基于無芯光纖內腔傳感的空氣鹽度監測裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及大氣環境監測領域中海洋環境空氣鹽度的監測和評估，為實現對海洋環境空氣鹽度高精度全天候的監測,本實用新型采用的技術方案是，基于無芯光纖內腔傳感的空氣鹽度監測裝置，包括泵浦源，所述泵浦源通過波分復用器WDM其中一個輸入端耦合進光路，所述波分復用器WDM有兩路輸入和一路輸出，輸出端鏈接摻鉺光纖EDF，所述摻鉺光纖EDF輸出端連接光纖隔離器ISO輸入端，所述光纖隔離器ISO輸出端連接傳感器，所述傳感器為單模?無芯?單模光纖SNS的結構，輸出端分別連接光譜分析儀OSA和波分復用器WDM另一個輸入端，形成環形腔。本實用新型主要應用于海洋環境空氣鹽度的監測和評估。
【專利說明】
基于無芯光纖內腔傳感的空氣鹽度監測裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及大氣環境監測領域中海洋環境空氣鹽度的監測和評估，涉及一種海洋環境空氣鹽度監測裝置及傳感方法，尤其是基于無芯光纖內腔傳感的空氣鹽度監測裝置。
【背景技術】
[0002]空氣鹽度定義為單位體積空氣中，溶解于空氣中水蒸氣的硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物等全部鹽類的質量。空氣鹽度是判定空氣質量的一項重要指標，尤其對以海洋及沿海地區為主的海洋環境的空氣鹽度監測尤為重要，對海洋作業、沿海地區居民身體健康等具有重要意義。海洋及沿海地區的空氣，由于海洋環境特有的高濕度和一系列海洋作用，使得海洋環境的空氣中存在大量水汽，甚至達到飽和，其空氣的濕度通常達到飽和。海面上空的水汽主要通過蒸發、海洋泡沫、海水飛濺等過程產生。上述過程會產生大量的小水滴，這些小水滴含鹽度很高，導致海洋環境空氣中漂浮著不同濃度的鹽分(尤其是出現海霧的時候)。空氣鹽度一直在影響著我們的生活、生產和工業，一方面，鹽是引起流感的誘發因素，因為鹽含量太多會導致唾液分泌減少，使病毒在口腔內有落腳之地，同時，鈉鹽滲透性高，口腔和咽喉部上皮細胞的防御能力會被抑制，易使流感病毒進入人體;另一方面，空氣鹽度直接影響了各種設備的耐久度。當鹽份沉降、附著或滲透在海洋環境使用的各種設備及其元件、部件、材料表面時，則會產生金屬腐蝕、材料衰老、降低電性能等現象。如果空氣鹽度過高，會導致金屬結構的耐久性極具下降，最后不可避免的導致結構塌陷。對海洋環境空氣鹽度高精度全天候的監測手段一直是海洋環境監測和評估的客觀需求。
[0003]近年來隨之出現了多種鹽度測量相關的技術手段。常用的技術手段包括電導率測鹽度、折射率測鹽度等，對應的也有便攜式電導率/鹽度/溫度測量儀和便攜式折射率/鹽度/溫度測量儀。但是，目前出現的測量鹽度的相關儀器，大多局限于水體中的鹽度監測，而忽略了海洋環境空氣鹽度監測的重要性。海洋環境空氣中的水汽往往達到飽和，和水體相比，折射率、吸收光譜等物理特性存在著巨大的區別，當前適用于水體鹽度測量的設備大多不能適用于海洋環境空氣鹽度的監測。中國發明專利201320889872.9公開了一種用于鹽度測量的光纖探頭。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，利用該探頭得到水體中的含鹽量。這個系統的缺點是，使用的光柵傳感器只能用于測量水體鹽度，無法檢測空氣鹽度的高低。另外，溫度交叉敏感較大，容易影響測量結果。當前的海洋環境空氣鹽度檢測方法較少，且存在諸多缺點，中國發明專利200910143602.1公開了一種海洋環境空氣鹽度的測定方法。該方法將采集后的海洋環境空氣樣品處理后得到樣品溶液，經過過濾，再將濾液蒸發至干，稱重。采用離子色譜儀分析樣品處理后的濾液中的離子含量，從而得到海洋環境空氣鹽度值。這種方法的缺點是，測量步驟繁復，人工參與環節較多，測量結果誤差大，而且這種方法不能進行實時快速監測。
