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专利名称：一种利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，属于化学溶液浓度测量技术领域。
背景技术：
浓度是表征溶液特性的主要参量之一，同时是工农业生产和科学研究实验中一项重要的计量参数。物质的许多物理和化学性质均易受浓度的影响，浓度过高或者过低都会对产品的质量产生影响。传统的浓度测量方法易受电磁干扰且结构复杂，不能满足易燃易爆、腐蚀性强等场合的一些较高精度在线测量。近年来，长周期光纤光栅在浓度测量方面有一些研究应用，但由于长周期光纤光栅对光纤弯曲和放置状态十分敏感，本身的温度交叉敏感性较高，以及多峰值、带宽大和高阶包层模传输特性较不稳定的工作方式限制了其复用能力和应用领域，比如长周期光纤光栅传感器理论上可以实现在线监测，但其多峰值、带宽大和高阶包层模传输特性较不稳定的局限，使得实现多点准分布式的测量具有一定的难度。中国专利200920211268. 4公开了一种溶液浓度动态测量仪，该溶液浓度动态测量仪是采用裸长周期光纤光栅作为敏感元件的浓度传感器，长周期光纤光栅本身具有对外界溶液折射率敏感的特性，而且其外部没有保护结构，容易受到外界应力的影响，测得的溶液浓度的准确性较低。中国专利200610052880. 2公开了基于光纤布拉格光栅的甲烷浓度传感的方法和设备，其测量原理是通过FBG (FBG即光纤布拉格光栅)传感器贴近甲烷催化氧化元件位置，当FBG所处环境甲烷浓度发生变化时，催化元件将甲烷浓度变化转变为温度变化，光纤纤芯层的有效折射率因此发生变化，导致FBG反射中心波长发生漂移，虽然温度和应变是光纤光栅能够直接感测的两个最基本的物理量，但是其对外界溶液浓度并不敏感，因此无法实现溶液的准确测量。中国专利201020256618. I公开了一种基于光纤布拉格光栅的折射率传感器,其利用氢氟酸腐蚀的方法去除布拉格光栅的外包层，使光纤光栅对溶液浓度敏感。由于氢氟酸具有较强的腐蚀性，因此使用该方法危险性较大，并且采用裸光纤光栅，没有封装，其机械强度低，容易损坏。综上所述，现有的利用光纤光栅测量化学溶液浓度的方法危险性较大、无法实现在线、准确的测量，不能满足目前快速发展的工农业发展需求。

实用新型内容本实用新型的目的在于，提供一种利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，它可以有效解决现有技术存在的问题，特别是利用光纤光栅测量化学溶液浓度无法实现在线、准确的测量化学溶液浓度的问题。为解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案一种利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，包括宽带光源、光纤隔离器、耦合器、FBG传感器、光谱分析仪和计算机控制端，光纤隔离器分别与宽带光源和耦合器连接，耦合器分别与FBG传感器和光谱分析仪连接，光谱分析仪与计算机控制端连接；所述的FBG传感器的外部设有圆柱形光纤光栅封装结构，光纤光栅封装结构的上下端使用环氧树脂对FBG传感器施加预应力并密封。光谱分析仪与计算机控制端通过RS232串口建立通信，通过开发上位机控制界面控制光谱分析仪来执行各个动作，取代了对光谱分析仪面板的手动操作；计算机控制端通过利用FBG传感器具有的信息传感和传输的双重功能，实现了较远距离的浓度检测。前述的利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统中，所述的光纤光栅封装结构包括试管，试管上部的侧壁上设有注水管，试管的底部设有出水管，出水管上设有橡胶塞；所述的FBG传感器包括浓度敏感FBG，浓度敏感FBG设于试管内，光纤贯穿于试管并设于浓度敏感FBG的两端，试管的两端使用环氧树脂对浓度敏感FBG施加预应力并密封。所述的注水管的一端延伸到试管中，并且其末端连接有挡板，从而避免浓度敏感FBG所受的溶液压力不均匀，影响其测量的准确性。前述的利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统中，所述的浓度敏感FBG还包括带涂覆层FBG，带涂覆层FBG设于浓度敏感FBG的上端与光纤之间，从而消除溶液浓度测量中温度对浓度敏感FBG的交叉敏感影响。