CN115266582A - 一种法布里-波罗谐振腔式盐度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，涉及一种法布里‑波罗谐振腔式盐度传感器，其主体结构包括激光器、光束准直器、电子控制器、FP腔、光电探测器、聚焦透镜和控制面板；激光器的输出端与光束准直器对应连接，光束准直器的输出端对应接有聚焦透镜，并通过聚焦透镜与FP腔光道通式连接，FP腔上接有光电探测器，光电探测器通过带有控制面板的电子控制器与激光器电信息连接，形成光电一体化结构的盐度传感器，用于对FP腔中的液体进行盐度测量；其主体结构设计科学合理，物理原理简单可行，实施制作工艺简单，产品成本低，使用操作灵便，应用寿命长，测试性能稳定，盐度灵敏性高，应用环境友好。

Description

一种法布里-波罗谐振腔式盐度传感器

技术领域：

本发明属于传感器技术领域，涉及一种法布里-波罗(FP)谐振腔式盐度传感器，用于原位测量海水或液体盐度参数，将聚焦透镜的FP腔投射出的激光聚焦到光电探测器上，采用光束准直器将激光器的输出光准直成准直光束，用于海水等液体的含盐量测定，实现对盐度测量的高度敏感性。

背景技术：

目前，海洋技术领域的研究和生产活动对传感器有很大的需求量和需求功能，如温度传感器、盐度传感器、深度传感器、pH传感器、溶解氧传感器和浊度传感器等。采用电导率技术方法形成的传感器主要用于海水盐度测量等场合，而且电导率传感器的结构简单，但该方法只能测量海水中导电离子的盐度，无法检测海水中不导电但对盐度有影响的物质。在物理学领域中，折射率是一个重要的物理参数，可以用来表征和理解海水的性质，通过测量液体的折射率可以克服这个问题，因此准确测量海水的折射率非常重要，而且近年来，人们发展了许多折射率测量方法。折射率是表征透明介质光学特性的重要光学参数量，折射率可用于了解透明液体的光学性质、浓度、组成和分散性。因此，准确测量材料的折射率在工程和理论研究中都具有重要理论意义和实用价值。在现有技术中，除了使用经验公式估算折射率以外，还提出了许多折射率测量的技术方案，其中包括光学折射率、光学全反射与光纤光栅、表面等离子体共振、干涉测量、阿贝折射率法和二维光子晶体等，其中，光学方法在抗电磁干扰，较高的灵敏度和较小的感测单元方面表现出优异的性能。

在现有技术中，除了使用经验公式估算折射率，还提出了许多测量折射率的新技术方案，虽然这些新测量折射率的技术方法能够克服现有的某些技术缺点，但很难同时达到大动态范围(0-35g·kg-1)和高分辨率(0.001g·kg-1)的测量要求。因此，对高分辨率、大范围盐度传感器的需求越来越迫切。在传统的V型槽折射率仪涉及的技术方案中，都是基于PSD来测量小偏转角的，然而，由于PSD通过检测斑点的质心的位置来检测位置变化，所以诸如斑点的形状、大小和功率分布的重要信息将丢失。由于CCD图像传感器可以同时检测光点形状和功率分布，所以CCD不仅可以测量折射率，还可以测量透明液体的温度和浊度，基于CCD的系统的平均分辨率几乎是基于PSD的系统的1.5倍，但是检测范围有限。因此，海洋技术领域和应用中需要一种可以同时实现大量程和高精度的盐度传感器。

虽然现有的光学方法具有检测方便、灵敏度高、液体折射率快速测量等优点，但有待于进一步提高检测范围和检测效果，所以，设计一种基于FP谐振腔的盐度传感器具有良好的科学价值和广泛的应用前景。采用该传感器，再结合锁频原理，可以实现原位实时折射率测量，提高了光学测量盐度的测量灵敏度，解决了现有技术中存在的缺点。特别是有必要进一步发明设计一种采用FP谐振腔的高分辨率大动态范围折射计，采用激光频率抖动锁定方法来增加测量范围，采用FP谐振腔来提高测量分辨率，FP谐振腔中溶液折射率的变化会引起FP谐振腔谐振频率的相应变化，这种新型盐度传感器的折射率分辨率约为0.64×10-4g·kg-1，动态范围约为35g·kg-1，该技术方案能同时实现大动态范围和高分辨率，适用于透明液体盐度测量场景，如海洋盐度测量。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求开发制备一种法布里-波罗谐振腔(FP)式盐度传感器，用于对海水或其他液体的盐度进行检测；通过反馈电压的变化可以得到液体折射率的变化量，从而检测液体的盐度变化。

