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专利名称：一种双波长双光路的光纤光栅低含水率差分测量方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双波长双光路的光纤光栅低含水率差分测量方法和装置，属于传感器与检测技术领域。
背景技术：
液体浓度是表征液体特性的关键参数之一，液体浓度的测量对于当今环境监测、 食品安全、生产自动化控制、提高产品质量等都具有极高的现实意义。含水率的测量在很多领域也有重要的应用背景和研究价值。近年来，高精度的低含水率检测技术受到人们广泛关注。例如，(Guang-Hui huang，Da-Jun Yan, Pei-Li Qiu, Application of crude oil water content analyzer, Oil and Gas Surface Engineering，Vol.19，No. 6,2000)提出了一种基于微波和超短波方法对低含水率进行测量，测量精度达到了 0. 1 %。(Xue-Yan Hao, Yan-Qiu Yao, Xue-Song Li， Research of low-water-content sensor for crude oil，Information Technology，No. 7,2002)提出了一种同轴圆柱形电容式低含水率传感器结构，实现了在体积百分比O 3%范围内士 0.05%的测量精度。以上两种方法的测量精度并没有达到理想的效果。(Yong Zhao，Jian Yang, Jin-Qi Wang，Fang-Xiao Gui, High-accuracy low-water-content measurement of crude oil based on near-infrared spectral absorption method，Optical Engineering,Vol. 43,No. 10,2004)提出了一禾中基于近红外吸收原理的光纤传感系统，对低含水率的测量分辨力达到了 0.01%。但该系统中由于需要高精度的滤光片和Pbs探测器而使得系统成本较高，而且采用的光源为溴钨灯光源，很难与光纤实现较高而稳定的耦合效率。

发明内容
本发明的目的在于为了克服已有技术的不足之处，实现一种结构简单、成本低、精度较高的实用型低含水率测量方法与装置。本发明提出一种双波长双光路的光纤光栅低含水率差分测量方法和装置，包括样品吸收池结构和光谱分析仪。其特征在于，包括以下内容1. 一种双波长双光路的光纤光栅低含水率差分测量方法和装置，主要包括宽带光源，2个光纤耦合器，2个自聚焦透镜，样品吸收池，光纤环形器，测量光纤光栅，参考光纤光栅，折射率匹配液，光纤链路和光谱分析仪，其特征在于所述的光纤链路为光源发出的光经过光纤进入光纤耦合器1后被分成两路，一路通过端口 2经样品吸收池后进入光纤环形器的端口 1，然后从光纤环形器的端口 2出射到达测量光纤光栅，满足测量光纤光栅布拉格反射条件的特定波长的光将被反射，其余的光透射过测量光纤光栅后被折射率匹配液吸收，由测量光纤光栅反射的特定波长信号从光纤环形器的端口 3输出，进入光纤耦合器2的端口 1到达端口 3，并被光谱分析仪接收记录；由光纤耦合器1出射的另一路光经过端口 3 出射至参考光纤光栅，满足参考光纤光栅布拉格反射条件的特定波长的光将被反射，其余的光透射过参考光纤光栅后被折射率匹配液吸收，由参考光纤光栅反射的特定波长信号从光纤耦合器1的端口 4输出，再进入光纤耦合器2的端口 4到达端口 3，并被光谱分析仪接收记录。2.按照权利要求1所述的一种双波长双光路的光纤光栅低含水率差分测量方法和装置，其特征在于所述的测量方法是利用具有不同中心反射波长的测量光纤光栅和参考光纤光栅分别识取包含被测量的信息和不包含被测量的信息，从而实现的一种差分检测方法；该方法可以有效降低光源功率波动给测量结果带来的影响。3.按照权利要求1所述的一种双波长双光路的光纤光栅低含水率差分测量方法和装置，其特征在于所述的测量光纤光栅的中心反射波长为K50. 009mn(处于水的近红外吸收带内)，3dB带宽为0. 2Inm ；所述的参考光纤光栅的中心反射波长为1534. 085nm(与测量光纤光栅的中心反射波长之差至少大于lnm)，3dB带宽为0. 193nm。4.按照权利要求1所述的一种用于低含水率测量的方法和装置，其特征在于所述的宽带光源的输出光谱范围为1528. 52 1557. 32nm(必须囊括测量光纤光栅和参考光纤光栅的中心反射波长值)。


图1为本发明提供的一种双波长双光路的光纤光栅低含水率测量的结构原理图。图2为利用本发明实现的一种双波长双光路的光纤光栅低含水率测量的实验系统照片。图3为利用本发明实现的低含水率测量时光谱分析仪所测量得到的光谱图。(a)样品池中为无水乙醇时，光谱仪测量光谱图。(b)样品池中，无水乙醇为350μ L，水为5μ L时，光谱仪测量光谱图。图4为利用本发明提供的测量方法和装置测得的输出信号与低含水率的关系曲线。
具体实施例方式本发明提出一种双波长双光路的光纤光栅低含水率差分测量方法和装置，结合

