一种实时监测流水温度和折射率的装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种实时监测流水温度和折射率的装置，其包括水槽、水泵、光纤光栅传感器、ASE光源和光纤光谱仪，光纤光栅传感器由双层保护套管及刻有对温度和折射率敏感的级联光纤光栅的单模光纤组成，双层保护套管的上部设置有进水管和出水管，单模光纤同轴贯穿设置于双层保护套管上，单模光纤位于双层保护套管内的部分完全密封于双层保护套管内，从进水管进入的流水流经级联光纤光栅后从出水管流出，水槽与水泵的进水端连接，水泵的出水端与进水管连接，出水管与水槽连接，单模光纤的两端分别与ASE光源的输出端和光纤光谱仪的输入端连接；优点是本装置不仅结构简单、成本低、操作简易，而且能够有效地提高流水温度和折射率的监测精度。
【专利说明】一种实时监测流水温度和折射率的装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种流水质量监测技术，尤其是涉及一种实时监测流水温度和折射率的装置。
【背景技术】
[0002]随着我国现代化进程的加速，环境污染和生态破坏问题也愈演愈烈，人类的生存环境遭到了前所未有的破坏。其中，水污染问题是最为突出，且最难以监测及避免的，例如广泛存在于自然环境中的铬、铅等重金属污染和硝酸盐与亚硝酸盐污染。因此，研究一种能够快速、简便、实时监测流水质量的技术是十分有必要的。
[0003]众所周知，随着水溶剂里面可溶性杂质溶度的增加，其折射率会发生明显的变化，因此通过监测其折射率的变化，便可得知水里面杂质含量的高低，从而鉴别水质的好坏；同时，水的温度也会在一定的程度上影响水质的好坏，水温越高越利于细菌及藻类生长，从而影响水质。另一方面，光纤光栅传感器具有抗干扰能力强、绝对测量、传输距离远、体积小等优势，一直被看好是研制生化传感器的理想技术。目前，通过一些特定结构的光纤光栅组合来测量各种物理量已经成为一个十分热门的方向。因此，如何基于光纤光栅传感技术制作和设计一种能够实时监测流水温度和折射率的装置是一个值得探讨的问题。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种实时监测流水温度和折射率的装置，其结构简单、成本低、操作简易，且监测精度高。
[0005]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种实时监测流水温度和折射率的装置，其特征在于包括水槽、水泵、光纤光栅传感器、ASE光源和光纤光谱仪，所述的光纤光栅传感器由双层保护套管及刻有对温度和折射率敏感的级联光纤光栅的单模光纤组成，所述的双层保护套管的上部设置有进水管和出水管，所述的单模光纤同轴贯穿设置于所述的双层保护套管上，所述的单模光纤位于所述的双层保护套管内的部分完全密封于所述的双层保护套管内，且要求从所述的进水管进入的流水流经所述的级联光纤光栅后从所述的出水管流出，所述的水槽与所述的水泵的进水端连接，所述的水泵的出水端与所述的进水管连接，所述的出水管与所述的水槽连接，所述的ASE光源的输出端与所述的单模光纤外露于所述的双层保护套管的顶部外的上端连接，所述的单模光纤外露于所述的双层保护套管的底部外的下端与所述的光纤光谱仪的输入端连接。
[0006]所述的双层保护套管包括同轴设置的两端封闭的外保护管和两端封闭的内保护管，所述的外保护管的上部设置有外管进水口和外管出水口，所述的进水管连接于所述的外管进水口上，所述的内保护管的下部且靠近所述的内保护管的底部沿周向设置有多个内管进水口，所述的内管进水口连通所述的外保护管的内腔与所述的内保护管的内腔，所述的内保护管的上部设置有内管出水口，所述的出水管连接于所述的内管出水口与所述的外管出水口上，所述的载氢单模光纤同轴穿过所述的外保护管的顶部、所述的内保护管的顶部、所述的内保护管的底部、所述的外保护管的底部，且使所述的单模光纤的上端外露于所述的外保护管的顶部外，所述的单模光纤的下端外露于所述的外保护管的底部外。
