TW201725363A - 光纖光柵液體感測系統 - Google Patents
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Abstract
一種光纖光柵液體感測系統，該系統主要包括兩種感測頭所構成：液體特性感測頭和液位感測頭，可同時感測液體的液位、液溫或折射率等其他液體參數。其中液特性感測頭使用長週期光纖光柵，而液位感測頭則使用短週期光纖光柵並設計成光纖光源，兩者整合於同一個光路裡，並同時且分別感測液體折射率及液位或溫度與液位，如此可使用單一光纖但配置兩感測頭，達到同時感測複數個液體參數的系統。
Description
本發明係關於一種光纖光柵感測系統，尤其是一種具有兩種以上感測頭之光纖光柵液體感測系統。
相較於傳統的電子感測器，光感測器對於微細變化具有高靈敏度，隨著光纖通訊的蓬勃發展，光纖感測技術亦發展快速。光纖感測的優點包括靈敏度高、衰減率低、尺寸小、抗腐蝕及電磁干擾、耐高溫、壽命長等，因此利用光纖來感測應變、溫度、壓力、電流、氣體等變化的應用便不斷地開發出來。
液體的各項參數，例如液位、液溫或折射率等等，可利用光纖感測系統來量測。習知光纖感測系統包括兩條光纖，每一光纖搭配一感測器，利用矩陣運算反推得到兩種不同的液體參數。此種利用分別不同之光柵以及架構進行獨立變因之參數量測，對於現實環境的複雜變化下所造成液體參數變化的量測因需要運算所以是間接的，且因需兩條光纖所以也較複雜。
此外，現今有利用光纖光柵(fiber Bragg grating,FBG)作為光纖感測器，例如短週期光纖光柵或長週期光纖光柵。短週期光纖光柵又稱反射式
光纖光柵或布拉格光纖光柵，它的耦合方向和傳播方向相反；長週期光纖光柵又稱穿透式光纖光柵，它的耦合方向則和傳播方向一致。當光纖光柵受到外界環境影響使得有效折射率及光柵週期改變時，相對應的反射中心波長λB會產生飄移。因此，兩者的分波多工特性、耦合方向和模態傳播方向性質皆不同。
故而為了能產生更有效率的光纖光柵感測系統，提供作為相關業界之使用需求，需要研發新式之光纖光柵感測系統，藉以提高光纖光柵感測系統的感測效率且能降低感測器之製造成本。
為解決上述問題，本發明提供一種光纖光柵液體感測系統，結合布拉格光柵及長週期光柵雙光柵，利用兩者的分波多工特性以及其耦合方向與模態傳播方向性質不同之特性，得以同時測量複數個液體參數。
為解決上述問題，本發明提供一種光纖光柵液體感測系統，布拉格光纖光柵可使用於水位感測上，長週期光纖光柵則可作為感測折射率或水溫，如此能夠同時感測液位及液溫，或液位與折射率之變化，因此可應用於水質、水溫、折射率及濃度評估量測應用領域。
為解決前述問題，本發明提供一種光纖光柵液體感測系統，單一個感測架構可以同時量測不同的液位、液溫與液體折射率變化，並將感測頭量測的信號傳送到光頻譜分析儀(optical spectrum analyzer,OSA)進行分析與觀察，藉以得知環境參數的變化，可實現遠端監控的便利性、節省人力
成本以及提高安全和可靠性。
依據前述，本發明提供一種光纖光柵液體感測系統，包括：一光纖；設置於該光纖上的一液特性感測頭；以及設置於該光纖上的一液位感測頭，其中，該液體特性感測頭和該液位感測頭同時測量液體的複數液體參數，該些液體參數包括由該液位感測頭感測的一液位參數。
依據上述，本發明之一種光纖光柵液體感測系統，包括兩種感測頭：液特性感測頭和液位感測頭，可同時感測液體的液位、液溫或折射率等其他液體參數。液體特性感測利用長週期光纖光柵實現，液位感測則利用短週期光纖光柵實現並設計成光纖雷射光源，把寬頻光源與光纖雷射兩者整合於同一個光路裡，並分別感測液體折射率(或溫度)及液位深度，如此可實現單一光纖配置兩感測頭達到同時感測複數個液體參數的系統。
