專利名稱：一種海水鹽度與溫度同時在線檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量海水鹽度的方法及裝置，特別涉及一種海水鹽度與溫度同時在線檢測的方法及裝置，屬于光纖傳感和海水測量技術(shù)領(lǐng)域。
目前，現(xiàn)有技術(shù)中還沒有能夠同時在線檢測海水鹽度和溫度的方法和裝置，并可以利用所測得的溫度信息自動實現(xiàn)對鹽度測量誤差進行實時修正的報導(dǎo)。
在鹽度檢測技術(shù)方面，國內(nèi)外提出過一些方法。如國內(nèi)首都師范大學(xué)(閔子建，李錦萍，蔣淑華等。超聲波法測量鹽水溶液濃度。太陽能學(xué)報。1995，Vol.16，No.2224-228)和山東工業(yè)大學(xué)(董金锠，胡洪偉.用超聲技術(shù)測量太陽池鹽水濃度。實用測試技術(shù)。2000，No.529)分別提出用超聲波技術(shù)測量太陽池中的鹽水濃度和密度的方法；西安交通大學(xué)(金援越，陳鐘頎，王啟杰.測量太陽池鹽濃度的激光光纖技術(shù)。太陽能學(xué)報。1994，Vol.15，No.2198-200)利用一個簡單的U型的多模塑料光纖探頭，基于光在不同折射率介質(zhì)中的傳播特性不同的原理，來測量太陽池的鹽水密度。以上方法只是針對太陽池中的鹽度測量進行了一些試驗研究，并沒有給出系統(tǒng)的測量指標以及在海水鹽度測量方面的可行性分析。西安交通大學(xué)提出的光纖測量方法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小，容易實現(xiàn)在線的自動化測量和遠距離的信號傳輸，但是由于裸露的光纖纖芯直接接觸被測液體，在光纖與待測液體的界面容易形成沉淀物而直接影響測量的可靠性。日本人(Hideyuki Minato，Yoshimi Kakui，AkioNishimoto.Remote refractive index diffractive meter for salinity sensor.IEEETransactions on Instrumentation and Measurement.1989，Vol.38，No.2608-612)提出用半導(dǎo)體激光做光源，用光纖來傳送光信號的透射式鹽度傳感器，實現(xiàn)了水下鹽度的遠距離測量。其不足之處是采用透射式結(jié)構(gòu)，探頭體積較大，而且這種傳感器的探頭部分具有光電器件PSD，在水下容易導(dǎo)致不安全的因素；在遠距離傳送信號過程中，需要信號的光—電—光—電的三次轉(zhuǎn)換，過程繁瑣，且容易引入誤差；其測量的分辨力較低。
以上研究都沒有可能同時給出測試過程中的溫度參數(shù)，而恰恰這一參數(shù)又是直接影響鹽度測量的最關(guān)鍵的參數(shù)。國際海洋學(xué)術(shù)組織規(guī)定，鹽度的測量結(jié)果，必須同時給出獲得鹽度值時的溫度，這樣的鹽度數(shù)值才是有意義的。
本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種海水鹽度與溫度同時在線檢測裝置，包括光源，傳輸光纖，傳感器單元，數(shù)據(jù)處理及計算機顯示單元及給系統(tǒng)供電的電源，其特征在于所述的傳感器單元包括帶尾纖的準直透鏡、帶傾斜面的玻璃窗體、測量水槽、感溫反射單元和接收光纖陣列，該接收光纖陣列與CCD光探測器相連接，通過圖像采集與處理模塊與裝有軟件處理程序和標定數(shù)據(jù)的計算機連接，所述的感溫反射單元包括半導(dǎo)體吸收晶片、直角棱鏡、導(dǎo)熱材料，所述的測量水槽與感溫反射單元用玻璃板隔開。
