光纖探頭和採用該光纖探頭的複合式液體光纖濃度計的製作方法

2023-05-19 12:42:56

專利名稱：光纖探頭和採用該光纖探頭的複合式液體光纖濃度計的製作方法
技術領域：
本發明涉及檢測設備，特別涉及一種光纖探頭和採用該光纖探頭的複合式液體光纖濃度計。
背景技術：
傳統的液體濃度測試有許多方法，包括阻抗法、電容法、超聲波聲納法、光學濁度法、色度測量法、以及近代發展起來的光學式工藝過程用濃度計。在以液體為主的各種產業的製造工藝過程中，傳統的光學式工藝過程用濃度計，包括元件和光學系統，是一個整體結構。一般說來，製造生產線的現場，往往由於溫度、溼度、粉塵等設備環境惡劣，因此，傳統的光學式工藝過程用濃度計的光學系統，就要求能經受住這些環境條件。把它安裝到製造生產線上時，就要在製造生產線與光學系統之間連接一個抽樣裝置，無法實現遠距離測試。所以，傳統的光學式工藝過程用濃度計維修保養困難，安裝費用高。另外，傳統的光學式工藝過程用濃度計會受電磁場影響，因此配線需特殊考慮。

發明內容
本發明的目的就是要克服現有技術的上述缺陷，提供一種光纖探頭和採用該光纖探頭的複合式液體光纖濃度計，其誤差小，可靠性高，不受電磁場、大電流和高溫的影響，探頭尺寸小，容易安裝和維護，可實現遠距離測試。為達上述目的，本發明提供的光纖探頭包括測杆，所述測杆的前端安裝有光纖傳感器，所述測杆的內腔中安裝有導光纖束、分纖盒、具有保護套的單芯光纖束、探測器和光源，所述光纖傳感器包括輸入光纖、輸出光纖和45°角稜鏡,所述45°角稜鏡位於所述測杆的外部，插入被測液體20中；所述輸入光纖與所述光源相連，所述輸出光纖依次經所述導光纖束、分纖盒、具有保護套的單芯光纖束與所述探測器相連，所述輸入光纖將光導入所述45°角稜鏡，所述輸出光纖自所述45°角稜鏡接受的折射光經所述探測器輸出測量電信號；所述光纖傳感器為2個，包括濃度傳感器和溫度傳感器，所述探測器包括濃度探測器和溫度探測器，所述光源包括雷射光源和LED光源，所述雷射光源用於所述濃度傳感器，所述LED光源用於所述溫度傳感器，所述溫度探測器的輸出光纖接收端面設有ASGA半導體材料層。本發明光纖探頭，其中所述雷射光源經光纖連接有第一光亮檢測器，所述LED光源經另一光纖連接有第二光亮檢測器，所述第一光亮檢測器和第二光亮檢測器的分別輸出各自的光亮檢測信號。本發明光纖探頭，其中所述雷射光源採用半導體雷射器，其波長為650波長nm，所述雷射電源設有光能控制電路，所述LED光源的波長為910nm。本發明光纖探頭，其中所述探測器採用矽光電池。本發明光纖探頭，其中在所述濃度傳感器中，所述45°角稜鏡替換為圓弧形光纖，所述圓弧形光纖位於所述測杆的外部，插入被測液體中，輸入光纖將光導入所述圓弧形光纖，輸出光纖自所述圓弧形光纖接受的反射光經所述濃度探測器輸出測量電信號。本發明光纖探頭，其中在所述濃度傳感器中，所述45°角稜鏡替換為裸光纖，所述裸光纖位於所述測杆的外部，插入被測液體中，輸入光纖將光導入所述裸光纖，輸出光纖自所述裸光纖接受的光經所述濃度探測器輸出測量電信號。為達上述目的，本發明提供的採用所述光纖探頭的複合式液體光纖濃度計，還包括與該光纖探頭相連的測試系統，所述測試系統包括與所述濃度探測器相連的第一放大器和與所述溫度探測器相連的第二放大器、與所述雷射光源相連的第一光亮檢測器和與所述LED光源相連的第二光亮檢測器，以及一 DSP處理器，所述第一放大器、第二放大器、第一光亮檢測器和第二光亮檢測器的輸出信號分別接至所述DSP處理器，所述DSP處理器連接有顯示器和輸出埠。本發明提供的複合式液體光纖濃度計，其中所述第一放大器連接有第一靈敏度調節器和第一零點調節器，所述第二放大器連接有第二靈敏度調節器和第二零點調節器。本發明光纖探頭和採用該光纖探頭的複合式液體光纖濃度計的優點是由於光纖是由玻璃或塑料製成，因而不怕液體或氣體的腐蝕。探頭尺寸小，而且由於光纖是柔性的，對被測液體或氣體的流阻很小，且光纖傳輸不受電磁場、大電流和高溫的影響，因此安全和可靠性好、誤差小、安裝和維護容易，配線不許特殊考慮。由於檢測端與主機是分離的，檢測端直接插入樣品就能進行測量，不需要特別的插樣裝置，能夠直接納入工藝過程生產線，實現了遠距離實時測量。因此，在以液體為主的各種產業的製造工藝過程中，不需要選擇特別的場所，在測試環境惡劣的場所，如高溫、高溼，遇到風雨的室外以及需要防爆的工藝過程的管道中都能使用。