[0007]所述的外保护管的顶部设置有用于排出位于所述的外保护管内的流水中所含有的气泡的出气管。
[0008]所述的内管进水口上覆盖有用于阻止杂质进入所述的内保护管的金属筛网。
[0009]所述的单模光纤包括已剥除涂覆层的测量部分及位于所述的测量部分的一端且未剥除涂覆层的上连接部分和位于所述的测量部分的另一端且未剥除涂覆层的下连接部分，所述的测量部分上光刻有一个仅对温度敏感的布拉格光纤光栅和一个对折射率敏感的M-Z干涉仪，所述的布拉格光纤光栅和所述的M-Z干涉仪构成所述的级联光纤光栅，所述的测量部分上光刻有所述的布拉格光纤光栅和所述的M-Z干涉仪的部分裸光纤限制于所述的内管进水口与所述的内管出水口之间，所述的测量部分的两端分别套设有用于保护所述的测量部分的端头的热缩套管，其中一个所述的热缩套管穿过所述的双层保护套管的顶部并与其密封连接，另一个所述的热缩套管穿过所述的双层保护套管的底部并与其密封连接，使所述的测量部分完全密封于所述的双层保护套管内，所述的上连接部分的自由端构成所述的单模光纤的上端，所述的下连接部分的自由端构成所述的单模光纤的下端；在此，在测量部分上光刻一个布拉格光纤光栅和一个M-Z干涉仪，由于布拉格光纤光栅对外界环境温度敏感而对折射率不敏感，因此可以精确的实时监测流水的温度，同时由于由一对相同的长周期光纤光栅构成的M-Z干涉仪的透射谱干涉峰宽度窄、且对折射率敏感，因此可以实时测量外界环境中折射率的变化；由于已去除涂覆层的测量部分完全密封于双层保护套管内，因此在实时监测时可以有效的降低裸光纤因外界环境变化而损坏的风险，同时由于双层保护套管是一个密闭结构，因此可以将折断之后的碎光纤收集起来，从而可以有效地避免因裸光纤折断而带来的安全隐患。
[0010]所述的M-Z干涉仪由一对相同的长周期光纤光栅构成,所述的布拉格光纤光栅位于两个所述的长周期光纤光栅之间。
[0011]所述的布拉格光纤光栅的栅区的长度为1cm，所述的长周期光纤光栅的栅区的长度为1.7cm，两个所述的长周期光纤光栅相对一端之间的距离为3.5?4.5cm，所述的布拉格光纤光栅与其中一个所述的长周期光纤光栅相对一端之间的距离为1.5cm。
[0012]所述的水槽通过输水管与所述的水泵的进水端连接，所述的输水管伸入所述的水槽内的一端上连接有用于防止不溶解的大颗粒杂质进入所述的光纤光栅传感器中的过滤嘴。
[0013]所述的水泵连接有用于控制水泵工作的控制模块，所述的控制模块包括直流电源、用于控制所述的水泵的转速的电位器、水泵开关，所述的直流电源、所述的电位器、所述的水泵开关和所述的水泵的电动机依次电连接构成闭合回路。
[0014]与现有技术相比，本发明的优点在于:
O由于流水中可溶性物质的溶度变化而导致的流水的折射率发生改变，或流水的温度发生改变，都会使通过光刻有对温度和折射率敏感的级联光纤光栅的单模光纤之后的光谱发生变化，因此本装置可实现流水温度和折射率的实时监测。
[0015]2 )由于光纤光栅传感器采用了双层保护套管来保护刻有级联光纤光栅的裸光纤，因此在实时监测时可以有效的降低裸光纤因外界环境变化而损坏的风险，同时由于双层保护套管是一个密闭结构，因此可以将折断之后的碎光纤收集起来，从而可以有效地避免因裸光纤折断而带来的安全隐患；另一方面，在双层保护套管的作用下，可以除去实时监测时流水中所含气泡的影响，从而可有效地提高流水温度和折射率的监测精度。
[0016]3)本装置利用水槽、水泵、光纤光栅传感器、ASE光源和光纤光谱仪就可实现流水温度和折射率的实时监测，不仅结构简单、成本低，而且操作简易。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的装置的组成结构示意图。
[0018]图2为本发明的装置中的光纤光栅传感器的透视结构示意图。
[0019]图3为利用本发明的装置监测得到的不同温度下流水的透射光谱。
