CN200982952Y - 双通道光纤折射率传感器 - Google Patents

Abstract

双通道光纤折射率传感器，由半导体激光二极管、光纤耦合器A～C、光纤传感头A～B、缠绕光纤A～B、光电检测单元和传输光纤连接构成，其中光电检测单元由光电二极管探头A～B和电路处理单元电气连接构成。激光二极管与耦合器A连接；耦合器A与耦合器B和耦合器C连接；耦合器B与光纤传感头A、缠绕光纤A和光电二极管探头B连接；耦合器C与光纤传感头B、缠绕光纤B和光电二极管探头A连接；光电二极管探头A和光电二极管探头B与电路处理单元电气连接。本传感器具有实时在线和远程检测的能力，测量范围大、灵敏度高、操作方便。

Description

双通道光纤折射率传感器

(一)技术领域

本实用新型涉及一种双通道光纤折射率传感器系统。

(二)背景技术

物质的折射率是一个重要的基本物理参量，它能够反映物质的一些内部信息，如折光特性、密度等。同时，折射率与其它的一些参量如物质含量、组分或浓度等成正相关的关系，因而可通过测量折射率来间接测量这些相关参量。因此对物质折射率的测量，在化工、食品分析、未知物鉴定、质量监控、易爆有毒气体报警、污染分析和油井监测等生化、石化、医药、能源、环境监控与保护、工农业安全生产、公共安全与反恐等众多重要领域有广泛的应用。目前，测量折射率的方法有许多，其中比较有代表性的有布儒斯特角法、阿贝折光仪、椭偏仪、m线波导测量法、干涉法、最小偏向角法、彩虹法和分光光度计等，另外还有光纤光栅检测法、表面等离子体增强反射谱法和光速测量仪等测量方法。但是在这些方法中，许多是采样方法，无法实时在线和远程监测。此外，有的测量范围受限制，有的要求对被测样品进行复杂加工、仪器调整复杂，有的对使用环境要求苛刻、可靠性差，有的制造技术复杂、成本高。寻求和发展可用于光纤的新的折射率测量机制和技术，成为研制实用可靠的光纤折射率传感器的关键所在。

(三)实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可靠精确、实时快速的双通道光纤折射率传感装置。与现有技术相比，本实用新型具有实时在线和远程检测的能力，可用于光纤传感、强吸收不透明波段(或介质)的测量，并可用于探测折射率的空间分布。此外，还具有测量范围大、灵敏度较高和操作方便等特点。

具体地讲，本实用新型的双通道传感器由半导体激光二极管、光纤耦合器A～C、光纤传感头A～B、缠绕光纤A～B、光电检测单元和传输光纤连接构成，其中，光电检测单元由光电二极管探头A～B和电路处理单元电气连接构成。其相互连接关系为：激光二极管通过传输光纤与耦合器A连接；耦合器A通过传输光纤与耦合器B和耦合器C连接；耦合器B与光纤传感头A和缠绕光纤A连接，并通过传输光纤与光电二极管探头B连接；耦合器C与光纤传感头B和缠绕光纤B连接，并通过传输光纤与光电二极管探头A连接；光电二极管探头A和光电二极管探头B分别与电路处理单元电气连接。进行测量时，光纤传感头B插入待测液体中。

所述的电路处理单元由探头A前置放大电路(与光电二极管探头A连接)、探头B前置放大电路(与光电二极管探头B连接)、单片微机电路和LCD显示器共同电气连接构成，其相互连接关系为：探头A前置放大电路和探头B前置放大电路的输出线与单片微机电路的输入线电气连接；单片微机电路的输出线与LCD显示器的输入线电气连接。

上述的探头A前置放大电路由光电二极管D1、三极管Q1、电阻R1～R5和电容C1～C3电气连接构成；探头B前置放大电路由光电二极管D2、三极管Q2、电阻R6～R10和电容C4～C6电气连接构成；单片微机电路由电容C7～C9、4MHz晶振电路、单片机PIC16F876、电阻R11～R15和按钮S1～S3电气连接构成；LCD显示器由LCD显示模块、电阻R16～R19和放大器Q3电气连接构成。