前述的利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统中，所述的宽带光源采用ASE宽带光源，ASE宽带光源的输出功率高、响应速度快、输出光谱稳定、工作寿命长以及易于和光纤之间进行稱合；光纤隔离器米用1550nm光纤隔离器,可有效抑制反向光,使传输光具有不可逆性；耦合器采用3dB耦合器，3dB耦合器起着分束与聚合光信号的双重作用，是目前光纤光栅光传输过程中的常用器件；试管采用PMMA试管，PMMA试管化学性质稳定，具有较强的抗酸碱腐蚀性，且机械强度高，是迄今为止性质最优异的合成透明材料；浓度敏感FBG采用SMF-28TM类型光纤光栅，SMF-28TM类型光纤光栅是目前最为常用的单模光纤布拉格光
栅，易于加工且满足实用要求，其具体参数如下 = I. 46810, =1.46281，纤芯直径为
2a=8· 3芦f|,光栅Bragg波长为= 1550 ,光栅周期为赢=528. 93灣顯。前述的利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统中，所述的宽带光源采用上海瀚宇光纤通信技术有限公司提供的型号为SL3204-1550的宽带光源；光纤隔离器采用瀚宇光纤通信技术有限公司的1550nm光纤隔离器；耦合器采用瀚宇光纤通信技术有限公司的SC-I X 2耦合器；浓度敏感FBG采用康宁公司的型号为SMF-28TM类型的光纤；光谱分析仪米用 Yokogawa Electric Corporation 公司的 AQ6370 光谱分析仪。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点本实用新型通过在FBG传感器的外部设有圆柱形光纤光栅封装结构，不仅可以保护FBG传感器，还可以避免温度应变交叉敏感对测量结果的影响，同时结合浓度敏感FBG本身具有测量灵敏度高、抗电磁干扰等特点及耦合器、光谱分析仪等设备，从而实现了对溶液浓度的在线、准确、实时采集和远程控制。另外，本实用新型中，注水管的一端延伸到试管中，并且其末端连接有挡板，从而避免浓度敏感FBG所受的溶液压力不均匀，影响其测量的准确性。所述的浓度敏感FBG的上端与光纤之间还设有消除溶液浓度测量中温度对浓度敏感FBG的交叉敏感影响的带涂覆层FBG，使得最终的测量结果更加准确。以测量蔗糖溶液浓度为例，当纤芯半径减小a=3. 6um时，该浓度传感器的最大灵敏度达O. 9025nm/c%，最大浓度分辨率达O. 012%，与现有的测量方案相比，其准确度提高了近一个数量级。
图I是本实用新型的一种实施例的结构示意图；图2是带有光纤光栅封装结构的FBG传感器的结构示意图。附图标记1-宽带光源，2-耦合器，3- FBG传感器，4-光谱分析仪，5-计算机控制端，6-浓度敏感FBG，7-带涂覆层FBG，8-光纤光栅封装结构，9-试管，10-注水管，11-出水管，12-光纤隔离器，13-橡胶塞，15-挡板。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步的说明。
具体实施方式
本实用新型的实施例I :一种利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，如图I所示，包括宽带光源I、光纤隔离器12、耦合器2、FBG传感器3、光谱分析仪4和计算机控制 端5，光纤隔离器12分别与宽带光源I和耦合器2连接，耦合器2分别与FBG传感器3和光谱分析仪4连接，光谱分析仪4与计算机控制端5连接，所述的FBG传感器3的外部设有圆柱形光纤光栅封装结构8，光纤光栅封装结构8的上下端使用环氧树脂对FBG传感器3施加预应力并密封。光谱分析仪4与计算机控制端5通过RS232串口建立通信，通过开发上位机控制界面控制光谱分析仪4来执行各个动作，取代了对光谱分析仪4面板的手动操作；计算机控制端5通过利用FBG传感器3具有的信息传感和传输的双重功能，实现了较远距离的浓度检测。所述的光纤光栅封装结构8(如图2所示)包括试管9，试管9上部的侧壁上设有注水管10，试管9的底部设有出水管11，出水管11上设有橡胶塞13 ;所述的FBG传感器3包括浓度敏感FBG6，浓度敏感FBG6设于试管9内，光纤贯穿于试管9并设于浓度敏感FBG6的两端，试管9的两端使用环氧树脂对浓度敏感FBG6施加预应力并密封。