本發(fā)明所采用的光源為中心波長為880nm、光譜半寬至少為90nm的發(fā)光二極管。
所述的半導(dǎo)體吸收晶片可采用砷化鎵晶體薄片；導(dǎo)熱材料可采用高導(dǎo)熱系數(shù)的氮化硼材料。
本發(fā)明的特征還在于所述的帶傾斜面的玻璃窗體為內(nèi)部盛有蒸餾水的玻璃窗體；所述的玻璃窗體的傾斜面的傾斜角為30°～60°。
本發(fā)明還提供了一種采用所述在線檢測裝置的測量方法，該方法包括如下步驟(1)對檢測裝置的溫度檢測特性進行標定提供一個從0～50℃可變水域溫度場，將傳感器探頭和精度至少為0.1℃的標準溫度計同時放入溫度場中，保持在同一位置上；同時記錄溫度計的讀數(shù)值(作為參考基準)和檢測裝置讀數(shù)值，并反復(fù)多次進行上述過程，將測量數(shù)據(jù)用帶有軟件程序的計算機進行分析和處理，建立標定數(shù)據(jù)表，存入計算機，以備后用；(2)對檢測裝置在不同溫度下的鹽度檢測特性進行標定根據(jù)海水中各種成分的百分比，在某一特定溫度下用蒸餾水配制出具有不同鹽度值的人工海水，將其鹽度值作為參考基準，并用檢測裝置對不同鹽度值的人工海水進行測量并記錄對應(yīng)的測量結(jié)果，反復(fù)進行多次，每次采集多組數(shù)據(jù)，建立標定數(shù)據(jù)表，改變溫度值，重復(fù)上述過程，可建立不同溫度下的鹽度檢測特性的數(shù)據(jù)庫文件，存入計算機，以備后用；(3)對裝置的鹽度檢測隨溫度變化的特性進行標定對具有某一特定鹽度的人工海水在溫度從低到高變化過程中的鹽度檢測結(jié)果的變化特性進行標定，溫度的變化由上述標準溫度計進行檢測，同時記錄鹽度檢測結(jié)果的變化情況，改變鹽度值，重復(fù)上述過程，可建立不同鹽度的海水在溫度變化過程中的鹽度值的漂移變化情況的數(shù)據(jù)庫，存入計算機，以備后用；(4)完成以上標定過程以后，將傳感器探頭置于所要檢測的海水中，利用標定數(shù)據(jù)和計算機數(shù)據(jù)處理程序，根據(jù)所測得的溫度和鹽度值與標定數(shù)據(jù)進行比較并修正，得到同一溫度下的海水鹽度值，由計算機進行結(jié)果顯示，從而完成海水鹽度和溫度的在線檢測。
本發(fā)明具有如下特點(1)可同時共點的實現(xiàn)海水鹽度與溫度雙參數(shù)的在線測量；(2)信號傳輸損耗低，不失真，適合遠距離測量；(3)系統(tǒng)的探頭部分采用全光學(xué)結(jié)構(gòu)，安全性好；(4)采用了綜合補償技術(shù)，抗干擾能力強、測量穩(wěn)定性好、靈敏度高；其溫度測量范圍為0～50℃，鹽度的測量范圍為0～48‰，溫度測量分辨力可達到0.1℃，鹽度測量分辨力可到0.01‰。
(5)設(shè)計簡單，機械結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，便于攜帶安裝。
圖2為本發(fā)明裝置實施例傳感器部分的測量原理示意圖。
圖3為鹽度測量中光線傳播路徑及折射情況的光學(xué)原理示意圖。
圖4為本發(fā)明實施例的溫度與不同波長接收光強變化情況示意圖。
圖5為本發(fā)明檢測特性標定過程流程圖。
圖6為本發(fā)明的實施例的測量數(shù)據(jù)采集及處理軟件流程圖。


