一種基於雙光纖光柵的海水氯離子濃度測量裝置製造方法
2023-09-24 00:13:30 2
一種基於雙光纖光柵的海水氯離子濃度測量裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於雙光纖光柵的海水氯離子濃度測量裝置，包括殼體，所述殼體內部設置有溶液槽、所述殼體外表面上設置有與電路控制模塊連接的顯示板，所述電路控制模塊輸入端與光電探測模塊連接，其輸出端與所述雷射模塊連接，所述雷射模塊輸出端分別通過第一光纖光柵傳感器和第二光纖光柵傳感器與所述光電探測模塊輸入端連接，所述第二光纖光柵傳感器外表面設置有熱縮管，該裝置測量海水氯離子濃度準確性高，穩定性強，成本低、體積小，攜帶方便，適於大範圍推廣應用。
【專利說明】一種基於雙光纖光柵的海水氯離子濃度測量裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及光纖傳感【技術領域】的測量海水氯離子濃度裝置，尤其是一種基於雙光纖光柵的海水氯離子濃度測量裝置。
【背景技術】
[0002]海水中氯離子濃度的測量在海洋環境監測、石油、進出口貿易及軍事上的航道測量等諸多領域應用十分廣泛，尤其對近年來世界範圍內環境保護、水質資源的監測等方面，有著重要的研究價值和科學意義。海水鹽度是研究海洋漁業養殖、大洋環流、海洋動力學、降雨量、季節氣候預測及海洋資源的重要參數。傳統的海水氯離子濃度測量方法主要基於電化學方法，缺點是靈敏度低，操作繁瑣，測量不準確。
[0003]近年來，很多高校和研究所開展了關於光纖光柵在海水氯離子濃度測量方面的一些研究和應用，但由於光纖光柵對應變、溫度等多種因素極其敏感，並且傳統的光纖光柵傳感系統相關儀器十分昂貴，造成其工程應用具有一定難度。
[0004]中國專利200920293017.5公開了一種動態實時檢測液體濃度的裝置，該裝置的溶液濃度傳感器為裸長周期光纖光柵，用兩個光纖光柵通過級聯來提高測量精度，但沒有考慮到長周期光纖光柵傳感特性對溫度、應變極其敏感，在測量溶液濃度時，溶液溫度變化或者傳感器應力變化很微小也會造成較大的測量誤差，測得結果不穩定，易受環境溫度影響。
[0005]中國專利201220302291.6公開了一種利用光纖光柵測量化學溶液濃度的系統，該測量系統包括寬帶光源、光譜分析儀、光纖光柵傳感器等，寬帶光源及光譜分析儀價格十分昂貴，並且該系統結構複雜，體積龐大，搭建繁瑣，攜帶不方便，可移動性差，不利於需要到工業現場的測量。
[0006]綜上所述，現有的利用光纖光柵測量海水氯離子濃度的方法誤差較大，易受環境影響，儀器昂貴，系統龐大而且搭建複雜，不能滿足目前快速發展的工農業發展需求。
實用新型內容
[0007]針對現有技術存在的技術問題，本實用新型提供一種基於雙光纖光柵的海水氯離子濃度測量裝置，該裝置測量海水氯離子濃度準確性高，穩定性強，成本低、體積小，攜帶方便，適於大範圍推廣應用。
[0008]為了解決現有技術中存在技術問題，本實用新型採用如下技術方案實施:
[0009]一種基於雙光纖光柵的海水氯離子濃度測量裝置，包括殼體，所述殼體內部設置有溶液槽、所述殼體外表面上設置有與電路控制模塊連接的顯示板，所述電路控制模塊輸入端與光電探測模塊連接，其輸出端與所述雷射模塊連接，所述雷射模塊輸出端分別通過第一光纖光柵傳感器和第二光纖光柵傳感器與所述光電探測模塊輸入端連接，所述第二光纖光柵傳感器外表面設置有熱縮管。
[0010]所述第一光纖光柵傳感器與所述第二光纖光柵傳感器分別通過粘結層與所述溶液槽底部連接。
[0011 ] 所述雷射模塊還包括單波長雙路雷射器和電源電路。
[0012]所述光電探測模塊包括依次連接的光電探測二極體、IV轉換電路、放大電路、低通濾波電路，
[0013]所述低通濾波電路輸出端即為光電探測模塊的輸出信號。
[0014]所述電路控制模塊的核心控制器為STM32。
