基于全光纤的气液混合测量装置及远程气液混合测量系统的制作方法

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种可以同时对被测液体、气体的浓度进行检测的全光纤气液混合测量装置。

背景技术：

近年随着科技的发展，各种气体以及液体检测技术层出不穷，实时准确的检测液体以及气体的浓度在科学研究、工业生产、环境监控、能源开采等领域具有重要的意义。光纤传感器由于具有抗电磁干扰、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、微型化等诸多的优点，已经广泛的应用于各种气体和液体中的离子、生物分子、药物等进行检测。

常见的光纤气体传感器以及光纤液体传感器根据原理可以分为光谱吸收型、荧光型、染料指示剂型、折射率变化型、以及倏逝波型等。多年来人们不断的改进气体以及液体光纤传感器的结构，使得这一类传感器的测量精度有了一定程度的提高，但是传感器仍然存在测量系统复杂、成本较高，稳定性差，易受外界环境的影响等缺点。而且现阶段的光纤传感器均对单一变量进行测量，如《一种强度解调型光纤气体传感器》(中国专利申请CN105044033A)记载的该光纤传感器通过测量光强的变化来获得待测气体浓度的大小。又如《一种基于图像分析和表面等离子体共振的液体折射率光纤传感器》(中国专利申请CN105466808A)记载了该传感器基于表面等离子体共振的原理通过分析透射光谱的变化来确定被测液体的折射率。这两件发明申请均只能测量单一物质的浓度。这就导致使用传统的手段检测气体和液体的浓度时，普遍使用专门独立的两套检测系统。当需要对气体液体的浓度需要整体分析时，必须这两套系统都得到了各自的测量结果并且汇总后才可以进行分析。这样的检测方法一方面导致了传感器装置的布置复杂且增加了检测成本，另一方面因为各个传感装置的作用原理不同从而导致各个传感器系统的误差不同，最终导致系统分析结果精度的下降。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种基于全光纤的气液混合测量装置成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

基于现有技术，本发明提出了一种基于全光纤的气液混合测量装置及远程气液混合测量系统，实现了在一个装置内实时准确的测量气体、液体浓度，略去了普通气体传感器中的梳状滤波器。

本发明的一种基于全光纤的气液混合测量装置，该装置由可调谐激光器1、光纤耦合器3、气体传感器6、液体传感器11、光功率测量装置15、总线控制器16、计算机17组成；可调谐激光器1和光纤耦合器3之间通过单模光纤2连接；光纤耦合器3的第一个接口通过单模光纤4连接气体传感器6，气体传感器6和光功率测量装置15通过单模光纤8相连接；光纤耦合器3的第二个接口通过单模光纤14和光功率测量装置15直接连接；光纤耦合器3的第三个接口通过单模光纤9连接液体传感器11，液体传感器11和光功率测量装置15之间通过单模光纤13相连接；最后光功率测量装置15d采集到的数据通过总线控制器16传输到计算机17进行数据处理，实时显示测量结果；

可调谐激光器1发射出的激光首先经过耦合器3分为三束；第一道光束经过单模光纤4后经过气体传感器6以及单模光纤8后进入光功率测量装置15；第二道光束直接经过单模光纤14后进入光功率测量装置15作为参考光功率存在；第三道光束进过单模光纤9液体传感器11后再经过单模光纤13进入光功率测量装置15；光功率测量装置15将接收到的光功率信号转化为电信号后经过总线控制器16传输给计算机17，经过数据处理，得到待测气体以及液体的浓度。

本发明的一种基于全光纤的气液混合测量装置的远程气液混合测量系统，该测量系统包括设置于控制端的可调谐激光器1、光纤耦合器3、光功率测量装置15、总线控制器16、计算机17；设置于测试端的各个基于全光纤的气/液传感器，即包括气体传感器6、液体传感器11；可调谐激光器1和光纤耦合器3之间通过单模光纤2连接；光纤耦合器3的第一个接口通过单模光纤4分别连接各个测试端的气体传感器6，所述各个测试端的气体传感器6和控制端的光功率测量装置15分别通过单模光纤8远程连接；光纤耦合器3的第二个接口通过单模光纤14和光功率测量装置15直接连接；光纤耦合器3的第三个接口通过单模光纤9分别连接各个测试端的液体传感器11，所述各个测试端的液体传感器11和光功率测量装置15之间分别通过单模光纤13相连接；最后光功率测量装置15采集到的数据通过总线控制器16传输到计算机17进行数据处理，实时显示测量结果；

