用於鹽度測量的光纖探頭及使用該光纖探頭的測量裝置製造方法

2023-05-31 21:01:46 1

用於鹽度測量的光纖探頭及使用該光纖探頭的測量裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於鹽度測量的光纖探頭以及使用該光纖探頭的測量裝置，特點是該光纖探頭包括光纖探針，光纖探針由第一光纖、長周期光纖光柵、第二光纖、布拉格光纖光柵和第三光纖組成，第一光纖的一端鍍設有金屬反射膜形成鍍金屬反射膜端頭，第一光纖的另一端、載有長周期光纖光柵的光纖、第二光纖、載有布拉格光纖光柵的光纖和第三光纖依次連接；優點是該光纖探頭總體結構簡單，製作方便，且其各部分光纖價格低廉、能夠適用的環境溫度和環境深度的範圍較廣，適合大規模生產；使用該光纖探頭的測量裝置組成方便，易於使用人員的操作；該測量裝置能夠實時、準確且大範圍獲得水體的鹽度、溫度和深度。
【專利說明】用於鹽度測量的光纖探頭及使用該光纖探頭的測量裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鹽度測量技術，尤其是一種用於鹽度測量的光纖探頭以及使用該光纖探頭的測量裝置。
【背景技術】
[0002]水體及食品中的鹽分作為度量成分指標的重要參數，近年來隨之出現了多種相關的技術測量手段。常用的技術手段包括電導率測鹽度、折射率測鹽度等，對應的也有可攜式電導率/鹽度/溫度測量儀和可攜式折射率/鹽度/溫度測量儀。目前，此類可攜式鹽度測量儀的測量對象單一，在測試水體鹽度的過程中，往往無法實現水溫及水的深度的同時測量，而需要加入其他的測量儀器進行補充測量，故而增加了測量流程和設備體量。
[0003]近年來，光纖光柵由於其穩定的物理性能、成熟的製作技術以及低廉的製作成本而逐漸廣泛地應用於工業【技術領域】等諸多領域，例如氣體監測、橋梁應力監測、折射率測量、化學成分測定等。目前應用較廣泛的光纖光柵主要有布拉格光纖光柵(Fiber BraggGrating,FBG)和長周期光纖光柵(Long Period Grating,LPG)。布拉格光纖光柵能夠有效的監測溫度、應力、形變等物理量；長周期光纖光柵由於其纖芯的傳輸膜與包層膜能夠相互幹涉，故能夠測量外界環境中的折射率和化學成分的變化，而液體中鹽度的變化恰會使其折射率值發生改變，故非常適用於水體中鹽度的測量。現有技術中也有基於布拉格光纖光柵的海水鹽度測量裝置，該海水鹽度測量裝置包括包層完好的布拉格光纖光柵FBGl和包層通過氫氟酸腐蝕的布拉格光纖光柵FBG2，FBGl對溫度敏感，且不受外界溶液折射率變化的影響，故用來測量溫度變化，FBG2則主要用來測量溶液折射率變化；通過對摺射率和鹽度的標定，就可以利用測量溶液折射率的辦法來測量溶液鹽度。這種利用布拉格光纖光柵來測量鹽度的裝置，雖然傳感結構簡單，能實現長距離、分布式的測量，然而由於腐燭後的光纖機械性能大大降低，在測量時會影響測量結果的準確性；此外，氫氟酸是一種對人類和自然環境都有較大危害的化學品，這就必然提高了對操作的安全性要求，使得操作過程複雜化，不僅降低了生產效率，也增大了生產成本。
[0004]另外，常用的鹽度測量儀器一般都直接對待測水體進行檢測，這就無法避免水體中泥沙、灰塵、浮遊微生物等的影響，導致檢測到鹽度數據與實際的海水或其它水體中的鹽度有偏差，故而如何有效的排除水體中其它環境因素的影響，就顯得非常重要。