故而，關於本發明之優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
10‧‧‧光纖光柵液體感測系統
12‧‧‧光纖
14‧‧‧液體特性感測頭
16‧‧‧液位感測頭
18‧‧‧增益介質部件(第1A圖)
18‧‧‧半導體光放大器(第1B圖)
22‧‧‧反射部件
24‧‧‧分波多工耦合器
26‧‧‧泵激光源
28‧‧‧光頻譜分析儀
30‧‧‧隔層
32‧‧‧容器
34‧‧‧液體
40‧‧‧空氣
42‧‧‧長週期光纖光柵
44‧‧‧黏膠
46‧‧‧模具
62‧‧‧碳纖維複合材料片
64‧‧‧感測頭
65‧‧‧缺口
66‧‧‧布拉格光纖光柵
69‧‧‧液壓
第1A圖為本發明的光纖光柵液體感測系統與其試樣的架構示意圖。
第1B圖為本發明的光纖光柵液體感測系統與其試樣的架構示意圖。
第2圖為本發明之液體特性感測頭實施例的結構示意圖。
第3圖和第4圖分別為本發明液位感測頭實施例的結構側面透視
示意圖和結構正面示意圖。
第5A圖及第5B圖為本發明之液位感測頭實施例的結構，於受力後的側面透視示意圖。
本發明詳細說明如下，所述較佳實施例僅做一說明而非用以限定本發明，而第1A圖為本發明的光纖光柵液體感測系統與其試樣的架構示意圖。
請參照第1A圖，本發明光纖光柵液體感測系統10包括：光纖12、液體特性感測頭14、液位感測頭16、增益介質部件18以及反射部件22。
仍如第1A圖之本發明實施例，於光纖光柵液體感測系統10中，欲量測的試樣為容器32中的液體34，進行量測時，液體特性感測頭14，液位感測頭16、增益介質部件18以及光反射部件22皆可沒入液體34中。其次，本發明的光纖光柵液體感測系統10是可用以感測液體34的複數個液體參數，此處的液體參數包括液位以及其他如溫度、折射率等液體特性，待後再述。
再如第1A圖所示，光纖光柵液體感測系統10可更包括分波多工耦合器24(Wavelength Division Multiplexing Coupler,WDM Coupler)、泵激光源26(pump laser diode)以及光頻譜分析儀28(optical spectrum analyzer,OSA)或相關檢測儀器，其中分波多工耦合器24分別和光纖12、泵激光源26以及光頻譜分析儀28連接。
續如第1A圖之本發明實施例，液特性感測頭14包括可量測液體34
的特性的感測頭，舉例但不限地，該液體特性例如液溫或液折射率等等。
此外，如第1B圖所示的增益介質部件18，分波多工耦合器24，以及泵激光源26可同時去掉改以半導體光放大器(SOA)18取代其功能。
第2圖為本發明之一液體特性感測頭實施例的結構示意圖。再請參考前述第1A圖和第2圖，於一實施例中，液體特性感測頭14包括一長週期光纖光柵42，由於長週期光纖光柵對微小的彎曲度變化十分敏感，為了避免長週期光纖光柵42形變造成的波長飄移影響感測結果，本發明中將長週期光纖光柵42拉直，並通過黏膠44將長週期光纖光柵42兩端延伸的光纖12黏貼於模具46上。而模具46可以為一扁平方框外型，除了可供黏膠44固定外，本身的材料和幾何形狀皆可提供強度來拉直長週期光纖光柵42。
另外，於第2圖中，增益介質部件18可以為一摻鉺光纖放大器(Erbium-doped fiber amplifier,EDF amplifier)，其可以透過在光纖12的纖核中摻入一定濃度的鉺離子(Er3+)來實現並分布於整個光纖12中。增益介質部件18的作用在於將光源產生自發性放大放射以形成寬頻譜光源。反射部件22可以為一反射鏡或是在光纖12末端表面的反射鍍膜層，但本發明不限於上述。又於第2圖所示，液位感測頭16包括可感測容器32中液體34的高低的短週期光纖光柵。
