專利名稱：一種溶液濃度動態測量儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬光纖光柵傳感測量技術領域，特別是涉及一種溶液濃度動態測量 儀。
背景技術：
光纖光柵作為一種光學器件，是在光纖中建立起一種空間折射率周期分布，使在 其中的光的傳播特性得以改變的器件。將長周期光纖光柵(LPG)的外包層剝掉以后，剩下內包層和纖芯的結構，被稱為 裸光纖，它不但具有一般LPG的特性，可吸收特定波長的光波，在其透射譜中出現數個諧振 吸收損耗峰；而且，當把它放入任意一種溶液或者氣體中時，它的折射率將隨著周圍環境濃 度的變化而發生變化，一旦折射率發生變化，那么它的透射譜也會發生變化，具體表現就是 透射譜中對應的吸收峰發生了偏移，折射率變化越大，偏移越大。因此，我們可以通過其某 個峰值波長的移動量△ Xuj求得LPG折射率的變化，進而求得LPG周圍環境的濃度。長周期光纖光柵的諧振峰中心波長移動量隨外界折射率的變化關系式如下 λ LP為初始諧振波長，Δ λ u為LPG耦合諧振峰中心波長的移動量，Δ nex為外界折 射率變化量，n。。、Iicd分別為基模和包層模的有效折射率。LPG的溶液濃度傳感測量原理就 是通過仿真計算和實驗的方法找到中括號內的折射率敏感系數，然后建立起外界折射率變 化Δ 與諧振峰中心波長移動量△ λ m的對應關系，再根據溶液濃度變化和折射率變化量 之間的關系，可得知被測溶液的濃度。再根據這些關系進行適當的定標，即可得到諧振峰中 心波長的漂移量與溶液濃度的一一對應關系。在光纖光柵傳感技術中，由于被測信號是波長編碼的，如何簡單、快速、精確的將 微小的波長移動量解調出來，是光纖光柵傳感至關重要的問題。為了解決此問題，研究人員 相繼開發了一些波長解調技術，主要有干涉解調技術、可調諧光源解調技術、可調諧濾波解 調技術、匹配濾波解調技術等。在上述解調方法中，干涉解調技術的測量范圍受限于干涉儀 的自由光譜范圍；可調諧光源解調技術信號檢測方便，分辨率高，但是光源難以制作，成本 較高；可調諧濾波解調技術的掃描周期長，測試速度慢，并且重復性差；匹配濾波解調技術 的解調范圍太小。由于上述缺點的存在，使得波長解調技術成為光纖光柵傳感技術應用的 主要障礙之一。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種可實時、動態測量溶液濃度的光纖光 柵傳感器，可實現溶液濃度等參量的動態高精度測量，并實現了較低成本的信號動態解調 技術。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種溶液濃度動態測量儀，包括寬帶光源，光信號傳輸光纖，長周期光纖光柵，2 X 2的耦合器，第一布喇格光纖光 柵，第二布喇格光纖光柵，光隔離器，第一光電探測器，第二光電探測器，折射率匹配液，信 號放大器，示波器，數據采集卡，計算機。所述寬帶光源的輸出光經傳輸光纖進入長周期光 纖光柵，長周期光纖光柵的透射光經耦合器的第一個端臂進入耦合器，而后其中一部分光 經耦合器的第二個端臂進入第一個光纖布喇格光柵，而另一部分光經光耦合器的第三個端 臂進入光隔離器和第二個光纖布喇格光柵中；第一個光纖布喇格光柵的透射光進入折射率 匹配液中，而其反射光經耦合器的第四個端臂進入第一個光電探測器中，而第二個光纖布 喇格光柵的透射光進入第二個光電探測器中；第一光電探測器和第二光電探測器的輸出信 號進入信號放大器中，放大器的輸出信號同時進入示波器和數據采集卡，經數據采集卡模 數轉化后進入計算機中，被計算機處理和實時顯示。