专利名称：一种溶液浓度动态测量仪的利记博彩app
技术领域：
本实用新型属光纤光栅传感测量技术领域，特别是涉及一种溶液浓度动态测量 仪。
背景技术：
光纤光栅作为一种光学器件，是在光纤中建立起一种空间折射率周期分布，使在 其中的光的传播特性得以改变的器件。将长周期光纤光栅(LPG)的外包层剥掉以后，剩下内包层和纤芯的结构，被称为 裸光纤，它不但具有一般LPG的特性，可吸收特定波长的光波，在其透射谱中出现数个谐振 吸收损耗峰；而且，当把它放入任意一种溶液或者气体中时，它的折射率将随着周围环境浓 度的变化而发生变化，一旦折射率发生变化，那么它的透射谱也会发生变化，具体表现就是 透射谱中对应的吸收峰发生了偏移，折射率变化越大，偏移越大。因此，我们可以通过其某 个峰值波长的移动量△ Xuj求得LPG折射率的变化，进而求得LPG周围环境的浓度。长周期光纤光栅的谐振峰中心波长移动量随外界折射率的变化关系式如下 λ LP为初始谐振波长，Δ λ u为LPG耦合谐振峰中心波长的移动量，Δ nex为外界折 射率变化量，n。。、Iicd分别为基模和包层模的有效折射率。LPG的溶液浓度传感测量原理就 是通过仿真计算和实验的方法找到中括号内的折射率敏感系数，然后建立起外界折射率变 化Δ 与谐振峰中心波长移动量△ λ m的对应关系，再根据溶液浓度变化和折射率变化量 之间的关系，可得知被测溶液的浓度。再根据这些关系进行适当的定标，即可得到谐振峰中 心波长的漂移量与溶液浓度的一一对应关系。在光纤光栅传感技术中，由于被测信号是波长编码的，如何简单、快速、精确的将 微小的波长移动量解调出来，是光纤光栅传感至关重要的问题。为了解决此问题，研究人员 相继开发了一些波长解调技术，主要有干涉解调技术、可调谐光源解调技术、可调谐滤波解 调技术、匹配滤波解调技术等。在上述解调方法中，干涉解调技术的测量范围受限于干涉仪 的自由光谱范围；可调谐光源解调技术信号检测方便，分辨率高，但是光源难以制作，成本 较高；可调谐滤波解调技术的扫描周期长，测试速度慢，并且重复性差；匹配滤波解调技术 的解调范围太小。由于上述缺点的存在，使得波长解调技术成为光纤光栅传感技术应用的 主要障碍之一。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可实时、动态测量溶液浓度的光纤光 栅传感器，可实现溶液浓度等参量的动态高精度测量，并实现了较低成本的信号动态解调 技术。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种溶液浓度动态测量仪，包括宽带光源，光信号传输光纤，长周期光纤光栅，2 X 2的耦合器，第一布喇格光纤光 栅，第二布喇格光纤光栅，光隔离器，第一光电探测器，第二光电探测器，折射率匹配液，信 号放大器，示波器，数据采集卡，计算机。所述宽带光源的输出光经传输光纤进入长周期光 纤光栅，长周期光纤光栅的透射光经耦合器的第一个端臂进入耦合器，而后其中一部分光 经耦合器的第二个端臂进入第一个光纤布喇格光栅，而另一部分光经光耦合器的第三个端 臂进入光隔离器和第二个光纤布喇格光栅中；第一个光纤布喇格光栅的透射光进入折射率 匹配液中，而其反射光经耦合器的第四个端臂进入第一个光电探测器中，而第二个光纤布 喇格光栅的透射光进入第二个光电探测器中；第一光电探测器和第二光电探测器的输出信 号进入信号放大器中，放大器的输出信号同时进入示波器和数据采集卡，经数据采集卡模 数转化后进入计算机中，被计算机处理和实时显示。所述的传感测量仪在测量溶液浓度时，长周期光纤光栅为传感元件，其裸光栅区 被浸入待测溶液中。所述第一个光纤布喇格光栅为普通的光纤布喇格光栅，被用作信号解调元件。所述第二个光纤布喇格光栅为经过温度补偿封装的光纤布喇格光栅。所述第一个光纤布喇格光栅也可作为溶液其它某个性能参量(例如温度)的传 感元件，并利用长周期光纤光栅作信号解调元件，实现溶液其它某种参量的测量。系统的传感元件和信号解调元件均为光纤元件，可实现溶液浓度(或其它某个参 量)的实时、动态测量。本发明提出利用布喇格光纤光栅作为长周期光纤光栅的谐振波长解调元件。在长 周期光栅的透射谱中，特定谐振损耗峰的强度下降边(或上升边)所包含的某一波长范围 内其光强度为线性(线性拟合误差在10-4量级)的减小(或增大)，利用这一点可实现长 周期光栅对宽带光源的调制，产生一个在某波长范围内强度为线性变化(下降或上升)的 光源。