专利名称：一种光纤式激光液体浊度测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤式激光浊度测量装置及测量方法，属于环境监测技术领域。
背景技术：
液体浊度是液体的一种光学性质，是指由于液体中固体悬浮颗粒物和杂质对光的散射引起水样透明度的下降。在水质污染问题日益严重时，水质浊度是反映水质状况的基本指标之一。在油田开采过程中，一般也需要通过注水等手段提高采油量，但如果注水中带有大量悬浮物即浊度太高时，就会阻塞注水井渗滤端面及渗流孔道而阻碍油的采出。因此，在常规水质监测、水产养殖、饮用水安全、油藏注水等方面，液体浊度的准确监测都相当重要。欧美国家从二十世纪三十年代起就开始开展浊度仪的设计和生产，技术较为成熟。国外许多仪器仪表公司也相继推出了性能可靠、技术先进的浊度仪，浊度测量的下限得到不断延伸。Sigrist公司生产的WTM500、ABB公司生产的Series 4670浊度仪均采用90度垂直散射测量方案，主要用于低浊度水样的浊度测量。国内浊度检测技术的研究起步较晚，技术性能与国外浊度仪相比有着非常大的差距，经过近10年的技术攻关和引进国外先进技术经验，国产浊度仪各项参数指标已有很大的提高。上海雷磁仪器厂、国营267厂、北京天健创新仪表有限公司也相继推出了浊度计产品O目前，国内外的各种浊度测量系统却难以实现狭小空间且测试环境特别恶劣条件下的在线浊度测量，比如环境温度超过六十五摄氏度则无法正常工作，其原因在于探头部分包含光源、探测器以及信号处理电路，工作稳定性和测量体积都会受到大大限制。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种光纤式激光液体浊度测量装置及测量方法，实现远距离狭小空间及特别恶劣环境下液体浊度的准确在线监测。本发明的技术解决方案一种光纤式激光液体浊度测量装置，采用光纤环行器和准直器的全光纤结构，包括单片机I、激光器调制模块2、激光器3、第一光纤4、三端口光纤环行器5、光纤准直器6、第二光纤7、光电探测器8、信号放大和解调模块9 ;所述激光器调制模块2对激光器3进行光强调制，以避免外界杂散光及环境变化对信号的干扰，调制后的激光经第一光纤4传输到三端口光纤环行器5的第一端口，然后从三端口光纤环行器5的第二端口输出到光纤准直器6，自光纤准直器6出射的光入射到待测液体样品上，经过待测液体样品内颗粒物散射后的部分后向散射光反馈回光纤准直器6，即光纤准直器6同时作为激光输入和信号光接收器件，在提高散射光的耦合效率的同时也避免了分立探测结构对环境变化的高敏感性，并体现出体积小且无需供电的优势，散射光经光纤准直器6从三端口光纤环行器5的第三端口输出，有效分离输入光和信号光并避免后向散射光非线性效应引起信号频谱的变化，从三端口光纤环行器5的第三端口输出的散射光耦合到第二光纤7，然后由光电探测器8将光信号转化为电信号，电信号由信号放大和解调模块9处理后送至单片机1，由单片机I得到解调后的信号电压幅值，将单片机I所得的信号幅值与标准浊度和电压幅值变化关系比对，得出液体浊度信息。其中，标准浊度和电压幅值变化关系由以下过程得到将光纤准直器6分别放入6组以上不同浊度的标准福尔马荆标准液，由信号放大和解调模块9处理后得到对应的信号电压幅值，分别将测量到的电压值和标准浊度值作为纵横坐标，画出信号电压幅值与浊度变化关系曲线，对测量到的数据进行线性拟合Y=A+B*X其中，Y代表信号电压幅值，X代表浊度值，A 和B分别为线性拟合参数。采用最小二乘法进行线性拟合后得到参数A和B的值，并画出拟合曲线，即标准浊度和电压幅值变化关系。