在本实用新型中，所述的半导体激光二极管波长为300nm-2000nm，实验中所用中心波长为1550nm。光纤耦合器A的两输出端口1、2的分光比可为10％∶90％或其它比值(其中连着耦合器B的输出端为1端口，连着耦合器C的输出端为2端口)，光纤耦合器B和C的分光比一般为50％∶50％或其他比值。传输光纤为普通单模光纤。光纤传感头为简单的端面垂直的裸光纤、FC尾纤插头或者由垂直的光纤端面构成。光电二极管探头A和B的光强测量灵敏度为10nW量级或其它值，具体取决于仪器的灵敏度要求，要求越高，对光电二极管探头的光强测量灵敏度的要求越高。缠绕光纤为本实用新型中用到的普通的单模传输光纤，将其进行螺旋缠绕，目的是使进入缠绕光纤的光被损耗掉以避免反射。

本实用新型采用的工作机理和测量方法是基于界面反射光强对材料的折射率大小变化敏感的原理，即相对回波反射式强度调制机理，并采用双通道测量装置实现相对回波强度技术，从而有效地消除光源与系统内部不稳定性以及外部环境影响所带来的误差，提高仪器的测量精度及其抗干扰能力。

本实用新型采用的测试方法是：用半导体激光二极管作为光源，发出的激光经过传输光纤被耦合器A分成两路，其中一路光经过传输光纤继续进入耦合器器B后再次被分成两路，一路进入缠绕光纤A，该路光因无法全反射而漏入光纤包层，最后被全部损耗掉；另一路光进入光纤传感头A，光纤传感头A末端放置于空气(或其它已知折射率的介质)中作为参比。该路光束最后在光纤传感头A与空气接触的末端被反射回耦合器B分光，其中一部分反射光进入光电二极管探头B，所产生的光电压正比于空气反射的回波强度。同样，经耦合器A分束后的另一路光经过传输光纤继续被耦合器C分成两路，一路进入缠绕光纤B被损耗掉，另外一路光经过光纤传感头B进入光纤末端与待测液体的分界面发生反射，反射光被耦合器C分成两部分，其中一部分光经过传输光纤进入光电二极管探头A，输出的光电压正比于待测物反射的回波强度。最后，两个光电压的比值，即为相对回波强度。两个光电二极管探头的值输入到电路处理单元进行数据处理。由Fresnel公式可以得到所需要的折射率值。

根据Fresnel公式，反射光强I_r与入射光强I_in的关系为： $I_r=I_{\mathrm{in}}{\left(\frac{n_f-n_x}{n_f+n_x}\right)}^2,$ 其中n_x和n_f为待测液体和光纤有效折射率。结合耦合器的分光比k_A、k_A′、k_B、k_B′、k_C和k_C′的计算，得到待测液体和空气两路探头的光强为 $I_A=k_A{k}_C{k}_C^{\′}{I}_0{\left(\frac{n_f-n_x}{n_f+n_x}\right)}^2$ 和 $I_B=k_A^{\′}{k}_B{k}_B^{\′}{I}_0{\left(\frac{n_f-n_0}{n_f+n_0}\right)}^2,$ 相对回波强度为： $R=I_A/I_B=K{(\frac{n_f-n_x}{n_f+n_x}\·\frac{n_f+n_0}{n_f+n_0})}^2,$ 其中 $K=\frac{k_A{k}_C{k}_C^{\′}}{k_A^{\′}{k}_B{k}_B^{\′}},$ n₀为空气的折射率。因为温度、振动、压力等外界因素对光纤传输和测量的可能影响，将同时引起双通道光路光强的变化。通过双通道回波强度相除，即相对回波强度计算处理，可以大部分抵消这些影响，从而降低测量误差、提高仪器测量稳定性。测量前先将两个传感头同时置于空气或同一液体中，则有n_x＝n₀，得到 $R_0=I_A^{\mathrm{air}}/I_B^{\mathrm{air}}=K.$ 那么最终得到折射率与R的关系式为： $n_x=n_f\·\left(\frac{1-\mathrm{\η}}{1+\mathrm{\η}}\right),$ 其中 $\mathrm{\η}=\left(\frac{n_f-n_0}{n_f+n_0}\right)\·\sqrt{\frac{R}{R_0}}.$ 进而用于折射率n_x的测量。采用较高灵敏度的光电二极管探头，就可实现对n_x的高精度测量和实时监控。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点：