选择具有合适波长的布喇格光栅，使其中心波长λ B处于长周期光栅透射谱的线性 区范围内，并靠近线性区的中间位置，如图2所示。当长周期光纤光栅的波长被传感信号调 制时，布喇格光纤光栅的反射峰在透射谱线性区的相对位置发生变化，但其谱型不随被测 信号改变，则布喇格光纤光栅反射的绝对光功率将线性变化，因此光电探测器的光电流将 线性变化，这样可解调长周期光纤光栅的波长变化。这一原理与线性滤波器相似，但布喇格 光纤光栅相对于线性滤波器有两点明显优势速度快和代价小。有益效果(1)本实用新型实现的溶液浓度动态传感测量仪只需三支光纤光栅就能实现溶液 浓度(或溶液其它某个参量)的动态、实时、在线测量，并且不需要专门的波长检测设备，只 需要根据光电探测器的输出值就可以精确的计算出传感元件-长周期光纤光栅的损耗峰 值波长漂移量，从而得知被测溶液的浓度。(2)本实用新型利用长周期光纤光栅主损耗峰单边实现线性滤波功能，因此具有 线性滤波解调的解调速度快、无双值问题等；且采用部分信号光作为参考光，消除了由于光 源输出功率波动对波长解调造成的影响。(3)本实用新型具备传感元件和信号解调元件可转换功能使用的优点，即其信号 解调元件一光纤布喇格光栅一可作为溶液温度等其他参量测量时的传感元件；而溶液浓 度的传感元件一长周期光纤光栅一可作为溶液温度等其他参量传感的信号解调元件；因此该溶液浓度动态传感测量仪不但可用于溶液浓度的动态测量，也可用于溶液其他参量的 测量，可实现高性价比的光纤多参量传感器。(4)本实用新型全部由光纤和光纤无源器件构成，性能稳定可靠。所有元器件的工 艺水平都已非常成熟，制作方便可行，便于推动光纤光栅传感技术的产业化进程，可以广泛 用于各种领域。
图1是本实用新型传感系统示意图；图2是长周期光纤光栅透射谱和光纤布喇格光栅反射谱示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本 实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容 之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申 请所附权利要求书所限定的范围。如图1所示，本实用新型实现的可动态、实时测量溶液浓度的传感测量仪，其特征 构成是一宽带光源1的输出光经连接光纤2进入长周期光纤光栅3。长周期光纤光栅3的 透射光经光纤2和2X2的耦合器4的第一个端臂5进入耦合器4 而后其中一部分光经耦 合器4的第二个端臂6而进入第一个光纤布喇格光栅7，而另一部分光经光耦合器4的第 三个端臂8进入光隔离器9和第二个光纤布喇格光栅10中。光纤布喇格光栅7的透射光 进入折射率匹配液11中，而其反射光光分路器4的第四个端臂12进入第一个光电探测器 13中，而光纤布喇格光栅10的透射光进入第二个光电探测器14中。两个光电探测器13， 14的输出信号进入信号放大器15中，放大器15的输出信号分两路，一路经模数转化器16 被输入计算机17中，另一路信号进入示波器18中。而传感元件长周期光纤光栅3被浸入 待测溶液19中。在测量溶液浓度时，长周期光纤光栅3作传感元件，第一个光纤布喇格光栅7作为 解调元件，为普通的光纤布喇格光栅；第二个光纤布喇格光栅10为经过温度补偿封装的光 纤布喇格光栅，其中心波长不随温度的变化而漂移。也可将第一个光纤布喇格光栅作为传 感元件，将长周期光纤光栅用于信号解调元件，实现溶液温度等其他参量的测量。本实用新型实现的可动态、实时测量溶液浓度的传感测量仪，当测量溶液浓度时， 长周期光纤光栅被浸入待测溶液19中，在整个系统装置示意图中的位置如图1中所示的；本实用新型实现的可动态、实时测量溶液浓度的传感测量仪，所述的布喇格光栅7 和温度补偿封装的光纤布喇格光栅10，前者为信号解调光栅，而后者为信号参考光栅，两者 的布喇格中心波长、带宽、反射率等参数应匹配，且两者的布喇格中心波长应与长周期光纤 光栅主损耗峰的波长匹配。本实用新型实现的可动态、实时测量溶液浓度的传感测量仪，无论是测量溶液浓 度或溶液温度等任何一种参量，信号的传输过程是这样的宽带光源的输出光经长周期光 纤光栅3调制后，经2 X 2的耦合器后一部分进入光纤布喇格光栅7，而其中另一部分经隔离 器进入第二个光纤布喇格光栅10，光纤布喇格光栅7的反射光和光纤布喇格光栅10的透射光分别进入第一个光电探测器13和第二个光电探测器14，然后均进入信号放大器，最后进 行数据的处理和显示。