專利名稱：一種溶液濃度動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬光纖光柵傳感測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種溶液濃度動(dòng)態(tài)測(cè)量 儀。
背景技術(shù)：
光纖光柵作為一種光學(xué)器件，是在光纖中建立起一種空間折射率周期分布，使在 其中的光的傳播特性得以改變的器件。將長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)的外包層剝掉以后，剩下內(nèi)包層和纖芯的結(jié)構(gòu)，被稱為 裸光纖，它不但具有一般LPG的特性，可吸收特定波長(zhǎng)的光波，在其透射譜中出現(xiàn)數(shù)個(gè)諧振 吸收損耗峰；而且，當(dāng)把它放入任意一種溶液或者氣體中時(shí)，它的折射率將隨著周圍環(huán)境濃 度的變化而發(fā)生變化，一旦折射率發(fā)生變化，那么它的透射譜也會(huì)發(fā)生變化，具體表現(xiàn)就是 透射譜中對(duì)應(yīng)的吸收峰發(fā)生了偏移，折射率變化越大，偏移越大。因此，我們可以通過(guò)其某 個(gè)峰值波長(zhǎng)的移動(dòng)量△ Xuj求得LPG折射率的變化，進(jìn)而求得LPG周圍環(huán)境的濃度。長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振峰中心波長(zhǎng)移動(dòng)量隨外界折射率的變化關(guān)系式如下 λ LP為初始諧振波長(zhǎng)，Δ λ u為L(zhǎng)PG耦合諧振峰中心波長(zhǎng)的移動(dòng)量，Δ nex為外界折 射率變化量，n。。、Iicd分別為基模和包層模的有效折射率。LPG的溶液濃度傳感測(cè)量原理就 是通過(guò)仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的方法找到中括號(hào)內(nèi)的折射率敏感系數(shù)，然后建立起外界折射率變 化Δ 與諧振峰中心波長(zhǎng)移動(dòng)量△ λ m的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再根據(jù)溶液濃度變化和折射率變化量 之間的關(guān)系，可得知被測(cè)溶液的濃度。再根據(jù)這些關(guān)系進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩?biāo)，即可得到諧振峰中 心波長(zhǎng)的漂移量與溶液濃度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。在光纖光柵傳感技術(shù)中，由于被測(cè)信號(hào)是波長(zhǎng)編碼的，如何簡(jiǎn)單、快速、精確的將 微小的波長(zhǎng)移動(dòng)量解調(diào)出來(lái)，是光纖光柵傳感至關(guān)重要的問(wèn)題。為了解決此問(wèn)題，研究人員 相繼開(kāi)發(fā)了一些波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)，主要有干涉解調(diào)技術(shù)、可調(diào)諧光源解調(diào)技術(shù)、可調(diào)諧濾波解 調(diào)技術(shù)、匹配濾波解調(diào)技術(shù)等。在上述解調(diào)方法中，干涉解調(diào)技術(shù)的測(cè)量范圍受限于干涉儀 的自由光譜范圍；可調(diào)諧光源解調(diào)技術(shù)信號(hào)檢測(cè)方便，分辨率高，但是光源難以制作，成本 較高；可調(diào)諧濾波解調(diào)技術(shù)的掃描周期長(zhǎng)，測(cè)試速度慢，并且重復(fù)性差；匹配濾波解調(diào)技術(shù) 的解調(diào)范圍太小。由于上述缺點(diǎn)的存在，使得波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)成為光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用的 主要障礙之一。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)測(cè)量溶液濃度的光纖光 柵傳感器，可實(shí)現(xiàn)溶液濃度等參量的動(dòng)態(tài)高精度測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)了較低成本的信號(hào)動(dòng)態(tài)解調(diào) 技術(shù)。