为了实现上述发明目的，本发明涉及的一种法布里-波罗(FP)谐振腔式盐度传感器的，主体结构包括波长为633mn的激光器(简称激光器)、光束准直器、电子控制器、FP腔、光电探测器、聚焦透镜和控制面板；激光器的输出端与光束准直器对应连接，光束准直器的输出端对应接有聚焦透镜，并通过聚焦透镜与FP腔光道通式连接，FP腔上接有光电探测器，光电探测器通过带有控制面板的电子控制器与激光器电信息连接，形成光电一体化结构的盐度传感器本体，用于对FP腔中的液体进行盐度测量；电子控制器为带有控制面板的光电信息自动控制部件，其主体结构由控制芯片、低通滤波器、本振器和乘法器电信息连接构成，能实现光与电信号的转换式探测并控制，其控制过程能够通过控制面板实现操作，达到有效控制的目的；电子控制器用于控制激光器的输出与对接收到的信号进行处理，聚焦透镜通过FP腔投射的激光聚焦到光电探测器上，光束准直器将激光器的输出光准直成准直光束；FP腔中装有液体，液体折射率或盐度的改变，会引起谐振频率发生改变，从而使反馈电压也发生改变；激光器发出的激光通过光束准直器之后进入到光纤，然后再通过隔离器进入FP腔，FP腔反射的激光通过环形器照射到光电探测器上，再通过本振器与光电探测器探测的信号相乘得到误差信号，误差信号经过低通滤波器后再通过PID结构的控制器计算得到控制信号，该控制信号反馈到激光器中，控制激光频率随着FP腔中的液体的折射率或盐度的改变而发生变化，实现盐度传感器的功能。

本发明涉及的FP腔的主体结构包括腔镜和腔体；柱体状內空式结构的FP腔的右端部与筒状结构的腔体对接式固定制有腔镜，腔镜上涂有反射介质，FP腔的腔体的内部中装有被测定用的液体，FP腔的腔镜的反射率为90-97％，FP腔的腔体的材料为微晶玻璃或不易受温度影响而伸缩的材料；FP腔的折射率与激光器的频率关系为：

其中，f为激光器光的频率，Δf为激光器光的变化量，Δn为被测液体的折射率，Δn为被测液体折射率的变化量；激光器的频率锁定到FP腔上，激光器的频率随着FP腔中的被测液体折射率的改变而改变；经过准直处理后的激光入射到FP腔上，经过FP腔的投射后的透射光再经过聚焦透镜聚焦于光电探测器上；FP腔为矩形腔或圆柱型腔结构，腔镜上涂反射率为90％-97％的介质；当FP腔是矩形腔结构时，FP腔的尺寸为长为40mm，宽为20mm，高为20mm；当FP腔为中空的圆柱型腔结构时，中空部分的直径为8mm，形成的腔体上开有通孔使得外界与中空部分能够连通，FP腔的腔镜的直径为12mm，通过反馈电压的变化能够得到液体折射率的变化量，从而检测液体的盐度变化；FP腔的尺寸为长为40mm，圆柱直径为12mm，圆柱中心具有中空部分，中空部分的直径为8mm，腔体为空腔式的圆柱体。

本发明涉及的电子控制器的主体结构包括控制芯片、低通滤波器、本振器和乘法器，各部件组合式电连接制作成为一体式结构并外接控制面板的电子控制器件，或选择具有同等功能的市售产品，用于控制激光器的输出与对接收到的信号进行处理，聚焦透镜把FP腔投射的激光聚焦到光电探测器上，光束准直器将激光器的输出光准直成准直光束；然后光电探测器将检测到的光强信号传递给电子控制器，电子控制器对光强信号进行处理，电子控制器将光强信号锁定到FP腔的透射信号的最大值处，从而实现对激光器的锁定。