本实用新型实现的可动态、实时测量溶液浓度的传感测量仪的信号解调原理关 于长周期光栅透射谱和布喇格光栅反射谱，如图2所示，虚线为布喇格光纤光栅7的反射 谱，实线为长周期光纤光栅的透射谱中的主损耗峰。主损耗峰的强度下降边(或上升边) 所包含的波长范围内其光强度为线性(线性拟合误差在10_4量级)的减小(或增大)，利 用这一点可实现长周期光栅对宽带光源的调制，产生一个在特定波长范围内强度为线性变 化(下降或上升)的光源(可参见图2中的最大损耗峰的单边光强变化)。经长周期光栅 调制后的光在所利用的波长范围内的光谱是线性的。使光纤布喇格光栅7具有合适的波长，使其中心波长λ Β处于长周期光纤光栅透 射谱的主损耗峰线性区范围内，并靠近线性区的中间位置，如图2所示。当测量溶液浓度 时，长周期光纤光栅3被浸入被测溶液中，当溶液浓度改变而其折射率随之线性改变时，长 周期光纤光栅3的损耗峰值波长被调制时，其峰值波长将发生漂移，即光谱线性区将会平 移，但其光谱形状不随被测信号改变；而光纤布喇格光栅7的中心波长不变，其与长周期光 纤光栅3损耗峰值波长的相对差值发生变化，即布喇格光纤光栅反射峰在光谱线性区的相 对位置发生变化，则反射的绝对光功率将线性变化，因此光电探测器的光电流将线性变化， 这样可解调长周期光纤光栅的峰值波长变化。这一原理与线性滤波器相似，但光纤解调元 件相对于线性滤波器有两点明显优势，即速度快和代价小。当测量溶液温度等其他参量时，布喇格光纤光栅7将作为传感元件，当温度变化 时，布喇格光纤光栅的中心波长λ B将线性改变，布喇格光栅中心波长与主损耗峰波长的 相对距离发生变化，即其反射峰在线性区的位置发生变化，则反射的绝对光功率将线性变 化。
权利要求一种溶液浓度动态测量仪，包括宽带光源(1)，光信号传输光纤(2)，长周期光纤光栅(3)，2×2的耦合器(4)，第一布喇格光纤光栅(7)，第二布喇格光纤光栅(10)，光隔离器(9)，第一光电探测器(13)，第二光电探测器(14)，折射率匹配液(11)，信号放大器(15)，示波器(16)，数据采集卡(17)，计算机(18)，其特征在于所述宽带光源(1)的输出光经传输光纤(2)进入长周期光纤光栅(3)，长周期光纤光栅(3)的透射光经耦合器(4)的第一个端臂(5)进入耦合器(4)，而后其中一部分光经耦合器(4)的第二个端臂(6)进入第一个光纤布喇格光栅(7)，而另一部分光经光耦合器(4)的第三个端臂(8)进入光隔离器(9)和第二个光纤布喇格光栅(10)中；第一个光纤布喇格光栅(7)的透射光进入折射率匹配液(11)中，而其反射光经耦合器(4)的第四个端臂(12)进入第一个光电探测器(13)中，而第二个光纤布喇格光栅(10)的透射光进入第二个光电探测器(14)中；第一光电探测器(13)和第二光电探测器(14)的输出信号进入信号放大器(15)中，放大器(15)的输出信号同时进入示波器(16)和经模数转化器(17)进入计算机(18)中，被计算机处理和实时显示。
2.根据权利要求1所述的一种溶液浓度动态测量仪，其特征在于，所述第一个光纤布 喇格光栅(7)为普通的光纤布喇格光栅，被用作信号解调元件。
3.根据权利要求1所述的一种溶液浓度动态测量仪，其特征在于，所述第二个光纤布 喇格光栅(10)为经过温度补偿封装的光纤布喇格光栅。
4.根据权利要求1所述的一种溶液浓度动态测量仪，其特征在于用所述第一个光纤 布喇格光栅(7)作为溶液性能参量包括温度参量的传感元件，并利用长周期光纤光栅(3) 作信号解调元件。
5.根据权利要求1所述的一种溶液浓度动态测量仪，其特征在于系统的传感元件和信 号解调元件均为光纤元件。
专利摘要本实用新型涉及一种溶液浓度动态测量仪，一宽带光源的输出光进入长周期光纤光栅，长周期光纤光栅的透射光经光纤耦合器进入两个光纤布喇格光栅。第一个光纤布喇格光栅作信号解调元件，其反射光由光电二极管接收，其透射光进入折射率匹配液中。第二个光纤布喇格光栅作信号参考元件，其反射光被光纤隔离器阻挡，其透射光进入第二个光电二极管中。长周期光纤光栅作传感元件，将长周期光纤光栅的裸光栅区浸入待测溶液中，根据长周期光纤光栅的损耗峰值波长漂移量，可得知被测溶液的浓度。本实用新型具有分辨率高、成本低、快速、简捷、实用的特点。
文档编号G02B6/02GK201637666SQ200920211268
公开日2010年11月17日 申请日期2009年10月23日 优先权日2009年10月23日
发明者余木火, 詹亚歌, 许毓敏 申请人:东华大学