当拟合曲线与测量值的误差超过2%时，改用三次拟合方程 Y=A+B1*X+B2*X2+B3*X3采用最小二乘法进行线性拟合后得到参数A、B1、B2、B3的值，并画出拟合曲线，SP标准浊度和电压幅值变化关系。所述激光器3采用带单模尾纤输出的半导体激光器，易实现激光光强调制和高耦合效率的激光输出，且激光器3以光强调制方式工作，以避免外界杂散光及环境变化对信号的干扰。所述光纤准直器6同时作为激光输入和信号接收器件，提高了信号光的耦合效率，并避免了分立探测端对环境变化的敏感性。所述光纤环行器5有效分离输入光和信号光，避免后向散射光非线性效应引起信号频谱的变化。所述光纤环行器5的插入损耗(O. 8dB、隔离度> 40dB，能有效提高系统测量的精度；所述第一光纤4、三端口光纤环行器5、光纤准直器6、第二光纤7均采用单模光纤器件，具有损耗低和体积小的特点，可实现远距离狭小空间下液体浊度的在线监测；所述光纤环行器5和光纤准直器6根据实际应用场合选用耐高温器件，最高温度选择150或300摄氏度或进行耐压隔热封装，以实现恶劣测量环境下的液体浊度在线监测。光纤式激光液体浊度测量方法，包括以下步骤第一步，激光器3输出调制光强,分别经第一光纤4、三端口光纤环行器5、光纤准直器6出射到待测液体样品上；第二步，经过待测液体样品内颗粒物散射后的部分后向散射光反馈回光纤准直器6，并经三端口光纤环行器5第三端口输出，经第二光纤7传输到光电探测器8，光电探测器8将光信号转变为电信号，电信号再经过信号放大和解调模块9放大和解调后送至单片机1，由单片机I得到解调后的信号电压幅值；第三步，根据IS07027，利用GBW12001标准物质即400NTU福尔马荆标准液配制多个不同浊度的福尔马荆标准液，将光纤准直器6固定在圆柱体容器内，先用ONTU超纯水开始测量，记录后向散射光电压值作为背景值，以后的测量值均减去背景值，然后向圆柱体容器内加入福尔马荆浊度标准液并记录电压值，之后将浊度液倒出，清洗圆柱体容器和传感器探头，再加入下一浊度的福尔马荆标准液，再次记下信号放大和解调模块9得到的光电压和所配制福尔马荆溶液的浊度值，不断重复加入不同浊度的福尔马荆溶液并记录信号放大和解调模块9上的光电压，直到400NTU福尔马荆标准液，得到6组以上对应的数据；
第四步，分别将测量到的电压值和标准浊度值作为纵横坐标，画出信号电压幅值与浊度变化关系曲线；第五步，对测量到的数据进行线性拟合Y=A+B*X其中Y代表信号电压幅值，X代表浊度值，A和B分别为线性拟合参数。采用最小二乘法进行线性拟合后得到参数A和B的值，并画出拟合曲线，即标准浊度和电压幅值变化关系;当拟合曲线与测量值的误差超过2%时，改用三次拟合方程Y=A+B1*X+B2*X2+B3*X3采用最小二乘法进行线性拟合后得到参数A、B1、B2、B3的值，并画出拟合曲线，即标准浊度和电压幅值变化关系；第六步，然后将浊度测量装置的光纤准直器6部分放入待测液体内，将单片机I所得的信号幅值与得出的标准浊度和电压幅值变化关系比对，得出液体浊度信息。本发明的液体浊度测量原理如下通过测量散射光可以判断水中颗粒的状况和分布，散射光强度及其在空间的分布与微粒直径大小、入射光波长、入射光强度等因素有关。一般我们关注较大颗粒引起的散射现象，当水中悬浮颗粒的半径大于或等于光波长时，此时后向散射角方向上测得的散射光强度服从Mie散射定理。在入射波长λ、入射光强Ip散射光程r、被测粒径的尺寸参量k、折射率m以及散射角Θ都确定的情况下，散射光强就与粒子数浓度成正比，也就是与浊度成正比，而且在入射光Itl不变的情况下，Mie氏定理计算得到的散射光强可简化为Ir = KT因此，无论粒子的尺寸大小为多少，水中后向散射光强总是与浊度T成正比例关系，实际测量中只需将系数K用浊度标准液标定得到后就可由后向散射光强计算出浊度值。