[0020]图4为利用本发明的装置监测得到的不同折射率下流水的透射光谱。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0022]本发明提出的一种实时监测流水温度和折射率的装置，如图1所示，其包括水槽
1、水泵2、光纤光栅传感器3、ASE光源4和光纤光谱仪5，光纤光栅传感器3由双层保护套管31及刻有对温度和折射率敏感的级联光纤光栅的单模光纤32组成，双层保护套管31的上部设置有进水管61和出水管62，且进水管61的位置低于出水管62的位置，单模光纤32同轴贯穿设置于双层保护套管31上，单模光纤32位于双层保护套管31内的部分完全密封于双层保护套管31内，且要求从进水管61进入的流水流经级联光纤光栅后从出水管62流出，水槽I通过输水管91与水泵2的进水端连接，输水管91伸入水槽I内的一端上连接有用于防止不溶解的大颗粒杂质进入光纤光栅传感器3中的过滤嘴92，水泵2的出水端通过引水管93与进水管61连接，出水管62通过回水管94与水槽I连接，水泵2连接有用于控制水泵工作的控制模块，控制模块包括12V的直流电源21、电位器22、水泵开关23，电位器22用来控制水泵2的转速，从而可以控制通过光纤光栅传感器3中流水的速度，直流电源21、电位器22、水泵开关23和水泵2的电动机依次由导线电连接构成闭合回路，ASE光源4的输出端通过Corning SMF-28单模光纤与单模光纤32外露于双层保护套管31的顶部外的上端连接，单模光纤32外露于双层保护套管31的底部外的下端通过Corning SMF-28单模光纤与光纤光谱仪5的输入端连接。
[0023]在本实施例中，如图2所示，双层保护套管31包括同轴设置的两端封闭的外保护管311和两端封闭的内保护管312，外保护管311的顶部设置有用于排出位于外保护管311内的流水中所含有的气泡的出气管313，外保护管311的上部设置有外管进水口 314和外管出水口 315，且外管进水口 314的位置低于外管出水口 315的位置，进水管61连接于外管进水口 314上，内保护管312的下部且靠近内保护管312的底部沿周向均匀设置有多个内管进水口 316，内管进水口 316连通外保护管311的内腔与内保护管312的内腔，内保护管312的上部设置有内管出水口 317，内管进水口 316上覆盖有用于阻止杂质进入内保护管312的金属筛网318，也可在内保护管312的下部沿周向包裹有覆盖所有内管进水口 316且用于阻止杂质进入内保护管312的金属筛网，出水管62连接于内管出水口 317与外管出水口 315上，要求出水管62为硬质导水管，单模光纤32同轴穿过外保护管311的顶部、内保护管312的顶部、内保护管312的底部、外保护管311的底部，即在外保护管311的顶部和底部的中心各开设一个轴向通孔，并在内保护管312的顶部和底部的中心也各开设一个轴向通孔，单模光纤32穿过四个轴向通孔，且使单模光纤32的上端外露于外保护管311的顶部外，单模光纤32的下端外露于外保护管311的底部外。在此，外保护管311和内保护管312均采用市售的塑料离心管，可取长度约为11cm，外保护管311的直径约为3cm，内保护管312的直径约为1.5cm ;也可以根据需要，选择不同形状、大小、材质的密闭性好的容器替代外保护管311和内保护管312。在此，在内保护管312的下部且靠近内保护管312的底部沿周向均匀设置多个内管进水口 316，并在内管进水口 316上覆盖有用于阻止杂质进入内保护管312的金属筛网318，可以有效地排除在实时监测时流水中的杂质对光纤光栅的污染。