[0015]本實用新型有益效果:第一，本實用新型通過採用雙光纖光柵傳感器對海水中氯離子濃度進行測量的裝置，其中第一光纖光柵傳感器採用一根裸光柵作為檢測海水氯離子濃度的傳感器，第二光纖光柵傳感器採為一根外表面有熱縮管的傳感器，主要用於隔離溶液同時對光纖作溫度補償，從而減小溫度對傳感器的影響，克服傳統測量系統測量誤差大、保證了整個系統的穩定性。第二，本實用新型將兩根光纖光柵傳感器均使用502膠水固定於儀器底部待測海水溶液槽內以避免應力影響造成的測量誤差。第三，傳統測量系統使用光譜儀和寬帶光源通過測量光纖光柵的光譜來測量氯離子濃度，本實用新型採用測量光纖光柵的光功率的損耗實現氯離子濃度的測量，同時採用低成本的單波長雷射器作為光源，並利用光電二極體等元件搭建了低成本的光電探測電路測量光功率，克服了傳統測量系統相關儀器成本高、體積龐大、搭建繁瑣的缺點。第四，本實用新型結構簡單、攜帶方便，適合在工業生產中大範圍推廣使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新型結構示意圖。
[0017]圖2是本實用新型電路結構示意圖。
[0018]I一殼體2—溶液槽3—顯示板4一電路控制模塊5—光電探測模塊
[0019]6—雷射模塊7—第一光纖光柵傳感器8—第二光纖光柵傳感器81—熱縮管
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明:
[0021]如圖1，圖2所示，本實用新型提供一種基於雙光纖光柵的海水氯離子濃度測量裝置，包括殼體I，所述殼體內部設置有溶液槽2，所述殼體I外表面上設置有與電路控制模塊4連接的顯示板3，所述電路控制模塊4輸入端與光電探測模塊5輸出端連接，所述電路控制模塊4輸出端與所述雷射模塊6輸入端連接，所述雷射模塊6輸出端分別通過第一光纖光柵傳感器7和第二光纖光柵傳感器8與所述光電探測模塊5輸入端連接,所述第二光纖光柵傳感器8外表面設置有熱縮管81。所述第一光纖光柵傳感器7與所述第二光纖光柵傳感器8米用周期為600um的長周期光纖光柵,諧振峰在1550nm。所述第一光纖光柵傳感器7與所述第二光纖光柵傳感器8分別通過粘結層與所述溶液槽2底部連接。所述粘結層可以採用502膠，803膠、萬能膠進行粘結。在實際生產中，第一光纖光柵傳感器7用裸光柵作為檢測海水氯離子濃度的傳感器，第二光纖光柵傳感器8作為參考光纖進行溫度補償，其外表面米用熱縮管81與溶液隔離,第一光纖光柵傳感器7和第二光纖光柵傳感器8均使用502膠水固定於殼體I底部的溶液槽2內。需要注意的是，在使用502膠水、803膠水、萬能膠對第一光纖光柵傳感器7和第二光纖光柵傳感器8進行粘貼時，需要將第一光纖光柵傳感器7和第二光纖光柵傳感器8的兩端與溶液槽2粘結，同時，塗膠儘量遠離第一光纖光柵傳感器7和第二光纖光柵傳感器8的光柵區以免影響第一光纖光柵傳感器7和第二光纖光柵傳感器中8的傳感器的傳感特性。
[0022]所述雷射模塊6還包括單波長雙路雷射器和電源電路，所述雷射模塊6採用兩路雷射信號輸出，所輸出的雷射波長為1550nm，功率為10mW。所述雷射模塊6輸出端輸出雷射信號分別與第一光纖光柵傳感器7和第二光纖光柵傳感器8的輸入端連接。
[0023]所述光電探測模塊5包括依次連接的光電探測二極體、IV轉換電路、放大電路、低通濾波電路。光電二極體與IV轉換電路相連，IV轉換電路輸出端接放大電路輸入端，放大電路輸出端與低通濾波電路輸入端相連，低通濾波電路輸出端即為光電探測模塊的輸出信號。光電二極體可米用InGaAs型。
[0024]所述電路控制模塊4還包括核心控制器、外圍電路和顯示板3。所述電路控制模塊4採用的核心控制器為STM32，該模塊控制雷射模塊中雷射器的輸出，同時讀取光電探測模塊輸出端的模擬電壓值，計算得到海水氯離子濃度並顯示在顯示板3上，所述顯示板3由數碼管構成。所述電路控制模塊4為嵌入式系統電路控制板。