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是提供一種溶液濃度動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x，包括寬帶光源，光信號(hào)傳輸光纖，長(zhǎng)周期光纖光柵，2 X 2的耦合器，第一布喇格光纖光 柵，第二布喇格光纖光柵，光隔離器，第一光電探測(cè)器，第二光電探測(cè)器，折射率匹配液，信 號(hào)放大器，示波器，數(shù)據(jù)采集卡，計(jì)算機(jī)。所述寬帶光源的輸出光經(jīng)傳輸光纖進(jìn)入長(zhǎng)周期光 纖光柵，長(zhǎng)周期光纖光柵的透射光經(jīng)耦合器的第一個(gè)端臂進(jìn)入耦合器，而后其中一部分光 經(jīng)耦合器的第二個(gè)端臂進(jìn)入第一個(gè)光纖布喇格光柵，而另一部分光經(jīng)光耦合器的第三個(gè)端 臂進(jìn)入光隔離器和第二個(gè)光纖布喇格光柵中；第一個(gè)光纖布喇格光柵的透射光進(jìn)入折射率 匹配液中，而其反射光經(jīng)耦合器的第四個(gè)端臂進(jìn)入第一個(gè)光電探測(cè)器中，而第二個(gè)光纖布 喇格光柵的透射光進(jìn)入第二個(gè)光電探測(cè)器中；第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器的輸出信 號(hào)進(jìn)入信號(hào)放大器中，放大器的輸出信號(hào)同時(shí)進(jìn)入示波器和數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡模 數(shù)轉(zhuǎn)化后進(jìn)入計(jì)算機(jī)中，被計(jì)算機(jī)處理和實(shí)時(shí)顯示。所述的傳感測(cè)量?jī)x在測(cè)量溶液濃度時(shí)，長(zhǎng)周期光纖光柵為傳感元件，其裸光柵區(qū) 被浸入待測(cè)溶液中。所述第一個(gè)光纖布喇格光柵為普通的光纖布喇格光柵，被用作信號(hào)解調(diào)元件。所述第二個(gè)光纖布喇格光柵為經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償封裝的光纖布喇格光柵。所述第一個(gè)光纖布喇格光柵也可作為溶液其它某個(gè)性能參量(例如溫度)的傳 感元件，并利用長(zhǎng)周期光纖光柵作信號(hào)解調(diào)元件，實(shí)現(xiàn)溶液其它某種參量的測(cè)量。系統(tǒng)的傳感元件和信號(hào)解調(diào)元件均為光纖元件，可實(shí)現(xiàn)溶液濃度(或其它某個(gè)參 量)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)測(cè)量。本發(fā)明提出利用布喇格光纖光柵作為長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)解調(diào)元件。在長(zhǎng) 周期光柵的透射譜中，特定諧振損耗峰的強(qiáng)度下降邊(或上升邊)所包含的某一波長(zhǎng)范圍 內(nèi)其光強(qiáng)度為線性(線性擬合誤差在10-4量級(jí))的減小(或增大)，利用這一點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng) 周期光柵對(duì)寬帶光源的調(diào)制，產(chǎn)生一個(gè)在某波長(zhǎng)范圍內(nèi)強(qiáng)度為線性變化(下降或上升)的 光源。選擇具有合適波長(zhǎng)的布喇格光柵，使其中心波長(zhǎng)λ B處于長(zhǎng)周期光柵透射譜的線性 區(qū)范圍內(nèi)，并靠近線性區(qū)的中間位置，如圖2所示。當(dāng)長(zhǎng)周期光纖光柵的波長(zhǎng)被傳感信號(hào)調(diào) 制時(shí)，布喇格光纖光柵的反射峰在透射譜線性區(qū)的相對(duì)位置發(fā)生變化，但其譜型不隨被測(cè) 信號(hào)改變，則布喇格光纖光柵反射的絕對(duì)光功率將線性變化，因此光電探測(cè)器的光電流將 線性變化，這樣可解調(diào)長(zhǎng)周期光纖光柵的波長(zhǎng)變化。這一原理與線性濾波器相似，但布喇格 光纖光柵相對(duì)于線性濾波器有兩點(diǎn)明顯優(yōu)勢(shì)速度快和代價(jià)小。有益效果(1)本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的溶液濃度動(dòng)態(tài)傳感測(cè)量?jī)x只需三支光纖光柵就能實(shí)現(xiàn)溶液 濃度(或溶液其它某個(gè)參量)的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、在線測(cè)量，并且不需要專門的波長(zhǎng)檢測(cè)設(shè)備，只 需要根據(jù)光電探測(cè)器的輸出值就可以精確的計(jì)算出傳感元件-長(zhǎng)周期光纖光柵的損耗峰 值波長(zhǎng)漂移量，從而得知被測(cè)溶液的濃度。