如下由于水在近红外波段的吸收光谱带宽比较宽，因此，本发明提出的双波长双光路的差分检测系统，参考波长的光不经过装有待测液体的样品池。图1为文中提出的一种双波长双光路的光纤光栅低含水率测量的结构原理图。系统的测量过程是:ASE光源发出具有一定带宽的包含测量光纤光栅和参考光纤光栅中心反射波长的宽谱光，经过光纤耦合器1的一个输入端后，被分成两路，分别由光纤耦合器1的两个输出端输出其中一个输出端输出的光经过自聚焦透镜准直后变为平行光，进入装有待测液体的样品吸收池，光在样品吸收池中与液体相互作用，能量被吸收一部分，因而光强有所减小。透过样品吸收池的光通过自聚焦透镜进入光纤中，经过光纤环形器(端口 1输入，端口 2输出)，到达测量光纤光栅。由于光纤光栅会反射特定波长的光，在测量光纤光栅的作用下，波长为X1(对应液体的吸收峰值)的光被原路反射回去，其余波长的光全部透过测量光纤光栅而被折射率匹配液吸收。被反射回的光由端口 2进入光纤环形器，并由端口 3输出，进入光纤耦合器2 ；另一路不经过样品吸收池，作为参考，经过参考光纤光栅，波长为λ 2 (与测量光纤光栅的中心反射波长X1之差至少大于Inm)的光被反射，其余波段的光透过参考光纤光栅而被折射率匹配液吸收，被反射回的光经过光纤耦合器1后同样进入光纤耦合器2。两个波长的光(入工和λ2)在光纤耦合器2中由其耦合成一束光，并进入光谱分析仪进行分析和读数。通过光谱分析仪分别测得两个波长的光的光强(光功率)，然后将两个波长的光的光强作比，最后由差分检测原理得到被测含水率与输出光强比值的关系，计算出被测含水率的大小。根据朗伯-比尔定律，以及考虑部分干涉因素，得I(X1) = Ι0(λ1)Κ(λ1)θχρ[-α ( λ》C7+β J+γ J+δ J ⑴I ( λ 2) = I0 ( λ 2) K ( λ 2) exp [- α ( λ 2) C7+ β 21+ γ 21+ δ 2] (2)其中Ι。(λ)为波长为λ时入射到被测介质中的光强，Ι(λ)为出射光强，Κ(λ) 为比例系数，α (λ)为一定浓度下的单位浓度、单位长度的吸收系数，C为浓度，1为样品池的长度，β为瑞利散射系数，Y为米氏散射系数，δ为光源波动造成的吸收系数。由式(1) 和(2)作除法可得
权利要求
1.一种双波长双光路的光纤光栅低含水率差分测量方法和装置，主要包括宽带光源，2 个光纤耦合器，2个自聚焦透镜，样品吸收池，光纤环形器，测量光纤光栅，参考光纤光栅，折射率匹配液，光纤链路和光谱分析仪，其特征在于所述的光纤链路为光源发出的光经过光纤进入光纤耦合器1后被分成两路，一路通过端口 2经样品吸收池后进入光纤环形器的端口 1，然后从光纤环形器的端口 2出射到达测量光纤光栅，满足测量光纤光栅布拉格反射条件的特定波长的光将被反射，其余的光透射过测量光纤光栅后被折射率匹配液吸收，由测量光纤光栅反射的特定波长信号从光纤环形器的端口 3输出，进入耦合器2的端口 1到达端口 3，并被光谱分析仪接收记录；由光纤耦合器1出射的另一路光经过端口 3出射至参考光纤光栅，满足参考光纤光栅布拉格反射条件的特定波长的光将被反射，其余的光透射过参考光纤光栅后被折射率匹配液吸收，由参考光纤光栅反射的特定波长信号从光纤耦合器1的端口 4输出，再进入耦合器2的端口 4到达端口 3，并被光谱分析仪接收记录。
2.按照权利要求1所述的一种双波长双光路的光纤光栅低含水率差分测量方法和装置，其特征在于所述的测量方法是利用具有不同中心反射波长的测量光纤光栅和参考光纤分别识取包含被测量的信息和不包含被测量的信息，从而实现的一种差分检测方法；该方法可以有效降低光源功率波动给测量结果带来的影响。
3.按照权利要求1所述的一种双波长双光路的光纤光栅低含水率差分测量方法和装置，其特征在于所述的测量光纤光栅的中心反射波长为1550. 009mn(处于水的近红外吸收带内)，3dB带宽为0. 2Inm ；所述的参考光纤光栅的中心反射波长为1534. 085nm(与测量光纤光栅的中心反射波长之差至少大于lnm)，3dB带宽为0. 193nm。
4.按照权利要求1所述的一种用于低含水率测量的方法和装置，其特征在于所述的宽带光源的输出光谱范围为1528. 52 1557. 32nm(必须囊括测量光纤光栅和参考光纤光栅的中心反射波长值)。
全文摘要
一种双波长双光路的光纤光栅低含水率差分测量方法和装置，本发明属于传感器与检测技术领域。由宽带光源11，两个光纤耦合器12和19，两个自聚焦透镜13和15，样品吸收池14，光纤环形器16，测量光纤光栅17，参考光纤光栅21，折射率匹配液18和22和光谱分析仪20组成。其特点是测量光纤光栅17的布拉格反射波长在水的近红外吸收波带范围内，参考光纤光栅21的布拉格反射波长与测量光纤光栅布拉格反射波长之差至少大于1nm，这样，利用巧妙设计的光纤链路结构，实现双波长双光路的低含水率的差分测量方法，解决了光源功率波动等给测量带来的影响。
文档编号G01N21/31GK102279164SQ201110204509
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月21日 优先权日2011年7月21日
发明者侯伟, 王 琦, 白璐, 赵勇 申请人:东北大学