本发明与现有技术相比的优点在于(I)本发明采用光纤环行器和光纤准直器结构，激光发射和信号探测系统合二为一，避免了外界环境温度变化、振动等条件下系统变形对信号探测的影响，极大地提高了测量系统的稳定性。(2)本发明采用后向散射式浊度测量原理，并采用光纤环行器实现传输激光和信号光的有效隔离(隔离度大于50dB)，可以实现低浊度的准确测量。( 3 )本发明采用全光纤式探测结构，适合高温高压和强电磁干扰等恶劣环境；全光纤式探头的体积很小，适合狭小空间的液体浊度探测。(4)本发明激光和信号传输均采用单模光纤，即可以实现液体浊度的远距离探测，在信号传输过程中避免了外界对光信号的电磁等干扰。
图I为本发明中光纤式激光液体浊度测量装置结构示意图。
具体实施方式
如图I所示，本发明测量装置包括单片机I、激光器调制模块2、激光器3、第一光纤4、三端口光纤环行器5、光纤准直器6、第二光纤7、光电探测器8、信号放大和解调模块9 ;所述激光器3经激光器调制模块2进行光强调制后，激光经第一光纤4传输到三端口光纤环行器5的第一端口，然后从三端口光纤环行器5的第二端口输出到光纤准直器6,自光纤准直器出射的光经液体中颗粒物散射后一部分光经光纤准直器6返回并从三端口光纤 环行器5的第三端口输出到第二光纤7,然后由光电探测器8将光信号转化为电信号，电信号由信号放大和解调模块9处理后送至单片机I。其中激光器3为具有良好调制特性并内置光隔离器和制冷器的半导体DFB激光器，带尾纤输出，第一光纤4和第二光纤7为单模石英光纤，光电探测器8为高灵敏度雪崩光电探测器模块，以确保激光信号的远程传输(0-10KM)以及散射光的高灵敏探测。本发明测量方法实现步骤如下( I)单片机I通过控制脉冲指令驱动激光器调制模块2，进而对激光器3进行方波调制(一般占空比可选为50%)；(2)激光器3输出方波调制光强，依次经第一光纤4、三端口光纤环行器5、光纤准直器6出射到待测液体样品上；(3)经过待测液体样品内颗粒物散射后的部分后向散射光反馈回光纤准直器6，并经三端口光纤环行器5第三端口输出，经第二光纤7传输到光电探测器8，光电探测器8将光功率的调制转变为光功率电信号；(4)电信号再输入信号放大和解调模块9 :经一级放大后进入带通滤波电路，带通滤波后产生的基波信号再进入全波整流和低通电路，得到低频的直流信号，即完成均值检波；(5)经过二级放大后的信号送至单片机1，得到解调后的信号电压幅值；(6)根据IS07027，水浊度检测系统的标定使用福尔马荆标准液，利用GBW12001标准物质(400NTU福尔马荆标准液)配制多个不同浊度的标液，将浊度测量装置的光纤准直器6固定在圆柱体容器内，先用ONTU超纯水开始测量，记录后向散射光电压值作为背景值，以后的测量值均减去背景值，然后向圆柱体容器内加入福尔马荆浊度标准液并记录电压值，之后将浊度液倒出，清洗容器和探头，再加入下一浊度的标准液，再次记下信号电压幅值和所配制福尔马荆溶液的浊度值。不断重复加入不同浊度的福尔马荆溶液并记录信号放大和解调模块9上的光电压，直到400NTU福尔马荆标准液，得到6组以上对应的数据；(7)分别将测量到的电压值和标准浊度值作为纵横坐标，画出信号电压幅值与浊度变化关系曲线；(8)对测量到的数据进行线性拟合Y=A+B*X其中Y代表信号电压幅值，X代表浊度值，A和B分别为线性拟合参数。