[0024]在本实施例中，如图2所示，单模光纤32包括已剥除涂覆层的测量部分321及位于测量部分321的一端且未剥除涂覆层的上连接部分322和位于测量部分321的另一端且未剥除涂覆层的下连接部分323，测量部分32上光刻有一个仅对温度敏感的布拉格光纤光栅(FBG)324和一个对折射率敏感的M-Z (马赫-曾德)干涉仪，布拉格光纤光栅324和M-Z干涉仪构成级联光纤光栅，M-Z干涉仪由一对相同的长周期光纤光栅(LPFG) 325构成,布拉格光纤光栅324位于两个长周期光纤光栅325之间，布拉格光纤光栅324的栅区的长度为Icm,长周期光纤光栅325的栅区的长度约为1.7cm,两个长周期光纤光栅325相对一端之间的距离约为3.5?4.5cm,如取4cm,布拉格光纤光栅324与其中一个长周期光纤光栅325相对一端之间的距离约为1.5cm,测量部分321上光刻有布拉格光纤光栅324和M-Z干涉仪的部分裸光纤限制于内管进水口 316与内管出水口 317之间，使从内管进水口 316进入的流水经过布拉格光纤光栅324和M-Z干涉仪后从内管出水口 317排出，测量部分321的两端分别套设有用于保护测量部分321的端头的热缩套管326，热缩套管326同时为固定测量部分321的端头提供了方便，其中一个热缩套管326穿过双层保护套管31的顶部即外保护管311的顶部和内保护管312的顶部并与其密封连接，另一个热缩套管326穿过双层保护套管31的底部即外保护管311的底部和内保护管312的底部并与其密封连接，使测量部分321完全密封于双层保护套管31内，上连接部分322的自由端构成单模光纤32的上端，下连接部分323的自由端构成单模光纤32的下端。在此，FBG的栅区的长度由掩模板决定，LPFG的栅区的长度由光斑大小决定，当然也可以根据不同的需要来设定FBG和LPFG的栅区的长度；FBG与其中一个LPFG相对一端之间的距离为1.5cm，是为了方便刻写而设定的；两个LPFG相对一端之间的距离约为4cm是根据LPFG迈克尔逊干涉器原理而定的，既可以使其透射谱形成尖锐的干涉波峰，又不会使其总长度太长。
[0025]在具体实施时，可按照下述过程在单模光纤上制作级联光纤光栅:1)取一根已经载好氢的单模光纤，假设外保护管和内保护管的长度约为11cm，则利用剥线钳将所取的单模光纤中的一段长度约为IOcm的部分的涂覆层去掉，并用乙醇擦拭干净，再在已去除涂覆层的部分单模光纤上刻写一个FBG和一对LPFG，刻写完毕之后放在110°C的鼓风干燥箱中退火12小时，得到测量部分。在此，单模光纤可选用Corning SMF-28单模光纤，放在气压为50Mpa的氢气中载氢7天。2)在测量部分的两端套上热缩套管，然后放在熔接机中进行加热，使其固化，把测量部分的端头保护起来，得到本实施例采用的单模光纤。
[0026]为了检测本发明的装置对流水温度的敏感性，进行试验。在水槽中加入5L已经加热的自来水，打开水泵开关，使自来水在水泵、光纤光栅传感器和水槽中循环；同时打开ASE光源和光纤光谱仪，并设定光纤光谱仪为自动扫描，随着自来水的温度下降，观察光纤光谱仪的光谱变化，光纤光谱仪的光谱变化图如图3所示。从图3中可以看出，对于不同温度的自来水，光纤光谱仪所监测的透射光谱有明显的变化，且随着温度的降低，波峰往左移动。
[0027]为了检测本发明的装置对流水折射率的敏感性，进行试验。
[0028]在水槽中加入5L自来水，打开水泵开关，使自来水在水泵、光纤光栅传感器和水槽中循环；同时打开ASE光源和光纤光谱仪,并设定光纤光谱仪为自动扫描；然后每间隔一分钟往水槽中加入食用盐，随着盐的溶解，观察光纤光谱仪的光谱变化，光纤光谱仪的光谱变化图如图4所示。从图4中可以看出，对于含不同溶度食用盐的自来水，光纤光谱仪所监测的透射光谱有明显的变化，且随着溶度的增加，波峰往左移动。
[0029]在此，选用食用盐作为测量的对象，也可以选用其它含有金属离子的可溶性无机物，或葡萄糖等其它可溶性有机物。
【权利要求】