所述的注水管的一端延伸到试管中，并且其末端连接有挡板15，从而避免浓度敏感FBG6所受的溶液压力不均匀，影响其测量的准确性。光纤光栅封装结构8的尺寸可采用试管9长80mm，宽19. 2mm，注水管10设于距离试管9顶端12mm的位置，出水管11宽5mm，浓度敏感FBG6和带涂覆层FBG7长度均为10mm，两端的光纤的长度分别为30mm。实施例2 :—种利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，包括宽带光源I、光纤隔离器12、耦合器2、FBG传感器3、光谱分析仪4和计算机控制端5，光纤隔离器12分别与宽带光源I和耦合器2连接，耦合器2分别与FBG传感器3和光谱分析仪4连接，光谱分析仪4与计算机控制端5连接，所述的FBG传感器3的外部设有圆柱形光纤光栅封装结构8，光纤光栅封装结构8的上下端使用环氧树脂对FBG传感器3施加预应力并密封。实施例3 :—种利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，包括宽带光源I、光纤隔离器12、耦合器2、FBG传感器3、光谱分析仪4和计算机控制端5，光纤隔离器12分别与宽带光源I和耦合器2连接，耦合器2分别与FBG传感器3和光谱分析仪4连接，光谱分析仪4与计算机控制端5连接，所述的FBG传感器3的外部设有圆柱形光纤光栅封装结构8，光纤光栅封装结构8的上下端使用环氧树脂对FBG传感器3施加预应力并密封。[0024]所述的光纤光栅封装结构8包括试管9，试管9上部的侧壁上设有注水管10，试管9的底部设有出水管11，出水管11上设有橡胶塞13 ;所述的FBG传感器3包括浓度敏感FBG6，浓度敏感FBG6设于试管9内，光纤贯穿于试管9并设于浓度敏感FBG6的两端，试管9的两端使用环氧树脂对浓度敏感FBG6施加预应力并密封。实施例4 :一种利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，包括宽带光源I、光纤隔离器12、耦合器2、FBG传感器3、光谱分析仪4和计算机控制端5，光纤隔离器12分别与宽带光源I和耦合器2连接，耦合器2分别与FBG传感器3和光谱分析仪4连接，光谱分析仪4与计算机控制端5连接，所述的FBG传感器3的外部设有圆柱形光纤光栅封装结构8，光纤光栅封装结构8的上下端使用环氧树脂对FBG传感器3施加预应力并密封。所述的光纤光栅封装结构8包括试管9，试管9上部的侧壁上设有注水管10，试管 9的底部设有出水管11，出水管11上设有橡胶塞13 ;所述的FBG传感器3包括浓度敏感FBG6，浓度敏感FBG6设于试管9内，光纤贯穿于试管9并设于浓度敏感FBG6的两端，试管9的两端使用环氧树脂对浓度敏感FBG6施加预应力并密封。所述的宽带光源I采用上海瀚宇光纤通信技术有限公司提供的型号为SL3204-1550的宽带光源；光纤隔离器12采用瀚宇光纤通信技术有限公司的1550nm光 线隔离器；耦合器2采用瀚宇光纤通信技术有限公司的SC-1X2耦合器；浓度敏感FBG6采用康宁公司的型号为SMF-28TM类型的光纤；光谱分析仪4采用Yokogawa ElectricCorporation公司的AQ6370光谱分析仪。实施例5 :—种利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，包括宽带光源I、光纤隔离器12、耦合器2、FBG传感器3、光谱分析仪4和计算机控制端5，光纤隔离器12分别与宽带光源I和耦合器2连接，耦合器2分别与FBG传感器3和光谱分析仪4连接，光谱分析仪4与计算机控制端5连接，所述的FBG传感器3的外部设有圆柱形光纤光栅封装结构8，光纤光栅封装结构8的上下端使用环氧树脂对FBG传感器3施加预应力并密封。所述的光纤光栅封装结构8包括试管9，试管9上部的侧壁上设有注水管10，试管9的底部设有出水管11，出水管11上设有橡胶塞13 ;所述的FBG传感器3包括浓度敏感FBG6，浓度敏感FBG6设于试管9内，光纤贯穿于试管9并设于浓度敏感FBG6的两端，试管9的两端使用环氧树脂对浓度敏感FBG6施加预应力并密封。