(2)本實(shí)用新型利用長(zhǎng)周期光纖光柵主損耗峰單邊實(shí)現(xiàn)線性濾波功能，因此具有 線性濾波解調(diào)的解調(diào)速度快、無(wú)雙值問(wèn)題等；且采用部分信號(hào)光作為參考光，消除了由于光 源輸出功率波動(dòng)對(duì)波長(zhǎng)解調(diào)造成的影響。(3)本實(shí)用新型具備傳感元件和信號(hào)解調(diào)元件可轉(zhuǎn)換功能使用的優(yōu)點(diǎn)，即其信號(hào) 解調(diào)元件一光纖布喇格光柵一可作為溶液溫度等其他參量測(cè)量時(shí)的傳感元件；而溶液濃 度的傳感元件一長(zhǎng)周期光纖光柵一可作為溶液溫度等其他參量傳感的信號(hào)解調(diào)元件；因此該溶液濃度動(dòng)態(tài)傳感測(cè)量?jī)x不但可用于溶液濃度的動(dòng)態(tài)測(cè)量，也可用于溶液其他參量的 測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的光纖多參量傳感器。(4)本實(shí)用新型全部由光纖和光纖無(wú)源器件構(gòu)成，性能穩(wěn)定可靠。所有元器件的工 藝水平都已非常成熟，制作方便可行，便于推動(dòng)光纖光柵傳感技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，可以廣泛 用于各種領(lǐng)域。

圖1是本實(shí)用新型傳感系統(tǒng)示意圖；圖2是長(zhǎng)周期光纖光柵透射譜和光纖布喇格光柵反射譜示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本 實(shí)用新型而不用于限制本實(shí)用新型的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本實(shí)用新型講授的內(nèi)容 之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申 請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的可動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)測(cè)量溶液濃度的傳感測(cè)量?jī)x，其特征 構(gòu)成是一寬帶光源1的輸出光經(jīng)連接光纖2進(jìn)入長(zhǎng)周期光纖光柵3。長(zhǎng)周期光纖光柵3的 透射光經(jīng)光纖2和2X2的耦合器4的第一個(gè)端臂5進(jìn)入耦合器4 而后其中一部分光經(jīng)耦 合器4的第二個(gè)端臂6而進(jìn)入第一個(gè)光纖布喇格光柵7，而另一部分光經(jīng)光耦合器4的第 三個(gè)端臂8進(jìn)入光隔離器9和第二個(gè)光纖布喇格光柵10中。光纖布喇格光柵7的透射光 進(jìn)入折射率匹配液11中，而其反射光光分路器4的第四個(gè)端臂12進(jìn)入第一個(gè)光電探測(cè)器 13中，而光纖布喇格光柵10的透射光進(jìn)入第二個(gè)光電探測(cè)器14中。兩個(gè)光電探測(cè)器13， 14的輸出信號(hào)進(jìn)入信號(hào)放大器15中，放大器15的輸出信號(hào)分兩路，一路經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)化器16 被輸入計(jì)算機(jī)17中，另一路信號(hào)進(jìn)入示波器18中。而傳感元件長(zhǎng)周期光纖光柵3被浸入 待測(cè)溶液19中。在測(cè)量溶液濃度時(shí)，長(zhǎng)周期光纖光柵3作傳感元件，第一個(gè)光纖布喇格光柵7作為 解調(diào)元件，為普通的光纖布喇格光柵；第二個(gè)光纖布喇格光柵10為經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償封裝的光 纖布喇格光柵，其中心波長(zhǎng)不隨溫度的變化而漂移。也可將第一個(gè)光纖布喇格光柵作為傳 感元件，將長(zhǎng)周期光纖光柵用于信號(hào)解調(diào)元件，實(shí)現(xiàn)溶液溫度等其他參量的測(cè)量。