圖I是光纖探頭的結構示意圖；圖2是光纖傳感器的結構示意圖；圖3是另一種光纖傳感器的結構示意圖；圖4是第三種光纖傳感器的結構不意圖；圖5是複合式液體光纖濃度計的方框圖；圖6是溫度傳感器的結構示意圖；圖7是雷射電源的光能控制電路圖；圖8是光亮檢測器的電路圖。
具體實施例方式光纖濃度傳感器的工作原理如下一束光從一種介質(折射率nl)入射到第二種介質(折射率n2)中，根據Snell定律，入射角eI與折射角0 2滿足如下關係式nlSin 0 1 = n2Sin 0 2----------(I)
與入射面平行和垂直的反射係數由Fresnel公式表示式(I)rp = -tg ( 0 I- 0 2) /tg ( 0 1+0 2)------------(2)rs = -Sin ( 0 1-0 2) /Sin ( 0 1+0 2)-----------(3)
光的反射率為
R= (rp2+rs2) 1/2---------(4)光的反射強度為IR = rp2Iop+rs2Ios------------(5)Io = Iop+Ios為入射光強,腳標p s分別代表偏振面與入射面相平行與垂直的分量。對於選定的光纖，其nl為定值、0 I也為定值，它接觸到不同折射率的液體時，由式⑴式n2 = nlSin0 I/0 2，對於式⑵(3)的0 2決定於n2。因此n2取不同的值，直接決定了 IR的值。微型光纖折射率濃度傳感器就是利用這種原理而設計的。下面結合附圖詳細說明本發明一種光纖探頭和採用該光纖探頭的複合式液體光纖濃度計的實施例。參照圖1，本發明提供的光纖探頭，在測杆的前端安裝有光纖傳感器1，測杆的內腔中安裝有導光纖束2、分纖盒3、具有保護套的單芯光纖束4、探測器和光源。結合參照圖2或圖6,光纖傳感器I包括輸入光纖31、輸出光纖33和45°角稜鏡32,45°角稜鏡32位於測杆的外部，光纖傳感器長度不超過50mm，插入被測液體20中採集濃度和溫度信號。輸入光纖31與光源相連，輸出光纖33依次經導光纖束2、分纖盒3、具有保護套的單芯光纖束4與探測器相連。輸入光纖31將光導入45°角稜鏡32,輸出光纖33由45°角稜鏡32接受的折射光經探測器輸出測量電信號。測杆信號傳輸部分的長度根據用戶需要而定，設計長度為2米，一般不超過4米。由於化合液體的生產現場存在溫度和濃度同時的狀態變化，所以，在本發明提供的光纖探頭的實施例中，利用大芯徑石英光纖構成濃度和溫度的複合傳感器，兩根光纖組成濃度傳感器，兩根光纖組成溫度傳感器，安裝在同一個探頭內。所以，光纖傳感器I為2個，包括濃度傳感器和溫度傳感器，分別採用如圖2和圖6所示的結構。探測器包括濃度探測器5和溫度探測器6，光源包括雷射光源7和LED光源8。雷射光源7用於濃度傳感器，米用半導體雷射器，其波長為650波長nm。LED光源8用於溫度傳感器，波長為910nm。探測器採用矽光電池。分纖盒3的輸出分為三束單芯光纖束4，都具有保護套管保護，一束單芯光纖束4與雷射光源7相連，另外兩束單芯光纖束4用於與濃度探測器5和溫度探測器6兩個探測器相連，兩個探測器將光信號轉換成電信號。在本發明提供的光纖探頭的實施例中，利用45°角稜鏡改變光的傳播方向，當稜鏡存在於空氣(空氣的折射率n0 = I)中時，光產生全反射。當稜鏡存在於不同的液體中時，由於其折射率不同，光就會產生折射，其折射光亮度大小與液體的折射率和液體的濃度成比例關係，從而實現對液體的濃度快速、精確的測量。參照圖6，溫度探測器6的輸出光纖33接收端面設有ASGA半導體材料層34。ASGA半導體材料層34為對溫度變化敏感的材料。在本發明提供的光纖探頭的另一實施例中，參照圖3，濃度傳感器的45°角稜鏡替換為圓弧形光纖12，圓弧形光纖12位於測杆的外部，插入被測液體20中。