【發明內容】

[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種用於鹽度測量的光纖探頭以及使用該光纖探頭的測量裝置，該測量裝置能夠實時、準確並大範圍地檢測水體或者溶液的鹽度和溫度。
[0006]本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為一種用於鹽度測量的光纖探頭，包括光纖探針，所述的光纖探針由第一光纖、長周期光纖光柵、第二光纖、布拉格光纖光柵和第三光纖組成，所述的第一光纖的一端鍍設有金屬反射膜形成鍍金屬反射膜端頭，所述的第一光纖的另一端、載有所述的長周期光纖光柵的光纖、所述的第二光纖、載有所述的布拉格光纖光柵的光纖和所述的第三光纖依次連接。
[0007]該光纖探頭還包括一個能夠進入水體並能夠濾除水體中的水生物及其它固體顆粒雜質的封裝套管，所述的光纖探針懸置在所述的封裝套管內，所述的封裝套管包括一端開口的透明管體、帶中心孔的密封蓋、第一隔離柵網，所述的透明管體的側壁上設置有若干個入水孔，所述的密封蓋與所述的透明管體的開口端密封連接，所述的第一隔離柵網包覆於所述的透明管體外並緊密覆蓋住全部入水孔，所述的第三光纖穿過所述的密封蓋的中心孔並與所述的密封蓋密封連接，所述的第一光纖、載有所述的長周期光纖光柵的光纖、所述的第二光纖、載有所述的布拉格光纖光柵的光纖和部分所述的第三光纖位於所述的透明管體內，且所述的鍍金屬反射膜端頭與所述的透明管體的密封端的內壁不相接觸。設置配套的封裝套管，通過第一隔離柵網能夠有效過濾水體中的浮遊生物、藻類以及砂礫類固體顆粒物質，並且能夠避免水生物對光纖探針的直接撞擊，同時保護自然水體及水生物免受斷裂光纖的影響，從而進一步提聞檢測精度。
[0008]所述的光纖探針的整體長度為5-lOcm，所述的第一光纖的長度不超過5cm，所述的第二光纖的長度不超過5cm。
[0009]所述的入水孔的孔徑為0.5cm-l.0cm，所述的第一隔離柵網為網孔數大於200目的不鏽鋼柵網。
[0010]所述的透明管體為透明塑料管或者透明玻璃管。
[0011]所述的密封蓋的中心孔內緊密安裝有用於固定所述的第三光纖的固定裝置，所述的密封蓋上還設置有與所述的透明管體的內腔相連通的排氣孔，所述的排氣孔的孔徑為
0.lmm-2mm，所述的排氣孔的外側設置有第二隔離柵網。固定裝置在固定第三光纖的同時也有利於保護第三光纖，防止斷裂，排氣孔的設置有利於透明管體內外氣壓平衡。
[0012]一種使用所述的用於鹽度測量的光纖探頭的測量裝置，包括放大自發輻射光源、光纖光譜儀、光環形器和光纖探頭，所述的光環形器具有三個埠，所述的光環形器的第一個埠與所述的放大自發輻射光源的輸出端連接，所述的光環形器的第二個埠與所述的第三光纖連接，所述的光環形器的第三個埠與所述的光纖光譜儀的輸入端連接。
[0013]所述的光環形器的第二個埠通過光纖跳線與所述的第三光纖的自由端連接，所述的光纖跳線與所述的光環形器的第二個埠連接的一端為FC光纖接口或者APC光纖接口。光纖跳線與光環形器的第二埠連接的一端設置為FC光纖接口或者APC光纖接口，方便於光纖探頭和光纖跳線的快速連接。