圖1為裝置的整體結(jié)構(gòu)及測量原理示意圖。系統(tǒng)工作時，首先打開電源10，啟動計算機21，具有較寬光譜范圍的帶尾纖的LED光源11發(fā)出的光束通過具有低損耗、低噪聲和耐海水腐蝕的光纖光纜及準直器12(固定在傳感器框架上)發(fā)送到傳感器探頭，光纖與準直器之間通過標準的光纖連接器相連接；光源采用中心波長為880nm、光譜半寬至少為90nm的發(fā)光二極管。光線先后經(jīng)帶傾斜面的玻璃窗體13(固定在傳感器框架上)和測量水槽14，半導(dǎo)體吸收晶片15采用砷化鎵(粘結(jié)在直角棱鏡面上)，由直角棱鏡16反射，此時發(fā)射光已經(jīng)帶有被鹽度和溫度調(diào)制后的信息，最后，接收光纖陣列18將載有鹽度信息的光線偏移(接收器光敏面上的光斑位置變化)信號和載有溫度信息的光強度變化信號無損耗、無失真地傳送至光探測器(CCD)19，由圖像采集與處理模塊20對光信號進行預(yù)處理，由裝有軟件處理程序和標定數(shù)據(jù)的計算機21實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。傳感器探頭主要可分為兩部分，一部分是裝有待測海水的水槽14和帶傾斜面的玻璃窗體13，待測的海水通過過濾網(wǎng)和吸附膜等的過濾后進入外圍的測量水槽14中；帶傾斜面的玻璃窗體13中還可裝入蒸餾水，其傾斜面的傾斜角為30°～60°，用于補償溫度漂移對鹽度測量的影響；另一部分被稱為感溫反射單元，其中半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)晶體薄片15(0.1mm)用于實現(xiàn)對溫度的感受，在其下面緊貼一個直角棱鏡16用于改變光路方向，周圍是具有高導(dǎo)熱系數(shù)的氮化硼材料17，亦可采用其它高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱材料。這兩部分用一玻璃板22隔離，并將感溫反射單元封裝起來，以防止敏感材料長時間受海水侵蝕及壓力對半導(dǎo)體材料光譜吸收特性的影響。
鹽度的測量是基于檢測與鹽度幾乎成正比的光線折射角的變化引起在探測器光敏面上的光斑位置變化來實現(xiàn)的。本發(fā)明的實施例采用具有高分辨力的線陣CCD(Basler L103-1k)19感受由于折射角變化引起光線的偏移量，其像元數(shù)為2048，光譜響應(yīng)范圍在0.4～1.1μm。在實際測量之前，用按標準海水成分配制的已知鹽度值的人工海水對檢測裝置進行鹽度檢測特性的標定，然后將標定數(shù)據(jù)存在計算機中；實際測量時，計算機通過查表的方法將CCD測得的與鹽度相關(guān)的光斑位置變化所對應(yīng)的鹽度值顯示在計算機屏幕上。
圖2給出了傳感器部分的測量原理，圖3給出了鹽度測量中光線傳播路徑及折射情況。入射光束以豎直方向入射，通過折射率為n0參考液體后以α角度入射到傾斜玻璃板，折射后進入折射率為n的待測液體，再依次進入隔離板22、半導(dǎo)體晶片15和反射棱鏡16。
在圖3所示的幾何光學(xué)光線軌跡中，用d來表示CCD所測得的當(dāng)被測液分別是海水(實光線)和蒸餾水(虛光線)時的光線偏移量。根據(jù)圖示幾何關(guān)系和光學(xué)折射定律，有 和 式中，t為傾斜玻璃板的厚度，s1為光線第一次進入被測液體時的光程，s3為光線第二次返回被測液體時的光程，s2是光線經(jīng)過隔離玻璃板、半導(dǎo)體材料及直角棱鏡正反行程時的總光程。從式(2)我們可以看到，當(dāng)參數(shù)α，n0，t和ng選定后，θ和δ就是固定的值，這樣d2和d3也是定值，此時將式(2)代入式(1)，得到光線偏移量為d=d0+(s1+s3)·tan[α-sin-1(n0nsinα)]+]]>s2·tan{sin-1[nnssin(α-sin-1(n0nsinα))]}=f(n)----(3)]]>其中，d0＝d2-d3。由于半導(dǎo)體GaAs材料對波長在0.78μm～8.0μm范圍內(nèi)的光的折射率比較大(大約為n5＝3.34)，而且GaAs晶體又相對很薄，所以在半導(dǎo)體GaAs晶片與玻璃板界面處引起的光線偏移量很小，這里忽略不計。而且，這個微小的偏移量作為系統(tǒng)誤差對測量結(jié)果的最終影響可以在標定過程中進行修正和消除。