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的可動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)測(cè)量溶液濃度的傳感測(cè)量?jī)x，當(dāng)測(cè)量溶液濃度時(shí)， 長(zhǎng)周期光纖光柵被浸入待測(cè)溶液19中，在整個(gè)系統(tǒng)裝置示意圖中的位置如圖1中所示的；本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的可動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)測(cè)量溶液濃度的傳感測(cè)量?jī)x，所述的布喇格光柵7 和溫度補(bǔ)償封裝的光纖布喇格光柵10，前者為信號(hào)解調(diào)光柵，而后者為信號(hào)參考光柵，兩者 的布喇格中心波長(zhǎng)、帶寬、反射率等參數(shù)應(yīng)匹配，且兩者的布喇格中心波長(zhǎng)應(yīng)與長(zhǎng)周期光纖 光柵主損耗峰的波長(zhǎng)匹配。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的可動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)測(cè)量溶液濃度的傳感測(cè)量?jī)x，無(wú)論是測(cè)量溶液濃 度或溶液溫度等任何一種參量，信號(hào)的傳輸過(guò)程是這樣的寬帶光源的輸出光經(jīng)長(zhǎng)周期光 纖光柵3調(diào)制后，經(jīng)2 X 2的耦合器后一部分進(jìn)入光纖布喇格光柵7，而其中另一部分經(jīng)隔離 器進(jìn)入第二個(gè)光纖布喇格光柵10，光纖布喇格光柵7的反射光和光纖布喇格光柵10的透射光分別進(jìn)入第一個(gè)光電探測(cè)器13和第二個(gè)光電探測(cè)器14，然后均進(jìn)入信號(hào)放大器，最后進(jìn) 行數(shù)據(jù)的處理和顯示。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的可動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)測(cè)量溶液濃度的傳感測(cè)量?jī)x的信號(hào)解調(diào)原理關(guān) 于長(zhǎng)周期光柵透射譜和布喇格光柵反射譜，如圖2所示，虛線為布喇格光纖光柵7的反射 譜，實(shí)線為長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜中的主損耗峰。主損耗峰的強(qiáng)度下降邊(或上升邊) 所包含的波長(zhǎng)范圍內(nèi)其光強(qiáng)度為線性(線性擬合誤差在10_4量級(jí))的減小(或增大)，利 用這一點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期光柵對(duì)寬帶光源的調(diào)制，產(chǎn)生一個(gè)在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)強(qiáng)度為線性變 化(下降或上升)的光源(可參見(jiàn)圖2中的最大損耗峰的單邊光強(qiáng)變化)。經(jīng)長(zhǎng)周期光柵 調(diào)制后的光在所利用的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜是線性的。使光纖布喇格光柵7具有合適的波長(zhǎng)，使其中心波長(zhǎng)λ Β處于長(zhǎng)周期光纖光柵透 射譜的主損耗峰線性區(qū)范圍內(nèi)，并靠近線性區(qū)的中間位置，如圖2所示。當(dāng)測(cè)量溶液濃度 時(shí)，長(zhǎng)周期光纖光柵3被浸入被測(cè)溶液中，當(dāng)溶液濃度改變而其折射率隨之線性改變時(shí)，長(zhǎng) 周期光纖光柵3的損耗峰值波長(zhǎng)被調(diào)制時(shí)，其峰值波長(zhǎng)將發(fā)生漂移，即光譜線性區(qū)將會(huì)平 移，但其光譜形狀不隨被測(cè)信號(hào)改變；而光纖布喇格光柵7的中心波長(zhǎng)不變，其與長(zhǎng)周期光 纖光柵3損耗峰值波長(zhǎng)的相對(duì)差值發(fā)生變化，即布喇格光纖光柵反射峰在光譜線性區(qū)的相 對(duì)位置發(fā)生變化，則反射的絕對(duì)光功率將線性變化，因此光電探測(cè)器的光電流將線性變化， 這樣可解調(diào)長(zhǎng)周期光纖光柵的峰值波長(zhǎng)變化。這一原理與線性濾波器相似，但光纖解調(diào)元 件相對(duì)于線性濾波器有兩點(diǎn)明顯優(yōu)勢(shì)，即速度快和代價(jià)小。當(dāng)測(cè)量溶液溫度等其他參量時(shí)，布喇格光纖光柵7將作為傳感元件，當(dāng)溫度變化 時(shí)，布喇格光纖光柵的中心波長(zhǎng)λ B將線性改變，布喇格光柵中心波長(zhǎng)與主損耗峰波長(zhǎng)的 相對(duì)距離發(fā)生變化，即其反射峰在線性區(qū)的位置發(fā)生變化，則反射的絕對(duì)光功率將線性變 化。