(1)采用光纤反射式相对回波强度调制测量方法，测量精度高。相对回波强度参量的引入有效地消除了光源的不稳定性以及传感系统内部光路分支中不同损耗引起的测量误差、降低了外界环境变化对测量带来的影响，提高了测量精度。折射率测量精度可小于1×10^-4。

(2)双通道测量。通过双通道测量技术去实施相对回波强度折射率测量，不仅提高了测量精度，而且可实现真正的实时快速监控。

(3)适用于光纤的新的折射率测量技术。因为光纤是绝缘体，具有良好的远距离光传输性能，光损耗极低，传输频带非常宽，可在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、化学腐蚀等恶劣条件下使用，结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高。

(4)除了用于一般性液体检测外，还可对微量、危险液体检测，以及进行气态或固体物质的折射率测量。

(5)通过检测液体折射率还可应用于测量溶液的浓度和被测点的温度场或应力场。因为浓度、温度或应力与折射率之间存在一一对应的关系。

(四)附图说明

图1是本实用新型双通道光纤折射率传感器的结构示意图。

图2是本实用新型光纤传感头B激光进入其光纤端面与待测物质的分界面时的光路图。

图3是本实用新型的电路处理单元连接方框图。

图4是本发明的电路原理图。

图5是本实用新型的电路处理单元程序框图。

图6是应用本实用新型进行不同浓度盐溶液折射率测量的数据结果与线性拟合曲线。

图7是应用本实用新型测量糖溶液折射率随时间变化的稳定性曲线。

(五)具体实施方式

在图1中，1为半导体激光二极管、2为光纤耦合器A、3为光纤耦合器B、4为光纤耦合器C、5为光纤传感头A、6为缠绕光纤A、7为缠绕光纤B、8为光纤传感头B、9为光电二极管探头A、10为光电二极管探头B、11为电路处理单元、12为光电检测单元、13为待测液体、14为传输光纤。

从图1可见，本实用新型的双通道传感器由半导体激光二极管、光纤耦合器A～C、光纤传感头A～B、缠绕光纤A～B、光电检测单元和传输光纤连接构成，其中，光电检测单元由光电二极管探头A～B和电路处理单元电气连接构成。其相互连接关系为：激光二极管1通过传输光纤14与耦合器A2连接；耦合器A2通过传输光纤14与耦合器B3和耦合器C4连接；耦合器B3与光纤传感头A5和缠绕光纤A6连接，并通过传输光纤14与光电二极管探头B10连接；耦合器C4与光纤传感头B8和缠绕光纤B7连接，并通过传输光纤14与光电二极管探头A9连接；光电二极管探头A9和光电二极管探头B10分别与电路处理单元11电气连接。进行测量时，光纤传感头B8插入待测液体13中。图中的大虚线框表示除了光纤传感头A及其连接光纤用于外部的传感监测而置于仪器外壳之外，所有其它部件均置于仪器的内部。

在本实用新型中，所述的半导体激光二极管波长为300nm-2000nm，实验中所用中心波长为1550nm。光纤耦合器A的两输出端口1、2的分光比可为10％∶90％或其它比值(其中连着耦合器B的输出端为1端口，连着耦合器C的输出端为2端口)，光纤耦合器B和C的分光比一般为50％∶50％，但可不限于此值。传输光纤为普通单模光纤。光纤传感头为简单的端面垂直的裸光纤、FC尾纤插头或者由垂直的光纤端面构成。光电二极管探头A和B的光强测量灵敏度为10nW量级或其它值，具体取决于仪器的灵敏度要求。缠绕光纤为本实用新型中用到的普通的单模传输光纤，将其进行螺旋缠绕，目的是使进入缠绕光纤的光被损耗掉以避免反射。