[0014]所述的光纖跳線的另一端與所述的第三光纖的自由端焊接，且焊接點處設置有用於保護焊接點以及焊接點附近的部分所述的第三光纖和部分所述的光纖跳線的保護裝置。
[0015]所述的保護裝置包括保護套管和加固金屬棒，所述的保護套管包覆在焊接點以及焊接點附近的部分所述的第三光纖和部分所述的光纖跳線外，所述的加固金屬棒設置在所述的保護套管內，焊接點附近的部分所述的第三光纖、焊接點、焊接點附近的部分所述的光纖跳線的同側壁均與所述的加固金屬棒緊密貼合，所述的加固金屬棒的長度為1.5-2cm，所述的加固金屬棒的截面直徑為1-2_。
[0016]與現有技術相比，本發明的優點在於:這種用於鹽度測量的光纖探頭包括光纖探針，該光纖探針由第一光纖、長周期光纖光柵、第二光纖、布拉格光纖光柵和第三光纖組成，其總體結構簡單，製作方便，且光纖探針中的各部分光纖價格低廉、能夠適用的環境溫度和環境深度的範圍較廣，適合大規模生產和大範圍運用；該用於鹽度測量的光纖探頭與放大自發輻射光源、光環形器、光纖光譜儀組成的測量裝置，組成方便，易於使用人員的操作；根據長周期光纖光柵對溫度的敏感性和布拉格光纖光柵對外界應力的敏感性，並結合裝置中的其他部件可以實時、準確且大範圍獲得水體的鹽度、溫度和深度，測試時直接將光纖探頭浸沒在待測水體中即可，操作過程簡單，且測試精度高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為實施例中光纖探針的結構示意圖；
圖2為實施例中測量裝置的組成示意圖；
圖3為實施例中封裝套管與光纖探針的封裝示意圖一；
圖4為實施例中封裝套管與光纖探針的封裝示意圖二；
圖5為實施例中驗證實驗的實驗裝置圖；
圖6a為實施例的驗證實驗中長周期光纖光柵的諧振峰峰谷在四組不同濃度鹽溶液中的變化；
圖6b為實施例的驗證實驗中長周期光纖光柵的諧振峰峰谷在濃度為4%的鹽溶液中的變化；
圖6c為實施例的驗證實驗中布拉格光纖光柵的諧振峰峰谷在濃度為4%的鹽溶液中的變化。
【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
[0019]如圖1和圖3所示，一種用於鹽度測量的光纖探頭，包括光纖探針I和一個能夠進入水體並能夠濾除水體中的水生物及其它固體顆粒雜質的封裝套管，光纖探針I由第一光纖11、長周期光纖光柵12、第二光纖13、布拉格光纖光柵14和第三光纖15組成，第一光纖11的一端鍍設有金屬反射膜形成鍍金屬反射膜端頭16，第一光纖11的另一端、載有長周期光纖光柵12的光纖、第二光纖13、載有布拉格光纖光柵14的光纖和第三光纖15依次連接。光纖探針I的整體長度為5cm，第一光纖11的長度為2cm。在此，光纖探針I中載有長周期光纖光柵12的光纖與載有布拉格光纖光柵14相焊接，焊接處形成第二光纖13，因此，第二光纖13的長度由載有長周期光纖光柵12的光纖與載有布拉格光纖光柵14來決定,在本實施例中，第二光纖13的長度為0.5cm。封裝套管包括一端開口的透明管體21、帶中心孔的密封蓋22、第一隔離柵網23。