第3圖和第4圖分別為本發明之液位感測頭，其中實施例的結構側面透視示意圖和結構正面示意圖。其中之液位感測頭16包括由封閉的中空不銹鋼圓柱構成的感測頭64、黏貼在感測頭64表面的缺口65的碳纖維複合材料片62(carbon fiber reinforced plastic film,CFRP film)以及黏貼於碳纖維複合材
料片62上的布拉格光纖光柵66。
仍如第3圖和第4圖所示，於一實施例中，感測頭64選用不銹鋼材質的優點在於其具有大於大多數液體的比重，能夠克服多數液體的浮力以測得液體深度。此外，不銹鋼材質具有強抗氧化能力而不易生鏽，且同時也具有耐腐蝕的能力，適合長時間用於室內外液位感測頭的設計。其次，感測頭64透過中空圓柱的設計，使得中空圓柱中包覆一個空氣囊。再者，碳纖維複合材料片62的尺寸大致和缺口65相同或略大於缺口65。而又，碳纖維複合材料片62可以針對不同的負載需求，設計不同的厚度與堆疊方式，例如單層或兩種碳纖維複合材料的雙層結構，較佳地為單層碳纖維複合材料，因其表現較佳的線性度，但本發明不限於此。再者，布拉格光纖光柵66設計成光纖雷射輸出，可提高感測靈敏度與光峰值功率。
第5A圖為本發明液位感測頭實施例的結構受力後的側面透視示意圖。請參照第4圖和第5A圖，有關感測液位的原理是，因碳纖維複合材料片62具有可塑性，所以當液體的深度越深時，液壓69便隨之增加。此時，液壓69會造成感測頭64內的空氣囊受到擠壓體積縮小，進而使得碳纖維複合材料片62向內變形，黏貼在碳纖維複合材料片62上的布拉格光纖光柵66的週期因液壓69擠壓而改變，造成線型雷射輸出波長往短波長飄移。
有關本發明之運作原理係運用「理想氣體方程式」如下式：PV=nRT P：氣壓V：體積
n：摩爾數R：常數T：絕對溫度在nRT不變之情況下，體積(V)與壓力(P)呈反比。故如第5B圖所示，光纖12位於圖示底部，當液體34水位越深，則液壓會越大，而水壓會透過隔層30擠壓光纖光柵66，使得所在空氣40之壓力增加。當光纖光柵66受到壓力時，則反射(或穿透)頻譜便會產生變化，如此可以承受數倍甚至10倍壓力。即因「理想氣體方程式」之原理，隔層下降乃至壓縮空氣層成為原本之1/10體積都有可能，而第5A圖所示之結構可用於不到2大氣壓之場合，觀察圖示可知空氣40尚難被壓縮原先到二分之一還多之容積。
請續參考第1圖，依據前述，本發明的光纖光柵液體感測系統架構，其輸出頻譜為一光纖雷射與一長週期光纖光柵穿透寬頻譜光源。而泵激光源26發出1480nm波長的光束，其包含C-band與L-band的波段。分波多工耦合器24將泵激光源26導入光纖12中，泵激光源26通過增益介質部件18可產生前向與後向的自發性放大輻射，前向的自發性放大輻射會被反射部件22反射，前向與後向的自發性放大輻射遇到液位感測體16的布拉格光纖光柵，會反射特定波長。除了此特定波長的波段外，其餘的波段都將穿透液位感測頭16的布拉格光纖光柵，成為液特性感測頭14的長週期光纖光柵的寬頻譜光源。
本發明的架構於量測一試樣液體時，同時能夠感測液位，以及液位以外的液體參數，例如液溫或折射率等。其可應用於水質監測的領域和
場所，應用的領域可大至大廈等商用或居住場所中水塔的水質遠端清濁監控，或是小至嬰兒牛奶沖泡的感測溫度或濃度，故而用途非常廣泛，可滿足不同業界所需。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
10‧‧‧光纖光柵液體感測系統
12‧‧‧光纖
14‧‧‧液特性感測頭
16‧‧‧液位感測頭