所述的傳感測量儀在測量溶液濃度時，長周期光纖光柵為傳感元件，其裸光柵區 被浸入待測溶液中。所述第一個光纖布喇格光柵為普通的光纖布喇格光柵，被用作信號解調元件。所述第二個光纖布喇格光柵為經過溫度補償封裝的光纖布喇格光柵。所述第一個光纖布喇格光柵也可作為溶液其它某個性能參量(例如溫度)的傳 感元件，并利用長周期光纖光柵作信號解調元件，實現溶液其它某種參量的測量。系統的傳感元件和信號解調元件均為光纖元件，可實現溶液濃度(或其它某個參 量)的實時、動態測量。本發明提出利用布喇格光纖光柵作為長周期光纖光柵的諧振波長解調元件。在長 周期光柵的透射譜中，特定諧振損耗峰的強度下降邊(或上升邊)所包含的某一波長范圍 內其光強度為線性(線性擬合誤差在10-4量級)的減小(或增大)，利用這一點可實現長 周期光柵對寬帶光源的調制，產生一個在某波長范圍內強度為線性變化(下降或上升)的 光源。選擇具有合適波長的布喇格光柵，使其中心波長λ B處于長周期光柵透射譜的線性 區范圍內，并靠近線性區的中間位置，如圖2所示。當長周期光纖光柵的波長被傳感信號調 制時，布喇格光纖光柵的反射峰在透射譜線性區的相對位置發生變化，但其譜型不隨被測 信號改變，則布喇格光纖光柵反射的絕對光功率將線性變化，因此光電探測器的光電流將 線性變化，這樣可解調長周期光纖光柵的波長變化。這一原理與線性濾波器相似，但布喇格 光纖光柵相對于線性濾波器有兩點明顯優勢速度快和代價小。有益效果(1)本實用新型實現的溶液濃度動態傳感測量儀只需三支光纖光柵就能實現溶液 濃度(或溶液其它某個參量)的動態、實時、在線測量，并且不需要專門的波長檢測設備，只 需要根據光電探測器的輸出值就可以精確的計算出傳感元件-長周期光纖光柵的損耗峰 值波長漂移量，從而得知被測溶液的濃度。(2)本實用新型利用長周期光纖光柵主損耗峰單邊實現線性濾波功能，因此具有 線性濾波解調的解調速度快、無雙值問題等；且采用部分信號光作為參考光，消除了由于光 源輸出功率波動對波長解調造成的影響。(3)本實用新型具備傳感元件和信號解調元件可轉換功能使用的優點，即其信號 解調元件一光纖布喇格光柵一可作為溶液溫度等其他參量測量時的傳感元件；而溶液濃 度的傳感元件一長周期光纖光柵一可作為溶液溫度等其他參量傳感的信號解調元件；因此該溶液濃度動態傳感測量儀不但可用于溶液濃度的動態測量，也可用于溶液其他參量的 測量，可實現高性價比的光纖多參量傳感器。(4)本實用新型全部由光纖和光纖無源器件構成，性能穩定可靠。所有元器件的工 藝水平都已非常成熟，制作方便可行，便于推動光纖光柵傳感技術的產業化進程，可以廣泛 用于各種領域。
圖1是本實用新型傳感系統示意圖；圖2是長周期光纖光柵透射譜和光纖布喇格光柵反射譜示意圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例，進一步闡述本實用新型。應理解，這些實施例僅用于說明本 實用新型而不用于限制本實用新型的范圍。此外應理解，在閱讀了本實用新型講授的內容 之后，本領域技術人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申 請所附權利要求書所限定的范圍。