密封蓋22與透明管體21的開口端密封連接，透明管體21的側壁上設置有若干個入水孔(圖中未示出)，第一隔離柵網23包覆於透明管體21外並緊密覆蓋住全部入水孔，且透明管體21的側壁上的入水孔的孔徑為0.5cm-l.0cm0密封蓋22的中心孔內緊密安裝有用於固定第三光纖15的固定裝置，這裡固定裝置採用內徑為125μπι的FC陶瓷插芯24，光纖探針I穿過FC陶瓷插芯24後懸置在封裝套管內，其中第三光纖15穿過FC陶瓷插芯24並與密封蓋22密封連接，第一光纖11、載有長周期光纖光柵12的光纖、第二光纖13、載有布拉格光纖光柵14的光纖和部分第三光纖15位於透明管體21內，且所述的金屬反射膜端頭16與透明管體21的密封端的內壁不相接觸。[0020]在本實施例中，第一隔離柵網23採用網孔數為250目的不鏽鋼柵網；透明管體21為透明塑料管，在其他具體實際應用中也可以為透明玻璃管；密封蓋22上還設置有與透明管體21的內腔相連通的排氣孔25，排氣孔25的孔徑為0.且排氣孔25的外側設置有第二隔離柵網(圖中未示出)，其中第二隔離柵網和第一隔離柵網23—樣採用網孔數為250目的不鏽鋼柵網。在其他具體實際應用中，固定裝置也可以採用自製的夾具來緊密固定並保護第三光纖15。
[0021]如圖2所示，一種使用上述光纖探頭的測量裝置，包括放大自發輻射光源3、光纖光譜儀4、光環形器5和光纖探頭,光環形器5具有三個埠，光環形器5的第一個埠與放大自發輻射光源3的輸出端連接，光環形器5的第二個埠通過光纖跳線6與第三光纖15的自由端相焊接，光環形器5的第三個埠與光纖光譜儀4的輸入端連接。在此，放大自發輻射光源3和光環形器5均採用現有技術，光纖光譜儀4採用解析度在0.02nm及以上的各種應用於光纖監測的光纖光譜儀。光纖跳線6與光環形器5的第二個埠連接的一端為FC光纖接口，光纖跳線6的另一端與第三光纖15的自由端焊接，且焊接點處設置有用於保護焊接點以及焊接點附近的部分第三光纖15和部分光纖跳線6的保護裝置，在此，保護裝置如圖3所示，其包括橡膠保護套管7和加固金屬棒8，橡膠保護套管7包覆在焊接點以及焊接點附近的部分第三光纖15和部分光纖跳線6外，加固金屬棒8設置在橡膠保護套管7內，且焊接點附近的部分第三光纖15、焊接點、焊接點附近的部分光纖跳線6的同側壁均與加固金屬棒8緊密貼合,加固金屬棒8的長度為1.5cm,截面直徑為1.5_。
[0022]在其他實際應用中，光纖跳線與光環形器的第二個埠連接的一端也可以為APC光纖接口。另外，保護裝置也可採用如圖4給出的結構，其包括熱塑套管10和加固金屬棒8，熱塑套管10穿過密封蓋22的中心孔並包覆在自焊接點附近的光纖跳線6起至位於透明管體21內的部分第三光纖15外，熱塑套管10內設置有加固金屬棒8，加固金屬棒8與部分第三光纖15的側壁緊貼，加固金屬棒8的長度為1.0cm，截面直徑為1.5mm。由於熱塑套管10穿過密封蓋22的中心孔，因此不能採用圖3給出的固定裝置，在圖4中採用的固定裝置包括密封膠26，密封膠26塗覆在密封蓋22的兩端面與熱塑套管10的連接處，既起到固定作用，又能夠保證密封性。
[0023]為了驗證本實施例給出的用於鹽度測量的光纖探頭以及使用該光纖探頭的測量裝置的可行性和準確性，進行如下實驗:
實驗裝置如圖5所示，其包括夾持器91以及環境維持裝置，環境維持裝置包括恆溫水槽92、量筒93和升降臺94，恆溫水槽92放置在升降臺94上，裝有待測液體的量筒93放置在恆溫水槽92內。實驗時，光纖探頭通過夾持器91固定，且使得光纖探頭浸沒在待測液體內，再通過升降臺94調節恆溫水槽92和量筒93的位置，使得光纖探頭在位置基本保持不變的情況下插入待測液體內，同時保證每組實驗中封裝有光纖探頭浸沒在待測液體內的深度一致。