18‧‧‧增益介質部件
22‧‧‧反射部件
24‧‧‧分波多工耦合器
26‧‧‧泵激光源
28‧‧‧光頻譜分析儀
32‧‧‧容器
34‧‧‧液體
Claims (16)
- 一種光纖光柵液體感測系統，至少包括：一光纖；設置於該光纖上的一液特性感測頭；以及設置於該光纖上的一液位感測頭，其中該液體特性感測頭和該液位感測頭同時測量液體的複數個液體參數，該複數個液體參數包括由該液位感測頭感測的一液位參數。
- 根據申請專利範圍第1項所述的該光纖光柵液體感測系統，其中該液特性感測頭包含一長週期光纖光柵以及固定該長週期光纖光柵的一模具。
- 根據申請專利範圍第1項所述的該光纖光柵液體感測系統，其中該液位感測頭包括一封閉的中空圓柱構成的一感測頭、黏貼在該封閉的中空圓柱表面一缺口的一碳纖維複合材料片以及固定於該碳纖維複合材料片上的一布拉格光纖光柵。
- 根據申請專利範圍第1項所述的該光纖光柵液體感測系統，其中該封閉的中空圓柱以不鏽鋼材料製成。
- 根據申請專利範圍第1項所述的該光纖光柵液體感測系統，其中該液體參數包括由該液特性感測頭感測的一液溫或一液體折射率。
- 根據申請專利範圍第1項至第5項中所述的該光纖光柵液體感測系統，更包含一分波多工耦合器連接該光纖。
- 根據申請專利範圍第6項所述的光纖光柵液體感測系統，更包含一泵激光源連接至該分波多工耦合器。
- 根據申請專利範圍第1項至第5項所述的該光纖光柵液體感測系統，其中該光纖中更包括一增益介質部件。
- 根據申請專利範圍第8項所述的該光纖光柵液體感測系統，其中該增益介質部件包括在該光纖中摻雜入的鉺離子。
- 根據申請專利範圍第1項至第5項所述的該光纖光柵液頭感測系統，更包括一反射部件，該反射部件設置於該光纖一末端的一反射鏡或是於該光纖的該末端內表面的一反射鍍層。
- 一種光纖光柵液體感測系統，至少包括：一光纖；設置於該光纖上的一液特性感測頭；以及設置於該光纖上的一液位感測頭，其中該液體特性感測頭和該液位感測頭同時測量液體的複數個液體參數，該複數個液體參數包括由該液位感測頭感測的一液位參數。
- 根據申請專利範圍第11項所述的該光纖光柵液體感測系統，其中該液特性感測頭包含一長週期光纖光柵以及固定該長週期光纖光柵的一模具。
- 根據申請專利範圍第11項所述的該光纖光柵液體感測系統，其中該液位感測頭包括一封閉的中空圓柱構成的一感測頭、黏貼在該封閉 的中空圓柱表面一缺口的一碳纖維複合材料片以及固定於該碳纖維複合材料片上的一布拉格光纖光柵。
- 根據申請專利範圍第11項所述的該光纖光柵液體感測系統，其中該封閉的中空圓柱以不鏽鋼材料製成。
- 根據申請專利範圍第11項所述的該光纖光柵液體感測系統，其中該液體參數包括由該液特性感測頭感測的一液溫或一液體折射率。
- 根據申請專利範圍第11項至第15項中所述的該光纖光柵液體感測系統，更包含一半導體光放大器(SOA)以連接該光纖。
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| CN109506738B (zh) * | 2018-11-02 | 2020-09-18 | 北京航天控制仪器研究所 | 一种分布式光纤液位传感系统 |
| TWI820721B (zh) * | 2022-05-23 | 2023-11-01 | 國立臺灣海洋大學 | 流體監測裝置 |
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| TWI585373B (zh) | 2017-06-01 |
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