如圖1所示，本實用新型實現的可動態、實時測量溶液濃度的傳感測量儀，其特征 構成是一寬帶光源1的輸出光經連接光纖2進入長周期光纖光柵3。長周期光纖光柵3的 透射光經光纖2和2X2的耦合器4的第一個端臂5進入耦合器4 而后其中一部分光經耦 合器4的第二個端臂6而進入第一個光纖布喇格光柵7，而另一部分光經光耦合器4的第 三個端臂8進入光隔離器9和第二個光纖布喇格光柵10中。光纖布喇格光柵7的透射光 進入折射率匹配液11中，而其反射光光分路器4的第四個端臂12進入第一個光電探測器 13中，而光纖布喇格光柵10的透射光進入第二個光電探測器14中。兩個光電探測器13， 14的輸出信號進入信號放大器15中，放大器15的輸出信號分兩路，一路經模數轉化器16 被輸入計算機17中，另一路信號進入示波器18中。而傳感元件長周期光纖光柵3被浸入 待測溶液19中。在測量溶液濃度時，長周期光纖光柵3作傳感元件，第一個光纖布喇格光柵7作為 解調元件，為普通的光纖布喇格光柵；第二個光纖布喇格光柵10為經過溫度補償封裝的光 纖布喇格光柵，其中心波長不隨溫度的變化而漂移。也可將第一個光纖布喇格光柵作為傳 感元件，將長周期光纖光柵用于信號解調元件，實現溶液溫度等其他參量的測量。本實用新型實現的可動態、實時測量溶液濃度的傳感測量儀，當測量溶液濃度時， 長周期光纖光柵被浸入待測溶液19中，在整個系統裝置示意圖中的位置如圖1中所示的；本實用新型實現的可動態、實時測量溶液濃度的傳感測量儀，所述的布喇格光柵7 和溫度補償封裝的光纖布喇格光柵10，前者為信號解調光柵，而后者為信號參考光柵，兩者 的布喇格中心波長、帶寬、反射率等參數應匹配，且兩者的布喇格中心波長應與長周期光纖 光柵主損耗峰的波長匹配。本實用新型實現的可動態、實時測量溶液濃度的傳感測量儀，無論是測量溶液濃 度或溶液溫度等任何一種參量，信號的傳輸過程是這樣的寬帶光源的輸出光經長周期光 纖光柵3調制后，經2 X 2的耦合器后一部分進入光纖布喇格光柵7，而其中另一部分經隔離 器進入第二個光纖布喇格光柵10，光纖布喇格光柵7的反射光和光纖布喇格光柵10的透射光分別進入第一個光電探測器13和第二個光電探測器14，然后均進入信號放大器，最后進 行數據的處理和顯示。本實用新型實現的可動態、實時測量溶液濃度的傳感測量儀的信號解調原理關 于長周期光柵透射譜和布喇格光柵反射譜，如圖2所示，虛線為布喇格光纖光柵7的反射 譜，實線為長周期光纖光柵的透射譜中的主損耗峰。主損耗峰的強度下降邊(或上升邊) 所包含的波長范圍內其光強度為線性(線性擬合誤差在10_4量級)的減小(或增大)，利 用這一點可實現長周期光柵對寬帶光源的調制，產生一個在特定波長范圍內強度為線性變 化(下降或上升)的光源(可參見圖2中的最大損耗峰的單邊光強變化)。經長周期光柵 調制后的光在所利用的波長范圍內的光譜是線性的。使光纖布喇格光柵7具有合適的波長，使其中心波長λ Β處于長周期光纖光柵透 射譜的主損耗峰線性區范圍內，并靠近線性區的中間位置，如圖2所示。當測量溶液濃度 時，長周期光纖光柵3被浸入被測溶液中，當溶液濃度改變而其折射率隨之線性改變時，長 周期光纖光柵3的損耗峰值波長被調制時，其峰值波長將發生漂移，即光譜線性區將會平 移，但其光譜形狀不隨被測信號改變；而光纖布喇格光柵7的中心波長不變，其與長周期光 纖光柵3損耗峰值波長的相對差值發生變化，即布喇格光纖光柵反射峰在光譜線性區的相 對位置發生變化，則反射的絕對光功率將線性變化，因此光電探測器的光電流將線性變化， 這樣可解調長周期光纖光柵的峰值波長變化。