溫度測量是基于半導(dǎo)體GaAs晶體光譜吸收作用隨溫度而變化的原理，根據(jù)CCD檢測到的光強度的變化而實現(xiàn)的。純的砷化鎵晶體對紅外光是呈現(xiàn)透明性質(zhì)的，而對可見光則是不透明的；在常溫常壓時，它的光吸收臨界邊值為867nm。傳感器使用的光源的發(fā)射光譜應(yīng)該含蓋對應(yīng)被測溫度上下限的兩個吸收臨界光波長。這樣，由溫度變化引起的這個吸收邊的位置移動就會調(diào)制處于吸收帶內(nèi)部的光能量，即意味著接收端光強的改變。在實際測量之前，可用鉑電阻溫度計對溫度檢測特性進行標定，然后將標定數(shù)據(jù)存在計算機中；實際測量時，計算機通過查表的方法將CCD測得的與溫度相關(guān)的光強變化情況顯示在計算機屏幕上。圖4即為不同波長的光在溫度變化過程中，接收端光強變化情況。
這樣，系統(tǒng)可以在同一時刻同一測量點處實現(xiàn)鹽度與溫度的檢測，記錄在不同時刻不同溫度下的鹽度值，根據(jù)鹽度與溫度的關(guān)系，通過事先存于計算機內(nèi)的標定數(shù)據(jù)表，對鹽度測量值進行實時的修正，將鹽度數(shù)據(jù)統(tǒng)一換算到標準溫度下的數(shù)值，提高了測量的可比較性和有效性。裝置的溫度測量范圍為0～50℃，鹽度的測量范圍為0～48‰，溫度測量分辨力估計可達到0.1℃，鹽度測量分辨力可到0.01‰。
圖5為本發(fā)明裝置檢測特性標定過程流程圖。首先計算機系統(tǒng)讀入標準值(參考基準或計算得到的理論真值)，然后記錄該裝置對應(yīng)每一個標準讀入值的檢測輸出結(jié)果；反復(fù)進行上述過程，直到完成滿量程內(nèi)的全部標定過程；用最小二乘算法擬合標定數(shù)據(jù)，并計算擬合誤差，如果擬合誤差滿足測量精度的要求，則將擬合后的標定數(shù)據(jù)存入計算機，以備后用；如果擬合誤差不滿足測量精度的要求，需要重新確定擬合參數(shù)，再計算擬合誤差，知道滿足測量的精度要求為止。
圖6是測量數(shù)據(jù)采集及處理軟件流程圖。首先將裝置的檢測探頭單元置于被測海水中，采集測量數(shù)據(jù)，在信號的探測單元(CCD)光敏面上分別得到與溫度相關(guān)的光強度信號和與鹽度相關(guān)的光斑位置信號，經(jīng)過信號的預(yù)處理后，根據(jù)事先做好的標定數(shù)據(jù)表，通過查表的方法求得所測量的溫度值和鹽度值，并將溫度值顯示和記錄；如果被測溫度不是標準溫度(20℃)，還需對鹽度的檢測結(jié)果進行修正，通過鹽度隨溫度的漂移變化數(shù)據(jù)表換算出標準溫度下的鹽度值，以便后續(xù)對測量結(jié)果的分析和綜合比對。
權(quán)利要求
1.一種海水鹽度與溫度同時在線檢測裝置，包括光源，傳輸光纖，傳感器探頭，數(shù)據(jù)處理及計算機顯示單元以及給系統(tǒng)供電的電源，其特征在于所述的傳感器探頭由帶尾纖的準直透鏡、帶傾斜面的玻璃窗體、測量水槽、感溫反射單元和接收光纖陣列組成，該接收光纖陣列與CCD光探測器相連接，所述光探測器通過圖像采集與處理模塊與裝有軟件處理程序和標定數(shù)據(jù)的計算機連接，所述的感溫反射單元包括半導(dǎo)體吸收晶片、直角棱鏡、導(dǎo)熱材料，所述的測量水槽與感溫反射單元用玻璃板隔開。
2.按照權(quán)利要求1所述的在線檢測裝置，其特征在于所述的發(fā)光光源采用中心波長為880nm、光譜半寬至少為90nm的發(fā)光二極管。