[0004]近幾年，光纖傳感器在環境監測領域得到了快速發展。有源內腔傳感器將傳感器和信號傳輸集于一體，其靈敏度優于無源傳感器或者與其相當，其具有較大的輸出功率，便于測量，并且具有出色的遠程測量能力，同時其信噪比高，帶寬窄，體積小，測量精度高，可靠性高，耐腐蝕，抗電磁干擾，壽命長，便于實際工程應用，很適合用于空氣鹽度的長期監測。
[0005]綜上所述，海洋環境空氣鹽度的監測對海洋環境極其重要。目前沒有人提出在線、快速、定量、能夠監測海洋環境空氣鹽度含量的監測設備，且當前的海洋環境空氣鹽度檢測方法無法滿足生產和工業測量要求，實現一種能夠實時、定量、多點監測海洋環境空氣鹽度含量的傳感裝置及方法是該領域急需解決的問題。
【發明內容】
[0006]為克服現有技術的不足，針對目前缺少能夠快速、實時、定量、監測海洋環境空氣鹽度含量的技術與儀器這一現狀，本實用新型旨在提供一種基于無芯光纖的內腔傳感器裝置及方法，通過對空氣中折射率測量，實現對海洋環境空氣鹽度高精度全天候的監測。本實用新型采用的技術方案是，基于無芯光纖內腔傳感的空氣鹽度監測裝置，包括栗浦源，所述栗浦源通過波分復用器WDM其中一個輸入端耦合進光路，所述波分復用器WDM有兩路輸入和一路輸出，輸出端鏈接摻鉺光纖EDF，所述摻鉺光纖EDF輸出端連接光纖隔離器ISO輸入端，所述光纖隔離器ISO輸出端連接傳感器，所述傳感器為單模-無芯-單模光纖SNS的結構，所述傳感器輸出端接耦合器的輸入端，所述耦合器有一路輸入和兩路輸出，輸出端分別連接光譜分析儀OSA和波分復用器WDM另一個輸入端，形成環形腔。
[0007]所述栗浦源峰值工作波長范圍為970?985nm，輸出功率為90?650mW;所述波分復用器WDM工作波長1550/980nm。
[0008]所述摻鉺光纖EDF用作增益介質，所述光纖隔離器ISO工作波長為1550nm。
[0009]所述傳感器無芯光纖長度15cm，所述耦合器有一路輸入和兩路輸出，分光比為10:90 ο
[0010]所述光譜分析儀(OSA)工作波長范圍為1200nm?2400nm。
[0011 ]本實用新型的特點及有益效果是:
[0012]本實用新型利用無芯光纖結合內腔傳感定量測量環境折射率的方法，采用設計的單模-無芯-單模光纖(SNS)結構作為傳感器，在傳感系統中，SNS結構一方面作為濾波器，在激光器中起到選擇波長、抑制模式競爭的作用，另一方面作為傳感探頭，利用SNS結構的透射光譜對無芯光纖外界環境折射率敏感實現海洋環境空氣鹽度的傳感。第一，實現了一種全光纖、高精度、全天候監測海洋環境空氣鹽度含量的傳感裝置。第二，溫度交叉敏感小，減少了溫度對普通全光纖測量系統的影響。第三，克服了現有海洋環境空氣鹽度測量方法的測量步驟繁復，測量結果易受誤差影響，不能進行實時快速監測的缺點。
【附圖說明】
:
[0013]圖1是本實用新型所述傳感系統的結構示意圖；
[0014]圖2是傳感器結構示意圖；
[0015]圖3是系統典型輸出光譜及對應SNS結構的透射光譜圖；
[0016]附圖中，各標號所代表的部件例表如下:
[0017]1-栗浦源，2-波分復用器，3-摻鉺光纖，4-單模光纖，5-光纖隔離器，6_傳感器，7_耦合器，8-光譜分析儀，9-單模光纖包層，10-單模光纖纖芯，11-無芯光纖，①-波分復用器輸入端，②-波分復用器輸入端，③-親合器輸出端，④-親合器輸出端。
【具體實施方式】
[0018]本實用新型公開了一種基于無芯光纖內腔傳感的海洋環境空氣鹽度監測裝置及傳感方法，其技術方案如下:
[0019]—種基于無芯光纖內腔傳感的海洋環境空氣鹽度監測裝置及傳感方法，包括栗浦源，所述栗浦源通過波分復用器(WDM)其中一個輸入端耦合進光路，所述波分復用器(WDM)有兩路輸入和一路輸出，輸出端鏈接摻鉺光纖(EDF)，所述摻鉺光纖(EDF)輸出端連接光纖隔離器(ISO)輸入端，所述光纖隔離器(ISO)輸出端連接傳感器，所述傳感器為單模-無芯-單模光纖(SNS)的結構，所述傳感器輸出端接親合器的輸入端，所述親合器有一路輸入和兩路輸出，輸出端分別連接光譜分析儀(OSA)和波分復用器(WDM)另一個輸入端，形成環形腔。
