器工作状态和数据初步分析结果；离线模式为无人值守状态，在供电状态下即可自动将原始光谱数据按预先设定好的参数记录存储到下位机存储模块。

6.一种全光纤型深海多参数原位检测方法，适用于权利要求1-5任一所述的一种全光纤型深海多参数原位检测装置，其特征在于：首先通过液体蠕动泵将已知浓度的参考液体样品泵入液体样品池用于产生参考光谱信号，再通过多通道电磁阀切换进样通道，注入待测海水用于产生待测信号光谱，光谱信号处理过程中，采用全光谱多维线性拟合算法进行样品浓度分析，即以已知参考样品的吸收光谱为横坐标，待测海水样品的光谱信号作为纵坐标，结合最小二乘法，对其进行线性拟合分析，分析过程中获得的斜率乘以参考样品的浓度即为待测海水样品中的吸收介质浓度；四种样品的光谱信号分析过程和方法相同。