3.按照權(quán)利要求2所述的在線檢測裝置，其特征在于所述的半導(dǎo)體吸收晶片采用砷化鎵晶體薄片。
4.按照權(quán)利要求2所述的在線檢測裝置，其特征在于所述的導(dǎo)熱材料采用氮化硼材料。
5.按照權(quán)利要求1-4所述的在線檢測裝置，其特征在于所述的玻璃窗體為內(nèi)部盛有蒸餾水的玻璃窗體。
6.按照權(quán)利要求5所述的在線檢測裝置，其特征在于所述的玻璃窗體的傾斜面的傾斜角為30°～60°。
7.如權(quán)利要求1所述裝置的一種測量方法，其特征在于該方法包括如下步驟(1)對檢測裝置的溫度檢測特性進行標定提供一個從0～50℃可變水域溫度場，將傳感器探頭和精度至少為0.1℃的標準溫度計同時放入溫度場中，保持在同一位置上；同時記錄溫度計的讀數(shù)值(作為參考基準)和檢測裝置讀數(shù)值，并反復(fù)多次進行上述過程，將測量數(shù)據(jù)用帶有軟件程序的計算機進行分析和處理，建立標定數(shù)據(jù)表，存入計算機，以備后用；(2)對檢測裝置在不同溫度下的鹽度檢測特性進行標定根據(jù)海水中各種成分的百分比，在某一特定溫度下用蒸餾水配制出具有不同鹽度值的人工海水，將其鹽度值作為參考基準，并用檢測裝置對不同鹽度值的人工海水進行測量并記錄對應(yīng)的測量結(jié)果，反復(fù)進行多次，每次采集多組數(shù)據(jù)，建立標定數(shù)據(jù)表，改變溫度值，重復(fù)上述過程，可建立不同溫度下的鹽度檢測特性的數(shù)據(jù)庫文件，存入計算機，以備后用；(3)對裝置的鹽度檢測隨溫度變化的特性進行標定對具有某一特定鹽度的人工海水在溫度從低到高變化過程中的鹽度檢測結(jié)果的變化特性進行標定，溫度的變化由上述標準溫度計進行檢測，同時記錄鹽度檢測結(jié)果的變化情況，改變鹽度值，重復(fù)上述過程，可建立不同鹽度的海水在溫度變化過程中的鹽度值的漂移變化情況的數(shù)據(jù)庫，存入計算機，以備后用；(4)完成以上標定過程以后，將傳感器探頭置于所要檢測的海水中，利用標定數(shù)據(jù)和計算機數(shù)據(jù)處理程序，對所測得的溫度和鹽度值與標定數(shù)據(jù)進行比較并修正，得到同一溫度下的海水鹽度值，由計算機進行結(jié)果顯示，從而完成海水鹽度和溫度的在線檢測。
全文摘要
一種海水鹽度與溫度同時在線檢測方法及裝置,屬于光纖傳感和海水測量技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括光源,傳輸光纖,電源,CCD,帶尾纖的準直透鏡、玻璃窗體、測量水槽、感溫反射單元和接收光纖陣列組成的傳感器探頭,圖像采集處理模塊及裝有軟件和標定數(shù)據(jù)的計算機,感溫反射單元包括半導(dǎo)體吸收晶片、直角棱鏡、導(dǎo)熱材料。通過檢測不同鹽度的折射率變化引起CCD光敏面上的光斑位置變化實現(xiàn)鹽度測量,檢測由半導(dǎo)體材料受溫度調(diào)制引起的光強度變化實現(xiàn)溫度測量;通過差動式測量和參考光路設(shè)計,提高了抗干擾能力、測量靈敏度高、安全性好、適合遠距離在線測量;溫度測量范圍0～50℃,鹽度測量范圍0～48‰,可用于海洋環(huán)境監(jiān)測、海水養(yǎng)殖等領(lǐng)域。
文檔編號G01N35/00GK1374529SQ0211742
公開日2002年10月16日 申請日期2002年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月19日
發(fā)明者趙勇, 廖延彪 申請人:清華大學(xué)