[0020]所述栗浦源峰值工作波長范圍為970?985nm，輸出功率為90?650mW。
[0021 ] 所述波分復用器(WDM)有兩路輸入和一路輸出，工作波長1550/980nm。
[0022 ]所述摻鉺光纖(EDF)在系統中作為增益介質。
[0023]所述光纖隔離器(ISO)工作波長為1550nmo
[0024]所述傳感器為單模-無芯-單模光纖(SNS)的結構，無芯光纖長度15cm。
[0025]所述耦合器有一路輸入和兩路輸出，分光比為10:90。
[0026]所述光譜分析儀(OSA)工作波長范圍為1200nm?2400nm。
[0027]下面結合附圖和實施例進一步詳細說明本實用新型。
[0028]如圖1所示，本實用新型一種基于無芯光纖內腔傳感的海洋環境空氣鹽度監測裝置及傳感方法，包括設置有栗浦源I，所述栗浦源I通過波分復用器(WDM)2的波分復用器輸入端②耦合進光路，所述波分復用器(WDM)2有兩路輸入和一路輸出，輸出端鏈接摻鉺光纖(H)F)3，所述摻鉺光纖(EDF)3輸出端連接光纖隔離器(IS0)5輸入端，所述光纖隔離器(ISO)5輸出端連接傳感器6，所述傳感器6為單模-無芯-單模光纖(SNS)的結構，所述傳感器6輸出端接親合器7的輸入端，所述親合器7有一路輸入和兩路輸出，親合器輸出端③連接光譜分析儀(0SA)8，耦合器輸出端④連接波分復用器(WDM)2的波分復用器輸入端①，形成環形腔。回路中各元件之間用單模光纖4進行連接。
[0029]所述栗浦源1，峰值工作波長范圍為970?985nm，輸出功率為90?650mW，輸出功率控制在70 %以下，防止功率過大損壞系統器件。
[0030]所述波分復用器(WDM)2，選用有兩路輸入和一路輸出，工作波長1550/980nm。
[0031]所述摻鉺光纖(EDF)3，在系統中作為增益介質，長度根據吸收系數選擇，以便環形腔光纖激光器獲得足夠的增益。
[0032]所述單模光纖4，工作波長為1550nm，可控制接入的長度來優化腔長及腔內損耗參數。
[0033 ]所述光纖隔離器(I SO) 5，起控制腔內激光傳播方向的作用，工作波長為1550nm。
[0034]所述傳感器6，為單模-無芯-單模光纖(SNS)的結構，無芯光纖長度15cm，無芯光纖11的長度精確截取方法是:將無芯光纖11 一端切平與單模光纖4熔接，然后截取一段無芯光纖11，將無芯光纖11固定于光纖切割刀上，一起固定于三維調整架上，在讀數顯微鏡下找到上一步熔接位置，移動讀數顯微鏡和三維調整架水平位移，使光纖切割刀的刀口位于待切割點，切割后與單模光纖4，完成單模-無芯-單模光纖(SNS)結構的制作。無芯光纖11和部分與之相連的單模光纖4采用抗腐蝕、透氣性能較好的材料封裝作為傳感探頭，并在封裝材料上打出一系列小孔，以便空氣快速進入。
[0035]所述耦合器7，選用有一路輸入和兩路輸出，分光比為10:90，如圖1所示，分光比為1 %的耦合器輸出端③連接光譜分析儀(0SA) 8，分光比為90 %的耦合器輸出端④連接波分復用器(WDM)2的波分復用器輸入端①。在實際選用時，應盡量選用損耗小的耦合器。
[0036]所述光譜分析儀(0SA)8，工作波長范圍為1200nm?2400nm，波長精度:±0.05nm，波長分辨率:0.05?2nm，最大輸入功率:+20dBm。
[0037]本實用新型工作過程及原理:栗浦源I發出980nm的栗浦光通過波分復用器(WDM)2的波分復用器輸入端②耦合進光路，在增益介質摻鉺光纖(EDF)3內獲得足夠的增益，在環形腔內形成激光振蕩，通過一個光纖隔離器(IS0)5后，進入傳感器6結構。光經過傳感器6結構時，由于加入無芯光纖11的緣故會發生多模干涉，SNS(單模-無芯-單模)結構的透射光譜中具有周期性的特征峰。在傳感系統中，SNS結構一方面作為濾波器，在激光器中起到選擇波長、抑制模式競爭的作用，另一方面作為傳感探頭，利用SNS結構的透射光譜對無芯光纖11外界環境折射率敏感實現傳感。且由于無芯光纖的溫度靈敏度遠小于折射率靈敏度，溫度交叉敏感小。經過傳感器6最后通過耦合器7輸出激光，并利用光譜分析儀(OSA)S測量其輸出波長。當無芯光纖外界潮濕環境的空氣鹽度發生變化時，無芯光纖外界環境折射率發生變化，SNS結構的透射光譜發生偏移，其濾波特性發生變化，從而系統輸出的激光波長發生偏移，通過測量輸出波長可以實現潮濕的海洋環境中空氣鹽度的測量。