1.一种实时监测流水温度和折射率的装置，其特征在于包括水槽、水泵、光纤光栅传感器、ASE光源和光纤光谱仪，所述的光纤光栅传感器由双层保护套管及刻有对温度和折射率敏感的级联光纤光栅的单模光纤组成，所述的双层保护套管的上部设置有进水管和出水管，所述的单模光纤同轴贯穿设置于所述的双层保护套管上，所述的单模光纤位于所述的双层保护套管内的部分完全密封于所述的双层保护套管内，且要求从所述的进水管进入的流水流经所述的级联光纤光栅后从所述的出水管流出，所述的水槽与所述的水泵的进水端连接，所述的水泵的出水端与所述的进水管连接，所述的出水管与所述的水槽连接，所述的ASE光源的输出端与所述的单模光纤外露于所述的双层保护套管的顶部外的上端连接，所述的单模光纤外露于所述的双层保护套管的底部外的下端与所述的光纤光谱仪的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种实时监测流水温度和折射率的装置，其特征在于所述的双层保护套管包括同轴设置的两端封闭的外保护管和两端封闭的内保护管，所述的外保护管的上部设置有外管进水口和外管出水口，所述的进水管连接于所述的外管进水口上，所述的内保护管的下部且靠近所述的内保护管的底部沿周向设置有多个内管进水口，所述的内管进水口连通所述的外保护管的内腔与所述的内保护管的内腔，所述的内保护管的上部设置有内管出水口，所述的出水管连接于所述的内管出水口与所述的外管出水口上，所述的单模光纤同轴穿过所述的外保护管的顶部、所述的内保护管的顶部、所述的内保护管的底部、所述的外保护管的底部，且使所述的单模光纤的上端外露于所述的外保护管的顶部外，所述的单模光纤的下端外露于所述的外保护管的底部外。
3.根据权利要求2所述的一种实时监测流水温度和折射率的装置，其特征在于所述的外保护管的顶部设置有用于排出位于所述的外保护管内的流水中所含有的气泡的出气管。
4.根据权利要求2或3所述的一种实时监测流水温度和折射率的装置，其特征在于所述的内管进水口上覆盖有用于阻止杂质进入所述的内保护管的金属筛网。
5.根据权利要求4所述的一种实时监测流水温度和折射率的装置，其特征在于所述的单模光纤包括已剥除涂覆层的测量部分及位于所述的测量部分的一端且未剥除涂覆层的上连接部分和位于所述的测量部分的另一端且未剥除涂覆层的下连接部分，所述的测量部分上光刻有一个仅对温度敏感的布拉格光纤光栅和一个对折射率敏感的M-Z干涉仪,所述的布拉格光纤光栅和所述的M-Z干涉仪构成所述的级联光纤光栅，所述的测量部分上光刻有所述的布拉格光纤光栅和所述的M-Z干涉仪的部分裸光纤限制于所述的内管进水口与所述的内管出水口之间，所述的测量部分的两端分别套设有用于保护所述的测量部分的端头的热缩套管，其中一个所述的热缩套管穿过所述的双层保护套管的顶部并与其密封连接，另一个所述的热缩套管穿过所述的双层保护套管的底部并与其密封连接，使所述的测量部分完全密封于所述的双层保护套管内，所述的上连接部分的自由端构成所述的单模光纤的上端，所述的下连接部分的自由端构成所述的单模光纤的下端。
6.根据权利要求5所述的一种实时监测流水温度和折射率的装置，其特征在于所述的M-Z干涉仪由一对相同的长周期光纤光栅构成,所述的布拉格光纤光栅位于两个所述的长周期光纤光栅之间。
7.根据权利要求6所述的一种实时监测流水温度和折射率的装置，其特征在于所述的布拉格光纤光栅的栅区的长度为1cm，所述的长周期光纤光栅的栅区的长度为1.7cm，两个所述的长周期光纤光栅相对一端之间的距离为3.5~4.5cm,所述的布拉格光纤光栅与其中一个所述的长周期光纤光栅相对一端之间的距离为1.5cm。
8.根据权利要求7所述的一种实时监测流水温度和折射率的装置，其特征在于所述的水槽通过输水管与所述的水泵的进水端连接，所述的输水管伸入所述的水槽内的一端上连接有用于防止不溶解的大颗粒杂质进入所述的光纤光栅传感器中的过滤嘴。
9.根据权利要求8所述的一种实时监测流水温度和折射率的装置，其特征在于所述的水泵连接有用于控制水泵工作的控制模块，所述的控制模块包括直流电源、用于控制所述的水泵的转速的电位器、水泵开关，所述的直流电源、所述的电位器、所述的水泵开关和所述的水泵的电动机依次电连接构成闭合回路。
【文档编号】G01D21/02GK103983305SQ201410199137
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】白梅, 陶卫东, 何如双, 王乾龙, 张斌, 钱梦, 张玲芬 申请人:宁波大学