可调谐激光器1发射出的激光首先经过耦合器3分为三束；第一道光束经过各个单模光纤4后经过所述各个测试端的气体传感器6以及各个单模光纤8后进入光功率测量装置15；第二道光束直接经过单模光纤14后进入光功率测量装置15作为参考光功率存在；第三道光束经过各个单模光纤9后经过所述各个测试端的液体传感器11后再经过各个单模光纤13进入光功率测量装置15；光功率测量装置15将接收到的光功率信号转化为电信号后经过总线控制器16传输给计算机17，经过数据处理，得到待测气体以及液体的浓度。

与现有技术相比，本发明搭建出用于科学研究、能源化工、环境监控和工业生产等领域的全光纤传感装置；在减小探测器体积的同时提高了检测精度；简化了整个仪器；通过光纤将多个气体、液体检测装置分布于不同的监测站点，降低成本；具有气液同时检测功能，易于操作、检测快速。

附图说明

图1为本发明的基于全光纤的气液混合测量装置的实施例结构示意图。

附图标记：1、可调谐激光器，2、4、8、9、13、14、单模光纤，3、光纤耦合器，5、气体传感器出射端，6、气体传感器，7、气体传感器传感头，10、金属镀膜层，11、液体传感器，12、倾斜光纤光栅，15、光功率测量装置，16、总线控制器，17、计算机；

图2为本发明的基于全光纤的气液混合测量装置及其远程气液混合测量系统的系统部署实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施实例对本发明进一步描述。

如图1所示，为本发明的基于全光纤的气液混合测量装置的实施例结构示意图。

可调谐激光器1发出的激光首先经过耦合器3分为三束激光，第一束激光经过单模光纤4后一部分特定波长的激光会被气体传感器6所吸收，被吸收后的激光经过单模光纤8)后进入光功率测量装置15。另一部分激光经过单模光纤14后直接进入光功率测量装置(15)，这一部分作为参考光源存在。最后一部分光束经过单模光纤9后进入液体吸收腔，在TFBG-SPR传感器的作用下，部分波段的激光被吸收，出射光束经过单模光纤(13)后进入光功率测量装置(15)，光功率测量装置测量每部分入射光的各个波段的光纤，并将这些信号转化为电信号，通过总线控制器16后输入计算机17中，在计算机端，采用LABVIEW和光功率测量装置15通信、处理数据并将最后的结果显示出来。

装置光源采用可调谐激光器(1)，其可调谐的波长范围为1500-1570nm。

单模光纤2、4、8、9、13、14、倾斜光纤光栅12的光纤直径为9μm，包层直径为125nm，纤芯材质为石英玻璃。

倾斜光纤光栅12的光线长度为10mm，金属镀膜层10的膜层厚度为20-100nm。

倾斜光纤光栅12的倾斜角度为2度～10度，光栅常数为0.6μm～0.8μm。

TFBG-SPR技术测量液体浓度的原理是，在单模光纤中向前传输的光束在经过TFBG时，由于TFBG本身的倾斜，导致一部分光束从单模光纤的纤芯泄漏到包层中形成包层模。包层模会在包层中传播，并在包层和金属层的界面上发生衰减全反射。当包层模以特定的角度入射到包层和金属层的交界面时，就会在交界面上产生表面等离子体波。当表面等离子体波与包层模传播常数匹配时，在光线的激励下引起金属膜内自由电子产生共振，即SPR，从而导致透射光波长变化，而表面等离子体波的传播很大程度上与周围介质的折射率有关，所以TFBG-SPR传感器可以制成高精度折射计。

传统的光谱吸收型气体传感器会采用宽频带光源搭配梳状滤波器来测量气体的浓度。在本发明中，将宽频带光源更换为可调谐激光源，由于其带有波长扫描的功能，因此省去了传统光谱吸收型光纤气体传感器中的滤波部分。

本发明的全光纤气液混合测量装置利用光纤将气体、液体检测装置以及包括激光源、解调装置、光电检测器的主机部分进行连接。

本发明的基于光纤的气液混合测量可以通过光纤将多个气体、液体检测装置分布于不同的监测站点，实现在在一台激光源下，所有的信号均通过光纤在装置之间传播，适合于远距离的气体液体混合传感检测。

液体传感器(11)使用TFBG-SPR传感器进行液体浓度的测量，在减小探测器体积的同时提高了检测精度；和普通的光谱吸收型的气体传感器相比，本发明中的气体传感器使用略去梳状滤波器的光谱吸收型气体传感器来测量气体中被测量浓度的变化，简化了整个仪器。