圓弧形光纖12由端面處理平整的兩根裸光纖緊靠在一起，經特殊工藝將端面加工成一個光滑的圓弧面。輸入光纖11將光導入圓弧形光纖12，光經過圓弧形光纖12時，按其固有特性分為反射光與折射光。折射光進入待測液體20，輸出光纖13自圓弧形光纖12接受反射光經濃度探測器5輸出測量電信號。在本發明提供的光纖探頭的又一實施例中，參照圖4，濃度傳感器的450角稜鏡替換為裸光纖22,裸光纖22位於測杆的外部,插入被測液體20中。輸入光纖21將光導入裸光纖22，由於裸光纖22浸入溶液20中時將要發生模式洩漏，也就是光纖與被測液體20產生互相耦合，光特性因液體不同的折射率而向外散射的光量不同，也即光損失量不同，由於被測液體20的光折射率高於空氣,光纖在液體和空氣中光洩漏量的不同,傳輸的光將變弱，這一變化量與液體的濃度值相關，輸出光纖23自裸光纖22接受的光經濃度探測器5輸出測量電信號。本發明提供的採用該光纖探頭的複合式液體光纖濃度計的實施例，安裝了兩個獨 立的光纖傳感器I成為一體的光纖探頭並構成測試系統。參照圖6，測試系統包括與濃度探測器5相連的第一放大器15和與溫度探測器6相連的第二放大器18、與雷射光源7相連的第一光亮檢測器9和與LED光源8相連的第二光亮檢測器10，以及一 DSP處理器19。第一放大器5、第二放大器15、第一光亮檢測器9和第二光亮檢測器10的輸出信號分別接至DSP處理器19，DSP處理器19連接有顯示器26和輸出埠 27。第一放大器5連接有第一靈敏度調節器16和第一零點調節器17，第二放大器15連接有第二靈敏度調節器24和第二零點調節器25。濃度探測器5和溫度探測器6所接受的兩個光信號轉換成電信號，經過放大器放大、靈敏度調節、零點調節後輸出的信號分別輸入到DSP處理器19進行數據處理。DSP處理器19包括A/D轉換和DSP數據處理模塊。雷射電源7設有光能控制電路28，參照圖7，是具有光能控制的半導體雷射器，當半導體雷射器的光功率提高時，被探測器PIN接受，它接受的光強越強，則在三極體2SA1015上的電壓降低，使三極體2SC1545的電流下降，因此半導體雷射器的光電流也下降，半導體雷射器的發光功率也下降，反之同樣。為了提高測量精度，直接從光源中引導出一束光進行光亮檢測。雷射光源7經光纖連接有第一光亮檢測器9，LED光源8經另一光纖連接有第二光亮檢測器10，第一光亮檢測器9和第二光亮檢測器10分別輸出各自的光亮檢測信號。參照圖8，第一光亮檢測器9由晶片電路TL072和AD620構成，接受由導光束返回的光，輸入到DSP處理器19進行數據處理，用以提高測量精度。為進行溫度檢測，還有一路由TL072和AD620組成的第二光亮檢測器10。上述電路均為已知技術，故不作詳述。本發明光纖探頭和採用該光纖探頭的複合式液體光纖濃度計優點如下I由於接觸液體的檢測端為光纖探頭，與主機之間是分離的，因而可實現遠距離測試，直接納入工藝過程生產線上進行實時測定。2由於是光學量，所以防爆、防電磁幹擾在測試環境惡劣的場所及需要防爆的工藝過程中都能使用。3由於檢測端直接插入樣品就能進行測定，而不需要特別的插樣裝置。探頭尺寸小，而且由於光纖是柔性的，不需要選擇特別的場所，高容易安裝。4光纖傳輸不受電磁場、大電流和高溫的影響，因此配線不許特殊考慮，安全可靠性高。上面所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的構思和範圍進行限定。在不脫離本發明設計構思的前提下，本領域普通人員對本發明的技術方案做出的各種變型和改進，均應落入到本發明的保護範圍，本發明請求保護的技術內容， 已經全部記載在權利要求書中。
權利要求
