一种便携式的流水折射率测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种便携式的流水折射率测量装置，其包括依次连接的ASE光源、光纤光栅折射率传感器、光纤环形器和光纤布拉格光栅器件及与光纤环形器连接的光纤功率计，光纤光栅折射率传感器由双层保护套管及刻有对折射率敏感的级联长周期光纤光栅的第一单模光纤组成，双层保护套管上设有进水管和出水管，第一单模光纤同轴贯穿于双层保护套管上，第一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长周期光纤光栅后从出水管流出，光纤布拉格光栅器件中的光纤布拉格光栅的反射峰正好落在级联长周期光纤光栅的一个谐振峰上；优点是可实现流水折射率的实时监测与数字显示，且结构简单、操作简易、测量精度高。
【专利说明】一种便携式的流水折射率测量装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种流水折射率监测技术，尤其是涉及一种便携式的流水折射率测量
>J-U ρ?α装直。
【背景技术】
[0002]随着现代进程的加快，生态环境问题日益突出，水环境遭到的破坏日益严重，饮水安全已经成为全社会的关注重点。对于水来说，折射率的大小可以反映出其含杂质溶度的高低，因此，监测流水的折射率是对水环境质量监测的一种有效方式。
[0003]一方面，测量液体的折射率的手段有很多种，较为典型的测量方法有掠面入射法、光栅衍射法、激光照射法、杨氏干涉法和CCD测量法。但这些方法大多只能静态的测量液体的折射率，在液体流动等环境恶劣的场所会受到很大限制。
[0004]另一方面，光纤折射率传感器作为一种测量液体折射率的有效手段之一，受到了广泛的关注和研究，这是因为光纤折射率传感器有很多独特的优点，如高灵敏度、精确测量、快速响应、体积微小、防电磁干扰、可远程操作以及抗恶劣环境能力强等。但是，就目前国内外的报道与研究中，光纤折射率传感实验都是基于光谱分析仪(OSA)收集数据并完成分析的，虽然光谱分析仪具有高精度和高灵敏度等特点，但是光谱分析仪因价格昂贵不能广泛使用，体积大不方便携带，不适应恶劣环境等原因，而限制其只能在实验室特定的环境中使用。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作简易的便携式的流水折射率测量装置，其测量精度高，且可实现流水折射率的实时监测与数字显示。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种便携式的流水折射率测量装置，其特征在于包括ASE光源、光纤光栅折射率传感器、光纤环形器、光纤布拉格光栅器件和光纤功率计；所述的光纤光栅折射率传感器由双层保护套管及刻有对折射率敏感的级联长周期光纤光栅的第一单模光纤组成，所述的双层保护套管上设置有进水管和出水管，所述的第一单模光纤同轴贯穿设置于所述的双层保护套管上，所述的第一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长周期光纤光栅后从所述的出水管流出，所述的第一单模光纤外露于所述的双层保护套管的一轴端外的一端为所述的光纤光栅折射率传感器的输入端，所述的第一单模光纤外露于所述的双层保护套管的另一轴端外的另一端为所述的光纤光栅折射率传感器的输出端；所述的光纤布拉格光栅器件中的光纤布拉格光栅的反射峰正好落在所述的级联长周期光纤光栅的一个谐振峰上；所述的ASE光源的输出端与所述的光纤光栅折射率传感器的输入端连接，所述的光纤环形器的第一个端口作为光源入射端与所述的光纤光栅折射率传感器的输出端连接，所述的光纤环形器的第二个端口作为光源出射端与所述的光纤布拉格光栅器件的输入端连接，所述的光纤环形器的第三个端口作为监测端与所述的光纤功率计的输入端连接。