這一原理與線性濾波器相似，但光纖解調元 件相對于線性濾波器有兩點明顯優勢，即速度快和代價小。當測量溶液溫度等其他參量時，布喇格光纖光柵7將作為傳感元件，當溫度變化 時，布喇格光纖光柵的中心波長λ B將線性改變，布喇格光柵中心波長與主損耗峰波長的 相對距離發生變化，即其反射峰在線性區的位置發生變化，則反射的絕對光功率將線性變 化。
權利要求一種溶液濃度動態測量儀，包括寬帶光源(1)，光信號傳輸光纖(2)，長周期光纖光柵(3)，2×2的耦合器(4)，第一布喇格光纖光柵(7)，第二布喇格光纖光柵(10)，光隔離器(9)，第一光電探測器(13)，第二光電探測器(14)，折射率匹配液(11)，信號放大器(15)，示波器(16)，數據采集卡(17)，計算機(18)，其特征在于所述寬帶光源(1)的輸出光經傳輸光纖(2)進入長周期光纖光柵(3)，長周期光纖光柵(3)的透射光經耦合器(4)的第一個端臂(5)進入耦合器(4)，而后其中一部分光經耦合器(4)的第二個端臂(6)進入第一個光纖布喇格光柵(7)，而另一部分光經光耦合器(4)的第三個端臂(8)進入光隔離器(9)和第二個光纖布喇格光柵(10)中；第一個光纖布喇格光柵(7)的透射光進入折射率匹配液(11)中，而其反射光經耦合器(4)的第四個端臂(12)進入第一個光電探測器(13)中，而第二個光纖布喇格光柵(10)的透射光進入第二個光電探測器(14)中；第一光電探測器(13)和第二光電探測器(14)的輸出信號進入信號放大器(15)中，放大器(15)的輸出信號同時進入示波器(16)和經模數轉化器(17)進入計算機(18)中，被計算機處理和實時顯示。
2.根據權利要求1所述的一種溶液濃度動態測量儀，其特征在于，所述第一個光纖布 喇格光柵(7)為普通的光纖布喇格光柵，被用作信號解調元件。
3.根據權利要求1所述的一種溶液濃度動態測量儀，其特征在于，所述第二個光纖布 喇格光柵(10)為經過溫度補償封裝的光纖布喇格光柵。
4.根據權利要求1所述的一種溶液濃度動態測量儀，其特征在于用所述第一個光纖 布喇格光柵(7)作為溶液性能參量包括溫度參量的傳感元件，并利用長周期光纖光柵(3) 作信號解調元件。
5.根據權利要求1所述的一種溶液濃度動態測量儀，其特征在于系統的傳感元件和信 號解調元件均為光纖元件。
專利摘要本實用新型涉及一種溶液濃度動態測量儀，一寬帶光源的輸出光進入長周期光纖光柵，長周期光纖光柵的透射光經光纖耦合器進入兩個光纖布喇格光柵。第一個光纖布喇格光柵作信號解調元件，其反射光由光電二極管接收，其透射光進入折射率匹配液中。第二個光纖布喇格光柵作信號參考元件，其反射光被光纖隔離器阻擋，其透射光進入第二個光電二極管中。長周期光纖光柵作傳感元件，將長周期光纖光柵的裸光柵區浸入待測溶液中，根據長周期光纖光柵的損耗峰值波長漂移量，可得知被測溶液的濃度。本實用新型具有分辨率高、成本低、快速、簡捷、實用的特點。
文檔編號G02B6/02GK201637666SQ200920211268
公開日2010年11月17日 申請日期2009年10月23日 優先權日2009年10月23日
發明者余木火, 詹亞歌, 許毓敏 申請人:東華大學