[0025]本實用新型實際工作原理:電路控制模塊4控制雷射模塊6輸出兩路波長為1550nm,功率為IOmW的雷射,雷射模塊6兩路輸出端分別與第一光纖光柵傳感器7和第二光纖光柵傳感器8的輸入端連接,第一光纖光柵傳感器7和第二光纖光柵傳感器8的長度均為IOcm,其中第一光纖光柵傳感器7為一根裸光柵,第二光纖光柵傳感器8外表面米用熱縮管81與溶液隔離。所述第一光纖光柵傳感器7和所述第二光纖光柵傳感器8輸出端分別與光電探測模塊5的輸入端相連，所述光電探測模塊5輸出模擬電壓信號傳送給所述電路控制模塊4，所述電路控制模塊4中的核心控制器採集模擬電壓信號並計算得到溶液濃度後將測量結果顯示在顯示板3上。在連接時，需要注意的是第一光纖光柵傳感器7和第二光纖光柵傳感器8的輸入端和輸出端需使用專用的光纖轉接件進行連接，主要避免因耦合問題造成過多的功率損耗。
[0026]本實用新型所依據的科學原理:本實用新型利用光纖光柵對外界環境折射率敏感的特性，雷射器輸出雷射進入光纖光柵傳感器，當光纖包層模與外界環境相互作用時，隨著外界溶液中氯離子濃度增大溶液折射率變大，光纖光柵的透射譜將向短波長方向偏移。如果測量固定波長下的光功率，固定波長下的光功率將隨著溶液氯離子濃度的增大而增大，並且呈近似線性關係。本實用新型採用單波長雷射器作為光源，利用光電二極體等元件搭建了高精度低成本的光電探測電路測量光功率，然後根據氯離子濃度與光功率的線性關係反演對應光功率下的溶液氯離子濃度。由於光纖光柵傳感器對應力和環境溫度也很敏感，所以引入另一根參考光纖光柵作溫度補償，並將光纖光柵傳感器用502膠粘住以減小應力影響。傳統裝置採用光纖光柵測濃度的系統，原理是採用測光譜圖，利用光譜圖中波峰波長的變化測量，基於這個原理需要用到儀器:光譜儀、寬帶光源，整個系統搭建起來龐大和繁瑣。本實用新型將測量波長偏移轉換為測量功率，採用低成本的儀器搭建了測量系統，從而使整個系統結構變得簡單，大大降低了成本。
[0027]本實用新型使用過程，測量時，將待測海水溶液倒入待測溶液槽2中，上電即可測量，氯離子濃度將會顯示在數碼管顯示板3上，需要注意是，為了避免誤損傳感器，待測溶液中應不含泥沙等大顆粒物質，如果含有應先將泥沙等大顆粒物濾除再倒入溶液槽2。並且，測量完畢後應及時將待測溶液倒出，以防長時間後海水中鹽分在測量裝置中形成鹽結晶。
[0028]以上參照附圖和實施例，對本實用新型進行了示意性描述，該描述沒有限制性。本領域的普通技術人員應能理解，在實際應用中，本實用新型中各部件的設置方式均可能發生某些改變，而其他人員在其啟示下也可能做出相似設計。需要指出的是，只要不脫離本實用新型的設計宗旨，所有顯而易見的改變及其相似設計，均包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於雙光纖光柵的海水氯離子濃度測量裝置，包括殼體，所述殼體內部設置有溶液槽、所述殼體外表面上設置有與電路控制模塊連接的顯示板，所述電路控制模塊輸入端與所述光電探測模塊連接，其輸出端與所述雷射模塊連接，其特徵在於，所述雷射模塊輸出端分別通過第一光纖光柵傳感器和第二光纖光柵傳感器與所述光電探測模塊輸入端連接，所述第二光纖光柵傳感器外表面設置有熱縮管。
2.根據權利要求1所述基於雙光纖光柵的海水氯離子濃度測量裝置，其特徵在於，所述第一光纖光柵傳感器與所述第二光纖光柵傳感器分別通過粘結層與所述溶液槽底部連接。
3.根據權利要求1所述基於雙光纖光柵的海水氯離子濃度測量裝置，其特徵在於，所述雷射模塊還包括單波長雙路雷射器和電源電路。
4.根據權利要求1所述基於雙光纖光柵的海水氯離子濃度測量裝置，其特徵在於，所述光電探測模塊包括依次連接的光電探測二極體、IV轉換電路、放大電路、低通濾波電路，所述低通濾波電路輸出端即為光電探測模塊的輸出信號。
5.根據權利要求1所述基於雙光纖光柵的海水氯離子濃度測量裝置，其特徵在於，所述電路控制模塊的核心控制器為STM32。
【文檔編號】G01N21/41GK203643331SQ201320894200
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月30日 優先權日:2013年12月30日
【發明者】徐德剛, 石嘉, 徐偉, 嚴德賢, 姚建銓, 苗銀萍, 孫佔鵬 申請人:天津大學