[0007]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，所述的外保护管上设置有外管进水口，所述的外保护管靠近一轴端上设置有外管出水口，所述的进水管连接于所述的外管进水口上，所述的内保护管靠近另一轴端上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，所述的内保护管靠近一轴端上设置有内管出水口，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，所述的第一单模光纤同轴贯穿所述的外保护管的两轴端和所述的内保护管的两轴端，且使所述的第一单模光纤的一端外露于所述的外保护管的一轴端外，所述的第一单模光纤的另一端外露于所述的外保护管的另一轴端外；在此，双层保护套管由同轴设置的外保护管和内保护管组成，且外保护管和内保护管的两端均封闭，一方面，保证了级联长周期光纤光栅工作于密闭的环境中，不仅在实时监测流水折射率的同时可以有效地降低裸光纤因外界环境变化而损坏的风险，而且如果光刻有级联长周期光纤光栅的裸光纤被折断，则可方便地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，为流水提供了一个容纳空间；将设置于内保护管上的内管进水口和内管出水口分布于内保护管的两轴端附近，可确保从内管进水口进入的流水流经级联长周期光纤光栅后从内管出水口流出，保证了流水折射率测量的精确度。
[0008]所述的内管进水口上覆盖有用于防止杂质和气泡的干扰的金属过滤网；在此，金属过滤网很好的阻止了杂质和流水中所含的气泡进入到内保护管中，可以避免杂质和气泡附着在刻有级联长周期光纤光栅的裸光纤上，从而保证了流水折射率测量的精度。
[0009]所述的第一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第一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第二连接部分，所述的级联长周期光纤光栅光刻于所述的测量部分上，所述的测量部分上光刻有所述的级联长周期光纤光栅的部分结构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一轴端并与其密封连接，另一个所述的热缩套管穿过所述的双层保护套管的另一轴端并与其密封连接，使所述的测量部分完全密封于所述的双层保护套管内，所述的第一连接部分的自由端构成所述的光纤光栅折射率传感器的输入端，所述的第二连接部分的自由端构成所述的光纤光栅折射率传感器的输出端；在此，在测量部分上光刻有级联长周期光纤光栅，由于该级联长周期光纤光栅的透射谱干涉峰宽度窄且对折射率敏感，因此可以实时测量流水折射率的变化；将测量部分上光刻有级联长周期光纤光栅的部分结构限制于内管进水口与内管出水口之间，目的就是为了保证流水流经级联长周期光纤光栅；在测量部分的端头上套设热缩套管，不仅有效地保护了测量部分的端头，而且起到了密封的作用。
[0010]所述的级联长周期光纤光栅由两个周期相同的长周期光纤光栅组成，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
2.5 ?4.5cm。
[0011]所述的光纤布拉格光栅器件由两端封闭且中空的保护套及刻有光纤布拉格光栅的第二单模光纤组成，所述的第二单模光纤同轴贯穿设置于所述的保护套上，所述的第二单模光纤包括已剥除涂覆层的裸光纤部分及位于所述的裸光纤部分的一端且未剥除涂覆层的连接部分和位于所述的裸光纤部分的另一端且未剥除涂覆层的悬空部分，所述的光纤布拉格光栅光刻于所述的裸光纤部分上，所述的裸光纤部分完全密封于所述的保护套内，所述的连接部分外露于所述的保护套的一轴端外且所述的连接部分的自由端构成所述的光纤布拉格光栅器件的输入端，所述的悬空部分外露于所述的保护套的另一轴端外且所述的悬空部分的自由端悬空；在此，保护套两端封闭，且光刻光纤布拉格光栅的裸光纤部分完全密封于保护套内，一方面，不仅保护了裸光纤部分免受外界破坏，而且如果裸光纤部分被折断，则可方便地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，光纤布拉格光栅既可以免受温度和折射率的影响，又可以免受外界的应力而发生形变，因此可以保持光纤布拉格光栅的反射光谱的波长恒定不变，并防止光纤布拉格光栅折断。