[0038]實施例:
[0039](I)首先根據已知空氣鹽度，對傳感裝置進行標定。具體標定方法如下:空氣鹽度值主要取決于大氣水分中硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物等鹽類的含量，一般沿海地區的空氣鹽度是0%。取所在地沿海地區空氣，并通過蒸發不同含鹽度的鹽水來制備多組相應含鹽度的空氣，定義所在地沿海地區的空氣鹽度值為0%。然后將傳感器6依次置于制備好的不同鹽度值的空氣中，通過光譜分析儀(OSA)S記錄不同鹽度值的空氣中，輸出激光的峰值波長。最后利用得到的多組空氣鹽度值與相應的峰值波長，擬合出峰值波長-空氣鹽度值曲線方程。由于這種標定方法屬于參考標定，基準完全取決于選取的沿海地區空氣鹽度，所以測量結果是以選取的沿海地區空氣鹽度為基準，在利用或分析測量結果時應結合選取的沿海地區空氣鹽度。
[0040](2)在測量位置發生長距離的變更時，或氣候、季節發生大差距的變化時，需要從新對本測量裝置進行標定，標定步驟如上。
[0041](3)進行測量時，將傳感器6放置在需要監測空氣鹽度的環境中，需要注意，在測量前要等待I?2min，以使待測環境空氣在傳感器周圍均勻分布。
[0042](4)打開電源，觀察光譜分析儀(OSA)S上環形腔激光器的輸出光譜，記錄輸出光譜的峰值波長。
[0043](5)將記錄的峰值波長帶入擬合好的峰值波長-空氣鹽度值曲線方程中，解得待測環境空氣鹽度值，并與選取的沿海地區空氣鹽度進行比較、分析，最后對待測環境空氣鹽度做出評價。這一步驟可通過軟件快速實現。
[0044](6)可將多個傳感器6均勻放置在待測環境中，通過多點對待測環境空氣鹽度進行整體監測。也可通過長時間觀測光譜分析儀(OSA)S上峰值波長的移動情況，分析待測區域空氣鹽度值的變化情況，實現實時監測。
[0045](7)實施例達到指標:濕度100%下含鹽量測量精度0.01M，測量誤差小于5%。
【主權項】
1.一種基于無芯光纖內腔傳感的空氣鹽度監測裝置，其特征是，包括栗浦源，所述栗浦源通過波分復用器WDM其中一個輸入端耦合進光路，所述波分復用器WDM有兩路輸入和一路輸出，輸出端鏈接摻鉺光纖EDF，所述摻鉺光纖EDF輸出端連接光纖隔離器ISO輸入端，所述光纖隔離器ISO輸出端連接傳感器，所述傳感器為單模-無芯-單模光纖SNS的結構，所述傳感器輸出端接耦合器的輸入端，所述耦合器有一路輸入和兩路輸出，輸出端分別連接光譜分析儀OSA和波分復用器WDM另一個輸入端，形成環形腔。2.如權利要求1所述的基于無芯光纖內腔傳感的空氣鹽度監測裝置，其特征是，所述栗浦源峰值工作波長范圍為970?985nm，輸出功率為90?650mW;所述波分復用器WDM工作波長1550/980nm。3.如權利要求1所述的基于無芯光纖內腔傳感的空氣鹽度監測裝置，其特征是，所述摻鉺光纖EDF用作增益介質，所述光纖隔離器ISO工作波長為1550nm。4.如權利要求1所述的基于無芯光纖內腔傳感的空氣鹽度監測裝置，其特征是，所述傳感器無芯光纖長度15cm，所述耦合器有一路輸入和兩路輸出，分光比為10:90。5.如權利要求1所述的基于無芯光纖內腔傳感的空氣鹽度監測裝置，其特征是，所述光譜分析儀OSA工作波長范圍為1200nm?2400nm。
【文檔編號】G01N21/41GK205426783SQ201620205809
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月17日
【發明人】徐德剛, 馮佳琛, 石嘉, 王與燁, 蘇耿華, 閆超, 嚴德賢, 姚建銓
【申請人】天津大學