本发明涉及的FP腔中含有液体，液体的盐度改变将改变FP腔的折射率，导致激光器的频率发生改变，激光器的频率与激光器的控制电压是线性关系，能够依据激光器的控制电压得到被测液体的盐度值。

本发明与现有技术相比，其主体结构设计科学合理，物理原理简单可行，实施制作工艺简单，产品成本低，使用操作灵便，应用寿命长，测试性能稳定，盐度灵敏性高，应用环境友好。

附图说明：

图1为本发明涉及的FP腔式盐度传感器的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的准直器与FP腔的位置结构原理示意图。

图3为本发明涉及的圆柱形FP腔腔体的截面结构原理示意图。

图4为本发明涉及的圆柱形FP腔的外观结构原理示意图。

图5为本发明涉及的矩形结构FP腔的断面结构原理示意图。

图6为本发明应用时涉及的一种反射光盐度测量系统连接示意图。

具体实施方式：

实施例1：

本实施例涉及一种基于法布里-波罗谐振腔(简称FP腔)的盐度传感器，其主体结构包括波长为633mn的激光器1(简称激光器1)、光束准直器2、电子控制器3、FP腔4、光电探测器5、聚焦透镜8和控制面板9；激光器1的输出端与光束准直器2对应连接，光束准直器2的输出端对应接有聚焦透镜8，并通过聚焦透镜8与FP腔4光道通式连接，FP腔4上接有光电探测器5，光电探测器5通过带有控制面板9的电子控制器3与激光器1电信息连接，形成光电一体化结构的盐度传感器本体，用于对FP腔4中的液体进行盐度测量；电子控制器3为带有控制面板9的光电信息自动控制部件，其主体结构由控制芯片10、低通滤波器11、本振器12和乘法器13电信息连接构成，能实现光与电信号的转换式探测并控制，其控制过程能够通过控制面板9实现操作，达到有效控制的目的。

本实施例涉及的FP腔4的主体结构包括腔镜6和腔体7；柱体状內空式结构的FP腔4的右端部与筒状结构的腔体7对接式固定制有腔镜6，腔镜6上涂有反射介质，FP腔4的腔体7的内部中装有被测定用的液体，随着液体折射率改变或者盐度改变，从而引起谐振频率发生改变，再使反馈电压发生改变；FP腔4的腔镜6的反射率为90-97％，FP腔4的腔体7的材料为微晶玻璃或不易受温度影响而伸缩的材料；FP腔4的折射率与激光器1的频率关系为：

其中，f为激光器光的频率，Δf为激光器光的变化量，Δn为被测液体的折射率，Δn为被测液体折射率的变化量；激光器1的频率锁定到FP腔4上，激光器1的频率随着FP腔4中的被测液体折射率的改变而改变；经过准直处理后的激光入射到FP腔4上，经过FP腔4的投射后的透射光再经过聚焦透镜8聚焦于光电探测器5上；FP腔4是矩形腔或圆柱型腔结构，腔镜6上涂反射率为90％-97％的介质；当FP腔4是矩形腔结构时，FP腔4的尺寸为长为40mm，宽为20mm，高为20mm；当FP腔4为中空的圆柱型腔结构时，中空部分的直径为8mm，形成的腔体7上开有通孔使得外界与中空部分能够连通，FP腔4的腔镜6的直径为12mm，通过反馈电压的变化能够得到液体折射率的变化量，从而检测液体的盐度变化；FP腔4的尺寸为长为40mm，圆柱直径为12mm，圆柱中心具有中空部分，中空部分的直径为8mm，腔体7为具有空腔的圆柱体。