[0012]所述的光纤布拉格光栅的栅区的长度为1cm。
[0013]与现有技术相比，本发明的优点在于:
I)本装置中采用级联长周期光纤光栅测量流水的折射率，由于级联长周期光纤光栅具有精度高、谐振峰窄、反应灵敏、稳定性好等优点，因此能够使得最终测量得到的流水折射率的精度高。
[0014]2)本装置采用光纤功率计作为监测设备，不仅大大降低了成本，而且光纤功率计体积小，便于携带，在一定程度上提高了本装置的使用灵活性，从而使得本装置可以适用于更多、更复杂的环境中。
[0015]3)本装置要求光纤布拉格光栅器件中的光纤布拉格光栅的反射峰正好落在光纤光栅折射率传感器中的级联长周期光纤光栅的谐振峰上，是因为长周期光纤光栅虽然对折射率敏感，但是长周期光纤光栅并没有反射功能，如果直接将光纤功率计连接于光纤光栅折射率传感器的输出端，则光纤功率计的示数对折射率不是很敏感而且也不准确，因此本装置通过一个光纤布拉格光栅器件来反射，因光纤布拉格光栅器件中的光纤布拉格光栅的反射峰十分窄，故光纤功率计可以准确的测量变化的功率，这样本装置工作时，如果流水中可溶性物质的溶度变化即流水的折射率发生改变，则会使流水流过的级联长周期光纤光栅的光谱发生移动变化，然后使光纤布拉格光栅反射的光功率发生变化，最终反射回的光功率会通过光纤功率计的示数反应出来，因此本装置可实现流水折射率的实时监测与数字显
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[0016]4)本装置由ASE光源、光纤光栅折射率传感器、光纤环形器、光纤布拉格光栅器件和光纤功率计组成，结构简单，使用时只需利用外部水泵向双层保护套管内注入流水，并打开各器件，就可实现流水折射率的实时监测，操作简易。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的流水折射率测量装置的组成结构示意图；
图2为本发明的流水折射率测量装置中的光纤光栅折射率传感器的剖视结构示意图；图3为光纤布拉格光栅的反射峰正好落在级联长周期光纤光栅的一个谐振峰上的示意图。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0019]本发明提出的一种便携式的流水折射率测量装置，如图1和图2所示，其包括ASE光源1、光纤光栅折射率传感器2、光纤环形器3、光纤布拉格光栅器件4和光纤功率计5 ;光纤光栅折射率传感器2由双层保护套管21及采用紫外光光刻有对折射率敏感的级联长周期光纤光栅的第一单模光纤22组成，双层保护套管21上设置有进水管6和出水管7，进水管6的进水端可以与水泵相连或与其它取水装置相连，出水管7的出水端可以连接一根引水管，第一单模光纤22同轴贯穿设置于双层保护套管21上，第一单模光纤22位于双层保护套管21内的部分完全密封于双层保护套管21内，且要求从进水管6进入的流水流经级联长周期光纤光栅后从出水管7流出，第一单模光纤22外露于双层保护套管21的一轴端外的一端为光纤光栅折射率传感器2的输入端,第一单模光纤22外露于双层保护套管21的另一轴端外的另一端为光纤光栅折射率传感器2的输出端；光纤布拉格光栅器件4中的光纤布拉格光栅的反射峰正好落在两个周期相同的长周期光纤光栅23、24构成的级联长周期光纤光栅的一个谐振峰上，如图3所示；ASE光源I的输出端通过光纤与光纤光栅折射率传感器2的输入端连接，光纤环形器3的第一个端口作为光源入射端31通过光纤与光纤光栅折射率传感器2的输出端连接，光纤环形器3的第二个端口作为光源出射端32通过光纤与光纤布拉格光栅器件4的输入端连接，光纤环形器3的第三个端口作为监测端33通过光纤与光纤功率计5的输入端连接，光纤功率计5可以接收光纤布拉格光栅反射回的光功率。