采用最小二乘法进行线性拟合后得到参数A和B的值，并画出拟合曲线，即标准浊度和电压幅值变化关系;(9)当拟合曲线与测量值的误差超过2%时，改用三次拟合方程Y=A+B1*X+B2*X2+B3*X3采用最小二乘法进行线性拟合后得到参数A、B1、B2、B3的值，并画出拟合曲线，即标准浊度和电压幅值变化关系；(10)然后将浊度测量装置的光纤准直器6部分放入待测液体内，将单片机I所得的信号幅值与得出的标准浊度和电压幅值变化关系比对，得出液体浊度信息。总之，实现远距离、狭小空间及其他复杂环境下液体浊度的准确在线测量。本发明结构简单、易于实现、稳定性高，有效地提高了液体浊度测量系统的实用性、安全性，为进行长期在线水质监测提供了技术保障。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员 公知的现有技术。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种光纤式激光液体浊度测量装置，其特征在于采用光纤环行器和准直器的全光纤结构，包括单片机(I)、激光器调制模块(2)、激光器(3)、第一光纤(4)、三端口光纤环行器(5)、光纤准直器(6)、第二光纤(7)、光电探测器(8)、信号放大和解调模块(9);所述激光器调制模块(2)对激光器(3)进行光强调制，以避免外界杂散光及环境变化对信号的干扰，调制后的激光经第一光纤(4)传输到三端口光纤环行器(5)的第一端口，然后从三端口光纤环行器(5)的第二端口输出到光纤准直器(6)，自光纤准直器(6)出射的光入射到待测液体样品上，经过待测液体样品内颗粒物散射后的部分后向散射光反馈回光纤准直器(6)，即光纤准直器(6)同时作为激光输入和信号光接收器件，在提高散射光的耦合效率的同时也避免了分立探测结构对环境变化的高敏感性，并体现出体积小且无需供电的优势，散射光经光纤准直器(6)从三端口光纤环行器(5)的第三端口输出，有效分离输入光和信号光并避免后向散射光非线性效应引起信号频谱的变化，从三端口光纤环行器(5)的第三端口输出的散射光耦合到第二光纤(7)，然后由光电探测器(8)将光信号转化为电信号，电信号由信号放大和解调模块(9)处理后送至单片机(1)，由单片机(I)得到解调后的信号电压幅值，将单片机(I)所得的信号幅值与标准浊度和电压幅值变化关系比对，得出液体浊度信所述标准浊度和电压幅值变化关系由以下过程得到将光纤准直器(6)分别放入6组以上不同浊度的标准福尔马荆标准液，由信号放大和解调模块(9)处理后得到对应的信号电压幅值，分别将测量到的电压值和标准浊度值作为纵横坐标，画出信号电压幅值与浊度变化关系曲线，对测量到的数据进行线性拟合Y=A+B*X其中，Y代表信号电压幅值，X代表浊度值，A和B分别为线性拟合参数；采用最小二乘法进行线性拟合后得到参数A和B的值，并画出拟合曲线，即标准浊度和电压幅值变化关系；当拟合曲线与测量值的误差超过2%时，改用三次拟合方程Y=A+B1*X+B2*X2+B3*X3采用最小二乘法进行线性拟合后得到参数A、BI、B2、B3的值，并画出拟合曲线，即标准浊度和电压幅值变化关系。
2.根据要求I所述的光纤式激光液体浊度测量装置，其特征在于所述激光器(3)采用带单模尾纤输出的半导体激光器，易实现激光光强调制和高耦合效率的激光输出。
3.根据要求I所述的光纤式激光液体浊度测量装置，其特征在于所述光纤环行器(5)的插入损耗< O. 8dB、隔离度> 40dB，能有效提高系统测量的精度。
4.根据要求I所述的光纤式激光液体浊度测量装置，其特征在于所述第一光纤(4)、三端口光纤环行器(5)、光纤准直器(6)、第二光纤(7)均采用单模光纤器件，具有损耗低和体积小的特点，能够实现远距离狭小空间下液体浊度的在线监测。