本实施例的工作过程为，激光器1发出的激光通过光束准直2之后进入到光纤20，之后通过隔离器14后进入FP腔4，FP腔4反射的激光通过环形件照射到光电探测器5上，通过本振器12与光电探测器5探测的信号相乘得到误差信号，误差信号经过低通滤波器11后通过PID控制芯片10计算得到控制信号，该控制信号反馈到激光器1中，控制激光频率随着FP腔中的液体的折射率或者盐度的改变而改变。

本实施例涉及的电子控制器3的主体结构包括控制芯片10、低通滤波器11、本振器12和乘法器13，各部件组合式电连接制作成为一体式结构并外接控制面板的电子控制器件，或选择具有同等功能的市售产品，用于控制激光器1的输出与对接收到的信号进行处理，聚焦透镜8把FP腔4投射的激光聚焦到光电探测器5上，光束准直器2将激光器1的输出光准直成准直光束；然后光电探测器5将检测到的光强信号传递给电子控制器3，电子控制器3对光强信号进行处理，电子控制器3将光强信号锁定到FP腔4的透射信号的最大值处，从而实现对激光器1的锁定。

本实施例应用时，当FP腔4中含有液体后，液体的盐度改变将改变FP腔4的折射率，因此液体的盐度变化将导致激光器1的频率发生改变，而激光器1的频率与激光器1的控制电压是线性关系，从而能够从激光器1的控制电压得到液体的盐度大小。

实施例2：

本实施例涉及一个具体应用例，将实施例1涉及的如附图1所示的结构按照附图6的连接结构关系进行实施，其具体的结构还包括隔离器14、主机15、滤波器16、功放器17、加法器18、环形器19和光纤20，各部件组合连接构成反射光盐度测量系统，其实现盐度测量的工作原理是：在FP腔4中装有被测液体，随着液体折射率改变或者盐度改变，会引起谐振频率发生改变，从而反馈电压发生改变；其过程主要为，激光器1发出的激光通过光束准直2之后进入到光纤20，之后通过隔离器14后进入FP腔4，FP腔4反射的激光通过环形件照射到光电探测器5上，再通过本振器12与光电探测器5探测的信号相乘得到误差信号，误差信号经过低通滤波器11后通过PID控制芯片10计算得到控制信号，该控制信号反馈到激光器1中，控制激光频率随着FP腔4中的液体的折射率或者盐度的改变而改变。

本实施例的应用时的工作过程是：结合附图1和附图6，激光器1发出的光通过耦合功能的聚焦透镜8后耦合到光纤20中，然后通过633nm的隔离器14之后再经过633nm的环形器19，通过环形器19的光学出口照射到光纤20中，经过光纤20的传输后通过光束准直器2进行准直处理，准直处理后的光照射到FP腔4中，在FP腔4反射后，通过环形器19将光反射回环形器19的出口，反射光通过该出口后经过光纤20到达聚焦透镜8，通过聚焦透镜8的光聚焦到光电探测器5，光电探测器5将光学信号转换为电学信号，电学信号传导到电子控制器3，电子控制器3为MOKU型号；电子控制器3对电学信号进行处理，通过电学信号得到误差信号，该误差信号通过电子控制器3中的PID结构的控制芯片10计算控制信号，控制信号通过电子控制器3传输到激光器1中，从而对激光器1进行调制，使激光器1的频率锁定到FP腔4中，当FP腔4中的液体折射率发生变化后，FP腔4的谐振频率发生改变，从而使得电子控制器3控制激光器1的频率，从而使得激光器1能够一直锁定到FP腔4的参考频率。

本实施例涉及的带有准直功能的传感头的具体结构如图2所示，包括光束准直器2、聚焦透镜8和FP腔4，其中FP腔4包括腔体7和腔镜6，FP腔4的尺寸为长为40mm，圆柱直径为12mm，圆柱中心具有中空部分，中空部分的直径为8mm，形成FP腔4的腔体7上开有通孔使得外界与中空部分能够连接，腔镜6的直径为8mm，并涂有反射层，反射层的反射率为97％，腔体7为具有空腔的圆柱体；腔体7的材料为微晶玻璃。FP腔4的横截面结构如图3所示。