所述的浓度敏感FBG6的上端与光纤之间还设有消除溶液浓度测量中温度对浓度敏感FBG6的交叉敏感影响的带涂覆层FBG7，即温度补偿FBG。实施例6 :—种利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，包括宽带光源I、光纤隔离器12、耦合器2、FBG传感器3、光谱分析仪4和计算机控制端5，光纤隔离器12分别与宽带光源I和耦合器2连接，耦合器2分别与FBG传感器3和光谱分析仪4连接，光谱分析仪4与计算机控制端5连接，所述的FBG传感器3的外部设有圆柱形光纤光栅封装结构8，光纤光栅封装结构8的上下端使用环氧树脂对FBG传感器3施加预应力并密封。所述的光纤光栅封装结构8包括试管9，试管9上部的侧壁上设有注水管10，试管9的底部设有出水管11，出水管11上设有橡胶塞13 ;所述的FBG传感器3包括浓度敏感FBG6，浓度敏感FBG6设于试管9内，光纤贯穿于试管9并设于浓度敏感FBG6的两端，试管9的两端使用环氧树脂对浓度敏感FBG6施加预应力并密封。所述的宽带光源I采用ASE宽带光源，光纤隔离器12采用1550nm光纤隔离器，耦合器2采用3dB耦合器，试管9采用PMMA试管，浓度敏感FBG6采用SMF-28TM类型光纤光栅。本实用新型的一种实施例的工作原理将待测溶液通过试管9上的注水管10加入试管9中，注水管10的延伸到试管9中的一端连接有挡板15，因而待测溶液垂直落入试管9底部。测试完毕后，将溶液通过出水管11排出，并用橡胶塞13封闭出水管11。测试过程中，宽带光源I发出的宽带光经光纤隔离器12进入耦合器2进行分离；采用双FBG单端光刻法减小光纤光栅的包层或纤芯半径，形成FBG传感器3 ;光波倏逝场从FBG传感器3中透射出来直接与溶液发生作用，具体为浓度敏感FBG6与待测溶液接触，浓度敏感FBG6对溶液敏感，因而其反射光的波长发生变化，反射光经消除温度影响的温度补偿FBG，即带涂覆层FBG7，及光纤7后传输到耦合器2，再经耦合器2输入到光谱分析仪4 ;光谱分析仪4分析测量光纤光栅波长的变化信息，并将该数据信息发送到计算机控制端5进行解调、分析处理，实现对溶液浓度的实时采集。其中，光谱分析仪4与计算机控制端5通过RS232串口建立通信，通过开发上位机控制界面控制光谱分析仪4执行各个动作，取代了对光谱分析仪4面板的手动操作；远程检测是利用FBG 传感器3具有的信息传感和传输的双重功能，实现较远距离的浓度检测。本实用新型采用物理方法去除光纤光栅包层，这样光纤可视为由纤芯层和外界溶液组成的两层结构。当纤芯选为定值时，光纤光栅的耦合模式将会受到周围折射率的影响，外界溶液折射率越大，光纤布拉格光栅有效折射率所受影响也越大，二者呈非线性递增关系。当外界折射率变化接近包层折射率时，有效折射率变化最为明显。传感器两层结构数学模型具体如下布拉格波长表达式凡s = 2Λ 贫(I)其中，A -谐振波长,Λ -光栅周期，- -光纤光栅有效折射率。根据光纤布拉格光栅稱合模理论可得LPtll模的本征方程为= V'JM...............\..............(2)
Jt ( 口)(咕)其中，F是光纤布拉格光栅的归一化频率，B是归一化传播常数，八和A分别是
零阶第一类贝塞尔函数和一阶第一类贝塞尔函数，&和A分别是零阶第二类变型的贝塞尔函数和一阶第二类变型的贝塞尔函数。光纤布拉格光栅的有效折射率与归一化频_ 和传播常数B之间关系是V= ( - S'lSf(3)B =(4)
(. - 其中，公式(3)和公式(4)中t是-光栅纤芯半径，Λ是-光栅初始谐振波长， I是-纤芯折射率，U-溶液折射率。将式(3)、(4)代入耦合方程(2)可得外界的溶液折射率与光纤布拉格光栅的有效折射率的关系；根据溶液浓度与其折射率关系理论推导得知，二者满足线性关系c = bn + a(5)其中，C -溶液浓度，《 -对应溶液折射率，<3和&是两个常数系数，视不同溶液而定。液体浓度测量的流程可概括为Λ G G G C ,即当光谱分析仪采集到谐振