5.根据要求I所述的光纤式激光液体浊度测量装置，其特征在于所述光纤环行器(5)和光纤准直器(6)根据实际应用场合选用耐高温器件，最高温度选择150或300摄氏度或进行耐压隔热封装，以实现恶劣测量环境下的液体浊度在线监测。
6.采用权利要求I所述的光纤式激光液体浊度测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤第一步，激光器(3 )输出调制光强,分别经第一光纤(4)、三端口光纤环行器(5 )、光纤准直器(6)入射到待测液体样品上； 第二步，经过待测液体样品内颗粒物散射后的部分后向散射光反馈回光纤准直器(6)，并经三端口光纤环行器(5)第三端口输出，经第二光纤(7)传输到光电探测器(8)，光电探测器(8)将光信号转变为电信号，电信号再经过信号放大和解调模块(9)放大和解调后送至单片机(1)，由单片机(I)得到解调后的信号电压幅值； 第三步，根据IS07027，利用GBW12001标准物质即400NTU福尔马荆标准液配制多个不同浊度的福尔马荆标准液，将光纤准直器(6)固定在圆柱体容器内，先用ONTU超纯水开始测量，记录后向散射光电压值作为背景值，以后的测量值均减去背景值，然后向圆柱体容器内加入福尔马荆浊度标准液并记录电压值，之后将浊度液倒出，清洗圆柱体容器和传感器探头，再加入下一浊度的福尔马荆标准液，再次记下信号放大和解调模块(9)得到的光电压和所配制福尔马荆溶液的浊度值，不断重复加入不同浊度的福尔马荆溶液并记录信号放大和解调模块(9)上的光电压，直到400NTU福尔马荆标准液，得到6组以上对应的数据；第四步，分别将测量到的电压值和标准浊度值作为纵横坐标，画出信号电压幅值与浊 度变化关系曲线； 第五步，对测量到的数据进行线性拟合Y=A+B*X 其中Y代表信号电压幅值，X代表浊度值，A和B分别为线性拟合参数。采用最小二乘法进行线性拟合后得到参数A和B的值，并画出拟合曲线，即标准浊度和电压幅值变化关系; 当拟合曲线与测量值的误差超过2%时，改用三次拟合方程Y=A+B1*X+B2*X2+B3*X3 采用最小二乘法进行线性拟合后得到参数A、BI、B2、B3的值，并画出拟合曲线，即标准浊度和电压幅值变化关系； 第六步，然后将浊度测量装置的光纤准直器(6)部分放入待测液体内，将单片机(I)所得的信号幅值与得出的标准浊度和电压幅值变化关系比对，得出液体浊度信息。
全文摘要
一种光纤式激光液体浊度测量装置及测量方法，包括激光器、光纤、光纤环行器、光纤准直器、光电探测器及信号解调和处理系统构成，在测量系统中采用光纤环行器和准直器的全光纤结构，基于后向散射光测量原理，即液体的浊度同散射光强的增加呈单调性关系，实现远距离、狭小空间及其他复杂环境下液体浊度的准确在线测量。本发明结构简单、易于实现、稳定性和灵敏度高，有效地提高了液体浊度测量系统的实用性、安全性，为进行长期在线水质监测提供了技术保障。
文档编号G01N21/49GK102914519SQ20121040175
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者桂华侨, 韩霞, 程寅, 王杰, 赵南京, 陆亦怀, 刘建国, 张玉钧, 张建, 王田丽, 殷高方, 李德平, 曹会彬 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院, 胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司