本实施例涉及的FP腔4除圆柱体外，还可以设计成方形结构，横截面结构如图5所示，其中FP腔4的外部尺寸为20mm×20mm，内部腔体的尺寸为8mm×8mm。

Claims (3)

1.一种法布里-波罗谐振腔式盐度传感器其特征在于其主体结构包括波长为633mn的激光器或简称激光器、光束准直器、电子控制器、FP腔、光电探测器、聚焦透镜和控制面板；激光器的输出端与光束准直器对应连接，光束准直器的输出端对应接有聚焦透镜，并通过聚焦透镜与FP腔光导通式连接，FP腔上接有光电探测器，光电探测器通过带有控制面板的电子控制器与激光器电信息连接，形成光电一体化结构的盐度传感器，用于对FP腔中的液体进行盐度测量；电子控制器为带有控制面板的光电信息自动控制部件，电子控制器的主体结构由控制芯片、低通滤波器、本振器和乘法器电信息连接构成，能实现光与电信号的转换式探测并控制，电子传感器控制过程能够通过控制面板实现操作，达到有效控制的效果；电子控制器用于控制激光器的输出与对接收到的信号进行处理，聚焦透镜通过FP腔投射的激光聚焦到光电探测器上，光束准直器将激光器的输出光准直成准直光束；FP腔中装有液体，液体折射率或盐度的改变，会引起谐振频率发生改变，从而使反馈电压也发生改变；激光器发出的激光通过光束准直器之后进入到光纤，然后再通过隔离器进入FP腔，FP腔反射的激光通过环形器照射到光电探测器上，再通过本振器与光电探测器探测的信号相乘得到误差信号，误差信号经过低通滤波器后再通过PID结构的控制芯片计算得到控制信号，该控制信号反馈到激光器中，控制激光频率随着FP腔中的液体的折射率或盐度的改变而发生变化，实现盐度传感器的功能。

2.根据权利要求书1所述的一种法布里-波罗谐振腔式盐度传感器，其特征在于：所述的FP腔的主体结构包括腔镜和腔体；柱体状內空式结构的FP腔的右端部与筒状结构的腔体对接式固定制有腔镜，腔镜上涂有反射介质，FP腔的腔体的内部中装有被测定用的液体，FP腔的腔镜的反射率为90-97％，FP腔的腔体的材料为微晶玻璃或不易受温度影响而伸缩的材料；FP腔的折射率与激光器的频率关系为：

其中，f为激光器光的频率，Δf为激光器光的变化量，Δn为被测液体的折射率，Δn为被测液体折射率的变化量；激光器的频率锁定到FP腔上，激光器的频率随着FP腔中的被测液体折射率的改变而改变；经过准直处理后的激光入射到FP腔上，经过FP腔的投射后的透射光再经过聚焦透镜聚焦于光电探测器上；FP腔为矩形腔或圆柱型腔结构，腔镜上涂反射率为90％-97％的介质；当FP腔是矩形腔结构时，FP腔的尺寸为长为40mm，宽为20mm，高为20mm；当FP腔为中空的圆柱型腔结构时，中空部分的直径为8mm，形成的腔体上开有通孔使得外界与中空部分能够连通，FP腔的腔镜的直径为12mm，通过反馈电压的变化能够得到液体折射率的变化量，从而检测液体的盐度变化；FP腔的尺寸为长为40mm，圆柱直径为12mm，圆柱中心具有中空部分，中空部分的直径为8mm，腔体为空腔式的圆柱体。

3.根据权利要求书1所述的一种法布里-波罗谐振腔式盐度传感器，其特征在于：所述的电子控制器的主体结构包括控制芯片、低通滤波器、本振器和乘法器，各部件组合式电连接制作成为一体式结构并外接控制面板的电子控制器，或选择具有同等功能的市售产品，用于控制激光器的输出与对接收到的信号进行处理；聚焦透镜把FP腔投射的激光聚焦到光电探测器上，光束准直器将激光器的输出光准直成准直光束；然后光电探测器将检测到的光强信号传递给电子控制器，电子控制器对光强信号进行处理，电子控制器将光强信号锁定到FP腔的透射信号的最大值处，从而实现对激光器的锁定。

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