在图2中，8表示图1中的光纤传感头B，13表示待测的液体，15表示光纤传感头与待测物的分界面。测量前，把光纤传感B放置在空气中，进行仪器校准。测量时，把光纤传感头B与待测物体良好接触，测量结果经自动计算后，转换成待测的折射率的值。

由图3可见，电路处理单元由探头A前置放大电路、探头B前置放大电路、单片微机电路和LCD显示器共同电气连接构成，其相互连接关系为：探头A前置放大电路和探头B前置放大电路的输出线与单片微机电路的输入线电气连接；单片微机电路的输出线与LCD显示器的输入线电气连接。

进行处理时，两个光电二极管探头输出的光电流信号经过前置放大电路，然后进入到数据处理器单片微机电路中，在单片微机电路中完成数据的算术运算，得出最后结果。通过单片微机对前置放大器输出信号的检测就能确定相应光电二极管电流的变化量。测量到的折射率值送LCD显示器由LCD显示模块显示。

由图4可见，探头A前置放大电路由光电二极管D1、三极管Q1、电阻R1～R5和电容C1～C3电气连接构成；探头B前置放大电路由光电二极管D2、三极管Q2、电阻R6～R10和电容C4～C6电气连接构成；单片微机电路由电容C7～C9、4MHz晶振电路、单片机PIC16F876、电阻R11～R15和按钮S1～S3电气连接构成；LCD显示器由LCD显示模块、电阻R16～R19和放大器Q3电气连接构成。在图中，标号相同的线相互连接。

各电路之间输出、输入线的连接关系为：探头A前置放大电路的L1输出线和探头B前置放大电路的L2输出线分别与单片微机电路的L1和L2引脚相电气连接，两探测信号经过放大后送到单片微机电路进行数据处理，LCD显示器的LCD_A和LCD_E引脚分别与单片微机电路相对应的引脚相电气连接，LCD显示器的LCD_RS和LCD_DB4～LCD_DB7引脚分别与单片微机电路相对应的引脚相电气连接，按钮电路S2和S3的INT1和INT2输入线单片微机电路的引脚INT1和INT2相电气连接，最后结果送LCD显示器由LCD显示模块显示。在图中，标号相同的线互相连接。电源开关与电路板的控制电源线相电气连接。

由图5显示，启动仪器后，仪器初始化，探测光进入电路探测单元，把探头B放置在空气中，自动存储光功率比值R₀，并与默认值校对。然后进行溶液折射率的测量，测得的R送入数值计算并由LCD显示器显示。

为了进一步检验本实用新型的可行性，特进行如下的实验：

实验1：

在实验中，应用双通道光纤折射率传感器测量了水、甲醇、丙酮、乙醇等一批有机液体在1550nm波长的折射率。实验数据如下表：

材料	实验值(1550nm)
		甲醇水丙酮乙醇三氯甲烷四氯化碳松节油丙三醇苯二硫化碳	1.31711.31541.34621.34861.43001.45591.45431.45521.48221.6030

其中前三种液体的折射率与Chang-Bong Kim and Chin B Su(Measurement Science and Teachnology 15(2004)1683-1686)所得的数据相符合。其他液体在1550nm等红外波段的折射率数据未见报道，本实用新型实现了在1550nm波长处的液体折射率的测量。

实验2：

在本实验中，应用双通道光纤折射率传感器测量了不同质量百分比浓度的同一液体(盐溶液)的折射率。结果如下：

盐溶液浓度(％)	折射率	标号	盐溶液浓度(％)	折射率	标号
						0.00000.10950.11450.12000.12610.13270.1401	1.31541.33421.33471.33491.33641.33771.3390	ABCDEFG	0.14850.15790.16850.18070.19480.21130.2308	1.34031.34251.34481.34711.34991.35211.3551	HIJKLMN