[0024]實驗一:將濃度為1%、2%、3%、4%的鹽溶液分別注入四支相同的量筒中，並在恆溫水槽的溫度一致的情況下，分別進行四組實驗。實驗時，開啟放大自發輻射光源和光纖光譜儀，然後將光纖探頭依次分別浸沒於濃度為I %、2%、3%、4%的鹽溶液中，此時通過光纖光譜儀中光譜曲線的變化，即可得到相同溫度下，鹽度與光譜對應的變化關係，圖6a給出了長周期光纖光柵的諧振峰峰谷在上述四組不同濃度鹽溶液中的變化。[0025]實驗二:調節恆溫水槽的溫度，將濃度為4%的鹽溶液依次分別升溫10°C、2(TC，再觀察光纖光譜儀中光譜曲線的變化，即可得到相同鹽度下，溫度與光譜對應的變化關係，圖6b給出了不同溫度下長周期光纖光柵的諧振峰峰谷在濃度為4%的鹽溶液中的變化，圖6c給出了不同溫度下布拉格光纖光柵的諧振峰峰谷在濃度為4%的鹽溶液中的變化。
[0026]上述實驗中，由圖6a、6b、6c可見，溶液的不同濃度、溫度變化均可反應為光譜的峰值或者谷值的變化，其中圖6a至圖6c中峰值波長的選取方式如下:布拉格光纖光柵採用反射峰的譜線中的波峰所在的3dB譜寬的中心波長，長周期光纖光柵採用反射峰的譜線中的波谷所在的3dB譜寬的中心波長。
[0027]由於溫度、鹽度和光譜移動存在如下關係:(I)溶液的溫度不變時，鹽度每增加0.1 %,折射率隨之增加2X10_4 ;(2)溶液的溫度在20 °C左右時，溫度每增加1°C，折射率隨之下降1X10_4 ;光譜移動與鹽度變化的計算公式為:Λ鹽度=(α X Δ λ?Ρ(；+β X Δ AFBeXlXl(T4) X2X10—4，式中，Δ鹽度為鹽度變化值，α為長周期光纖光柵的變化係數，表示使用的長周期光纖光柵的波長漂移量與折射率的關係常數；β為布拉格光纖光柵的變化係數，表示使用的布拉格光纖光柵的波長漂移量與溫度變化的關係常數；△ λ LPC表不長周期光纖光柵的光譜譜線移動值，△ λ FBG表不布拉格光纖光柵的光譜譜線移動值。因此，實際檢測中，在測試前或更換新的光纖探針後需將光纖探頭置於標定的溶液(即在20°C附近的已知溫度和鹽度的溶液)中進行定標，即獲得溫度的初始值，並在光纖光譜儀中分別得到長周期光纖光柵和布拉格光纖光柵的初始光譜譜線，再將光纖探頭放入待測水體中，從計算機中分析得到長周期光纖光柵與布拉格光纖光柵的光譜譜線移動，再通過光譜移動與鹽度變化的計算公式計算得到待測水體的實際鹽度值，而待測水體中的實際溫度值則通過布拉 格光纖光柵的光譜譜線的移動量與溫度的關係得到，所測得的溫度值反饋補償測量鹽度時因溫度變化引起的偏差。
[0028]由於光纖探頭中包括布拉格光纖光柵部分，且布拉格光纖光柵對外界應力變化敏感，因此可以通過在不同水深度下進行上述實驗，從而將不同應力數據與光譜數據進行標定，即可在實際海洋環境鹽度檢測的同時，對環境的水深度進行檢測。
【權利要求】
1.一種用於鹽度測量的光纖探頭，其特徵在於包括光纖探針，所述的光纖探針由第一光纖、長周期光纖光柵、第二光纖、布拉格光纖光柵和第三光纖組成，所述的第一光纖的一端鍍設有金屬反射膜形成鍍金屬反射膜端頭，所述的第一光纖的另一端、載有所述的長周期光纖光柵的光纖、所述的第二光纖、載有所述的布拉格光纖光柵的光纖和所述的第三光纖依次連接。