權(quán)利要求一種溶液濃度動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x，包括寬帶光源(1)，光信號(hào)傳輸光纖(2)，長(zhǎng)周期光纖光柵(3)，2×2的耦合器(4)，第一布喇格光纖光柵(7)，第二布喇格光纖光柵(10)，光隔離器(9)，第一光電探測(cè)器(13)，第二光電探測(cè)器(14)，折射率匹配液(11)，信號(hào)放大器(15)，示波器(16)，數(shù)據(jù)采集卡(17)，計(jì)算機(jī)(18)，其特征在于所述寬帶光源(1)的輸出光經(jīng)傳輸光纖(2)進(jìn)入長(zhǎng)周期光纖光柵(3)，長(zhǎng)周期光纖光柵(3)的透射光經(jīng)耦合器(4)的第一個(gè)端臂(5)進(jìn)入耦合器(4)，而后其中一部分光經(jīng)耦合器(4)的第二個(gè)端臂(6)進(jìn)入第一個(gè)光纖布喇格光柵(7)，而另一部分光經(jīng)光耦合器(4)的第三個(gè)端臂(8)進(jìn)入光隔離器(9)和第二個(gè)光纖布喇格光柵(10)中；第一個(gè)光纖布喇格光柵(7)的透射光進(jìn)入折射率匹配液(11)中，而其反射光經(jīng)耦合器(4)的第四個(gè)端臂(12)進(jìn)入第一個(gè)光電探測(cè)器(13)中，而第二個(gè)光纖布喇格光柵(10)的透射光進(jìn)入第二個(gè)光電探測(cè)器(14)中；第一光電探測(cè)器(13)和第二光電探測(cè)器(14)的輸出信號(hào)進(jìn)入信號(hào)放大器(15)中，放大器(15)的輸出信號(hào)同時(shí)進(jìn)入示波器(16)和經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)化器(17)進(jìn)入計(jì)算機(jī)(18)中，被計(jì)算機(jī)處理和實(shí)時(shí)顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶液濃度動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述第一個(gè)光纖布 喇格光柵(7)為普通的光纖布喇格光柵，被用作信號(hào)解調(diào)元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶液濃度動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述第二個(gè)光纖布 喇格光柵(10)為經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償封裝的光纖布喇格光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶液濃度動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x，其特征在于用所述第一個(gè)光纖 布喇格光柵(7)作為溶液性能參量包括溫度參量的傳感元件，并利用長(zhǎng)周期光纖光柵(3) 作信號(hào)解調(diào)元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶液濃度動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x，其特征在于系統(tǒng)的傳感元件和信 號(hào)解調(diào)元件均為光纖元件。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種溶液濃度動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x，一寬帶光源的輸出光進(jìn)入長(zhǎng)周期光纖光柵，長(zhǎng)周期光纖光柵的透射光經(jīng)光纖耦合器進(jìn)入兩個(gè)光纖布喇格光柵。第一個(gè)光纖布喇格光柵作信號(hào)解調(diào)元件，其反射光由光電二極管接收，其透射光進(jìn)入折射率匹配液中。第二個(gè)光纖布喇格光柵作信號(hào)參考元件，其反射光被光纖隔離器阻擋，其透射光進(jìn)入第二個(gè)光電二極管中。長(zhǎng)周期光纖光柵作傳感元件，將長(zhǎng)周期光纖光柵的裸光柵區(qū)浸入待測(cè)溶液中，根據(jù)長(zhǎng)周期光纖光柵的損耗峰值波長(zhǎng)漂移量，可得知被測(cè)溶液的濃度。本實(shí)用新型具有分辨率高、成本低、快速、簡(jiǎn)捷、實(shí)用的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B6/02GK201637666SQ200920211268
公開(kāi)日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者余木火, 詹亞歌, 許毓敏 申請(qǐng)人:東華大學(xué)