1.一種光纖探頭，包括測杆，其特徵在於所述測杆的前端安裝有光纖傳感器(1)，所述測杆的內腔中安裝有導光纖束(2)、分纖盒(3)、具有保護套的單芯光纖束(4)、探測器和光源，所述光纖傳感器(I)包括輸入光纖(31)、輸出光纖(33)和45°角稜鏡(32),所述45°角稜鏡(32)位於所述測杆的外部，插入被測液體(20)中；所述輸入光纖(31)與所述光源相連，所述輸出光纖(33)依次經所述導光纖束(2)、分纖盒(3)、具有保護套的單芯光纖束(4)與所述探測器相連，所述輸入光纖(31)將光導入所述45°角稜鏡(32)，所述輸出光纖(33)自所述45°角稜鏡(32)接受的折射光經所述探測器輸出測量電信號；所述光纖傳感器(I)為2個，包括濃度傳感器和溫度傳感器，所述探測器包括濃度探測器(5)和溫度探測器出)，所述光源包括雷射光源(7)和LED光源(8)，所述雷射光源(7)用於所述濃度傳感器，所述LED光源(8)用於所述溫度傳感器，所述溫度探測器(5)的輸出光纖(33)接收端面設有ASGA半導體材料層(34)。
2.根據權利要求I所述的光纖探頭，其特徵在於其中所述雷射光源(7)經光纖連接有第一光亮檢測器(9)，所述LED光源(8)經另一光纖連接有第二光亮檢測器(10)，所述第一光亮檢測器(9)和第二光亮檢測器(10)的分別輸出各自的光亮檢測信號。
3.根據權利要求2所述的光纖探頭，其特徵在於其中所述雷射光源(7)採用半導體雷射器，其波長為650波長nm，所述雷射電源(7)設有光能控制電路(28)，所述LED光源(8)的波長為910nm。
4.根據權利要求3所述的光纖探頭，其特徵在於其中所述探測器採用矽光電池。
5.根據權利要求3所述的光纖探頭，其特徵在於其中在所述濃度傳感器中，所述45°角稜鏡(32)替換為圓弧形光纖(12)，所述圓弧形光纖(12)位於所述測杆的外部，插入被測液體(20)中，輸入光纖(11)將光導入所述圓弧形光纖(12)，輸出光纖(13)自所述圓弧形光纖(12)接受的反射光經所述濃度探測器(5)輸出測量電信號。
6.根據權利要求3所述的光纖探頭，其特徵在於其中在所述濃度傳感器中，所述45°角稜鏡(32)替換為裸光纖(22)，所述裸光纖(22)位於所述測杆的外部，插入被測液體(20)中，輸入光纖(21)將光導入所述裸光纖(22)，輸出光纖(23)自所述裸光纖(22)接受的光經所述濃度探測器(5)輸出測量電信號。
7.採用權利要求1-6中任一所述的光纖探頭的複合式液體光纖濃度計，其特徵在於還包括與該光纖探頭相連的測試系統，所述測試系統包括與所述濃度探測器(5)相連的第一放大器(15)和與所述溫度探測器(6)相連的第二放大器(18)、與所述雷射光源(7)相連的第一光亮檢測器(9)和與所述LED光源⑶相連的第二光亮檢測器(10)，以及一 DSP處理器(19)，所述第一放大器(15)、第二放大器(18)、第一光亮檢測器(9)和第二光亮檢測器(10)的輸出信號分別接至所述DSP處理器(19)，所述DSP處理器(19)連接有顯示器(26)和輸出埠(27)。
8.根據權利要求7所述的複合式液體光纖濃度計，其特徵在於其中所述第一放大器(15)連接有第一靈敏度調節器(16)和第一零點調節器(17)，所述第二放大器(18)連接有第二靈敏度調節器(24)和第二零點調節器(25)。
全文摘要
一種光纖探頭，在測杆前端安裝有濃度傳感器和溫度傳感器，內腔中安裝有導光纖束、分纖盒、具有保護套的單芯光纖束、探測器和光源。傳感器包括輸入光纖、輸出光纖和45°角稜鏡。輸入光纖與光源相連，輸出光纖依次經導光纖束、分纖盒、具有保護套的單芯光纖束與探測器相連。輸入光纖將光導入45°角稜鏡，輸出光纖自45°角稜鏡接受的折射光經探測器輸出測量電信號。本發明還提供了採用該光纖探頭的複合式液體光纖濃度計，包括2個放大器和一DSP處理器，2個放大器的輸出信號分別接至DSP處理器進行數據處理。其優點是探頭尺寸小，光纖傳輸不受電磁場、大電流和高溫影響，安全可靠性高，安裝容易，可直接接入工藝生產線，實現了遠距離實時測量。
文檔編號G01D5/353GK102620760SQ201210097710
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月5日 優先權日2012年4月5日
發明者陳雲欽 申請人:陳雲欽