2.根據權利要求1所述的用於鹽度測量的光纖探頭，其特徵在於還包括一個能夠進入水體並能夠濾除水體中的水生物及其它固體顆粒雜質的封裝套管，所述的光纖探針懸置在所述的封裝套管內，所述的封裝套管包括一端開口的透明管體、帶中心孔的密封蓋、第一隔離柵網，所述的透明管體的側壁上設置有若干個入水孔，所述的密封蓋與所述的透明管體的開口端密封連接，所述的第一隔離柵網包覆於所述的透明管體外並緊密覆蓋住全部入水孔，所述的第三光纖穿過所述的密封蓋的中心孔並與所述的密封蓋密封連接，所述的第一光纖、載有所述的長周期光纖光柵的光纖、所述的第二光纖、載有所述的布拉格光纖光柵的光纖和部分所述的第 三光纖位於所述的透明管體內，且所述的鍍金屬反射膜端頭與所述的透明管體的密封端的內壁不相接觸。
3.根據權利要求1或2所述的用於鹽度測量的光纖探頭，其特徵在於所述的光纖探針的整體長度為5-lOcm，所述的第一光纖的長度不超過5cm，所述的第二光纖的長度不超過5cm。
4.根據權利要求2所述的用於鹽度測量的光纖探頭，其特徵在於所述的入水孔的孔徑為0.5cm-l.0cm，所述的第一隔離柵網為網孔數大於200目的不鏽鋼柵網。
5.根據權利要求4所述的用於鹽度測量的光纖探頭，其特徵在於所述的透明管體為透明塑料管或者透明玻璃管。
6.根據權利要求5所述的用於鹽度測量的光纖探頭，其特徵在於所述的密封蓋的中心孔內緊密安裝有用於固定所述的第三光纖的固定裝置，所述的密封蓋上還設置有與所述的透明管體的內腔相連通的排氣孔，所述的排氣孔的孔徑為0.1_-2_，所述的排氣孔的外側設置有第二隔離柵網。
7.一種使用權利要求1所述的用於鹽度測量的光纖探頭的測量裝置，其特徵在於包括放大自發輻射光源、光纖光譜儀、光環形器和光纖探頭，所述的光環形器具有三個埠，所述的光環形器的第一個埠與所述的放大自發輻射光源的輸出端連接，所述的光環形器的第二個埠與所述的第三光纖連接，所述的光環形器的第三個埠與所述的光纖光譜儀的輸入端連接。
8.根據權利要求7所述的使用用於鹽度測量的光纖探頭的測量裝置，其特徵在於所述的光環形器的第二個埠通過光纖跳線與所述的第三光纖的自由端連接，所述的光纖跳線與所述的光環形器的第二個埠連接的一端為FC光纖接口或者APC光纖接口。
9.根據權利要求8所述的使用用於鹽度測量的光纖探頭的測量裝置，其特徵在於所述的光纖跳線的另一端與所述的第三光纖的自由端焊接，且焊接點處設置有用於保護焊接點以及焊接點附近的部分所述的第三光纖和部分所述的光纖跳線的保護裝置。
10.根據權利要求9所述的使用用於鹽度測量的光纖探頭的測量裝置，其特徵在於所述的保護裝置包括保護套管和加固金屬棒，所述的保護套管包覆在焊接點以及焊接點附近的部分所述的第三光纖和部分所述的光纖跳線外，所述的加固金屬棒設置在所述的保護套管內，焊接點附近的部分所述的第三光纖、焊接點、焊接點附近的部分所述的光纖跳線的同側壁均與所述的加固金屬棒緊密貼合，所述的加固金屬棒的長度為1.5-2cm,所述的加固金屬棒的截面直徑為l_2m m。
【文檔編號】G01N21/01GK103743675SQ201310749537
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月30日 優先權日:2013年12月30日
【發明者】張斌, 陶衛東, 何如雙, 沈祥, 董建峰, 潘雪豐, 段天臣 申請人:寧波大學