在图6中，是应用本实用新型进行不同浓度盐溶液折射率测量的数据结果与线性拟合曲线。标号A～N分别表示0～25％不同浓度的盐溶液。图中的实线为理论曲线，小方框点为实验测量值，可见，测量值能很好地与理论值相符合，相对偏差低于5％。

实验3：

在本实验中，应用双通道光纤折射率传感器测量了糖溶液的折射率随时间的变化情况，以评价本实用新型的折射率测量稳定性和精度。

在图7中，是应用本实用新型测量糖溶液折射率随时间变化的稳定性曲线。

实验中，每隔30s的时间就测量一次糖溶液的折射率，记下读数。实验结果表明，该实用新型测量液体折射率的稳定性在环境温度涨落0.5-1℃时为±1×10^-4，而折射率测量分辨率或精度小于1×10^-4。以上是在没有恒温的条件下，如果采用恒温装置(温度涨落≤0.2℃)，测量的稳定度可小于1×10^-4。

以上描述了本实用新型的结构及其原理、方法。在以上示例性实施例中，应用该装置进行了液体折射率测量，实验结果表明折射率测量值均与理论值吻合得很好，从而验证了该实用新型的实用性。虽然用其他的传感器或装置也能进行液体折射率的测量，但是该双通道光纤折射率传感器测试技术是适用于光纤的新的折射率测量技术，适合于各种材料的测量，操作简单、价格较低、灵敏度高，具有实时在线、远程监测的能力，可应用于不透明波段或介质的测量，具有三维折射率空间分布的探测能力。

本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，对本实用新型的变通或实质相同的等量替换均属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1、一种双通道光纤折射率传感器，其特征在于：它由半导体激光二极管、光纤耦合器A～C、光纤传感头A～B、缠绕光纤A～B、光电检测单元和传输光纤连接构成，其中，光电检测单元由光电二极管探头A～B和电路处理单元电气连接构成，其相互连接关系为：激光二极管(1)通过传输光纤(14)与耦合器A(2)连接；耦合器A(2)通过传输光纤(14)与耦合器B(3)和耦合器C(4)连接；耦合器B(3)与光纤传感头A(5)和缠绕光纤A(6)连接，并通过传输光纤(14)与光电二极管探头B(10)连接；耦合器C(4)与光纤传感头B(8)和缠绕光纤B(7)连接，并通过传输光纤(14)与光电二极管探头A(9)连接；光电二极管探头A(9)和光电二极管探头B(10)分别与电路处理单元(11)电气连接。

2、如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的电路处理单元(11)由探头A前置放大电路、探头B前置放大电路、单片微机电路和LCD显示器共同电气连接构成，其相互连接关系为：探头A前置放大电路和探头B前置放大电路的输出线与单片微机电路的输入线电气连接；单片微机电路的输出线与LCD显示器的输入线电气连接。

3、如权利要求2所述的传感器，其特征在于：所述的探头A前置放大电路由光电二极管D1、三极管Q1、电阻R1～R5和电容C1～C3电气连接构成；探头B前置放大电路由光电二极管D2、三极管Q2、电阻R6～R10和电容C4～C6电气连接构成；单片微机电路由电容C7～C9、4MHz晶振电路、单片机PIC16F876、电阻R11～R15和按钮S1～S3电气连接构成；LCD显示器由LCD显示模块、电阻R16～R19和放大器Q3电气连接构成。

4、如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的半导体激光二极管波长为300nm～2000nm。

5、如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的光纤传感头A和光纤传感头B为端面垂直的裸光纤或FC尾纤插头，或者由垂直的光纤端面构成。

6、如权利要求1～5任一权利要求所述的传感器其特征在于：所述的缠绕光纤为单模传输光纤经螺旋缠绕而成。

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