波长数值后，根据该波长与光栅的有效折射率存在的线性关系，得到有效折射率值，根据数学模型中建立的有效折射率与外界折射率SRI间的关系，通过逆运算可得外界液体的折射率，又由已建立的溶液浓度与折射率经验公式，可计算出此光纤光栅波长所对应的溶液浓度值。其中，溶液浓度与其折射率关系的模型是根据洛伦兹电子论、朗伯定律和比尔定律推导出的线性关系理论模型。对于不同的溶液，其折射率与浓度间具体关系式可通过阿贝折射计实验法测得不同浓度的折射率值，该折射率值经线性拟合得出不同溶液的浓度与其折射率之间的关系式，如本实用新型通过上述方法获得了蔗糖、乙醇和Nacl三种溶液的关系·表达式蔗糖n=l. 3285+0. 00184c ；Nacl n=l. 3331+0. 00185c ；乙醇η=1· 3404+0. 00033c。
权利要求1.一种利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，其特征在于，包括宽带光源(I)、光纤隔离器(12)、耦合器(2)、FBG传感器(3)、光谱分析仪(4)和计算机控制端(5)，光纤隔离器(12)分别与宽带光源(I)和耦合器(2)连接，耦合器(2)分别与FBG传感器(3)和光谱分析仪(4)连接，光谱分析仪(4)与计算机控制端(5)连接；所述的FBG传感器(3)的外部设有圆柱形光纤光栅封装结构(8)。
2.根据权利要求I所述的利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，其特征在于，所述的光纤光栅封装结构(8)包括试管(9)，试管(9)上部的侧壁上设有注水管(10)，试管(9)的底部设有出水管(11 )，出水管(11)上设有橡胶塞(13 );所述的FBG传感器(3 )包括浓度敏感FBG (6)，浓度敏感FBG (6)设于试管(9)内，光纤贯穿于试管(9)并设于浓度敏感FBG (6)的两端，试管(9)的两端使用环氧树脂对浓度敏感FBG (6)施加预应力并密封。
3.根据权利要求2所述的利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，其特征在于，所述的注水管(10)的一端延伸到试管(9)中，并且其末端设有挡板(15)。
4.根据权利要求2所述的利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，其特征在于，所述的浓度敏感FBG (6)还包括带涂覆层FBG (7)，带涂覆层FBG (7)设于浓度敏感FBG (6)的上端与光纤之间。
5.根据权利要求2所述的利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，其特征在于，所述的宽带光源(I)采用ASE宽带光源，光纤隔离器(12)采用1550nm光纤隔离器，耦合器(2)采用3dB耦合器，试管(9)采用PMMA试管，浓度敏感FBG (6)采用SMF-28TM类型光纤光栅。
6.根据权利要求2所述的利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，其特征在于，所述的宽带光源(I)采用上海瀚宇光纤通信技术有限公司提供的型号为SL3204-1550的宽带光源；光纤隔离器(12)采用瀚宇光纤通信技术有限公司的1550nm光纤隔离器；耦合器(2)采用瀚宇光纤通信技术有限公司的SC-I X 2耦合器；浓度敏感FBG (6)采用康宁公司的型号为SMF-28TM类型的光纤；光谱分析仪(4)采用Yokogawa Electric Corporation公司的AQ6370光谱分析仪。
专利摘要本实用新型公开了一种利用光纤光栅测量化学溶液浓度的系统，包括宽带光源1、光纤隔离器12、耦合器2、FBG传感器3、光谱分析仪4和计算机控制端5，光纤隔离器12分别与宽带光源1和耦合器2连接，耦合器2分别与FBG传感器3和光谱分析仪4连接，光谱分析仪4与计算机控制端5连接；所述的FBG传感器3的外部设有圆柱形光纤光栅封装结构8。本实用新型通过在FBG传感器的外部设有圆柱形光纤光栅封装结构，可以保护FBG传感器，还可以避免温度应变交叉敏感对测量结果的影响，同时结合浓度敏感FBG本身具有测量灵敏度高、抗电磁干扰等特点及耦合器、光谱分析仪等设备，从而实现了对溶液浓度的在线、准确、实时采集和远程控制。
文档编号G01N21/17GK202661374SQ20122030229
公开日2013年1月9日 申请日期2012年6月26日 优先权日2012年6月26日
发明者吴朝霞, 王立夫, 毛蕊, 金伟 申请人:东北大学秦皇岛分校