[0020]在此具体实施例中，双层保护套管21包括同轴设置的两端封闭的外保护管211和两端封闭的内保护管212，外保护管211上设置有外管进水口 213，外保护管211靠近一轴端上设置有外管出水口 214，进水管6连接于外管进水口 213上，内保护管212靠近另一轴端上沿周向设置有多个内管进水口 215，多个内管进水口 215上共同覆盖有一张用于防止杂质和气泡的干扰的金属过滤网217，内管进水口 215连通外保护管211的内腔与内保护管212的内腔，内保护管212靠近一轴端上设置有内管出水口 216，出水管7连接于内管出水口 216与外管出水口 214上，第一单模光纤22同轴贯穿外保护管211的两轴端和内保护管212的两轴端，且使第一单模光纤22的一端外露于外保护管211的一轴端外，第一单模光纤22的另一端外露于外保护管211的另一轴端外；第一单模光纤22包括已剥除涂覆层的测量部分221及位于测量部分221的一端且未剥除涂覆层的第一连接部分222和位于测量部分221的另一端且未剥除涂覆层的第二连接部分223，级联长周期光纤光栅光刻于测量部分221上，测量部分221上光刻有级联长周期光纤光栅的部分结构限制于内管进水口215与内管出水口 216之间，测量部分221的两端分别套设有用于保护测量部分221的端头的热缩套管8，同时热缩套管8确保了测量部分221的两端与双层保护套管21之间的结合完全密封，其中一个热缩套管穿过双层保护套管21的一轴端并通过胶水黏接使两者密封连接，另一个热缩套管穿过双层保护套管21的另一轴端并通过胶水黏接使两者密封连接，使测量部分221完全密封于双层保护套管21内，第一连接部分222的自由端构成光纤光栅折射率传感器2的输入端,第二连接部分223的自由端构成光纤光栅折射率传感器2的输出端。
[0021]在此具体实施例中，光纤布拉格光栅器件4由两端封闭且中空的保护套41及采用紫外光光刻有光纤布拉格光栅(图中未示出)的第二单模光纤42组成，第二单模光纤42同轴贯穿设置于保护套41上，第二单模光纤42包括已剥除涂覆层的裸光纤部分(图中未示出)及位于裸光纤部分的一端且未剥除涂覆层的连接部分421和位于裸光纤部分的另一端且未剥除涂覆层的悬空部分422,光纤布拉格光栅光刻于裸光纤部分上,裸光纤部分完全密封于保护套41内，连接部421分外露于保护套41的一轴端外且连接部分421的自由端构成光纤布拉格光栅器件4的输入端,悬空部分422外露于保护套41的另一轴端外且悬空部分422的自由端悬空。
[0022]在本实施例中，级联长周期光纤光栅由两个周期相同的长周期光纤光栅23、24组成，长周期光纤光栅的栅区的长度为1.7cm，长周期光纤光栅的周期为400--m，两个长周期光纤光栅23、24相对一端之间的距离为2.5?4.5cm,如具体设计时可将两个长周期光纤光栅相对一端之间的距离设计为2.5cm，实际上可以根据双层保护套管的长度来设定两个长周期光纤光栅相对一端之间的距离；光纤布拉格光栅的栅区的长度为Icm,光纤布拉格光栅的周期为1064nm。具体设计时，可根据实际情况，光刻不同周期和栅区长度的长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅。
[0023]在本实施例中，光纤环形器3米用市售的三端口光纤环形器,设有三个端口 ；光纤功率计5采用市售的手持式光纤功率计，型号不限，也可以采用具有阀值设置报警功能的光纤功率计，这样当光纤功率计5接收到的功率变化超出阀值时就会自动发出警报声；夕卜保护管211和内保护管212可采用普通的塑料管制成；保护套41可采用普通的塑料管制成，也可以直接采用热缩套管。
[0024]本装置由于采用了周期相同且对折射率敏感的级联长周期光纤光栅，长周期光纤光栅虽然对折射率敏感，但是长周期光纤光栅并没有反射功能，如果直接将光纤功率计连接于光纤光栅折射率传感器的输出端，则光纤功率计的示数对折射率不是很敏感而且也不准确，因此本装置通过一个光纤布拉格光栅器件来反射，因光纤布拉格光栅器件中的光纤布拉格光栅的反射峰十分窄，故光纤功率计可以准确的测量变化的功率。
[0025]本装置要求光纤布拉格光栅的反射峰刚好落在级联长周期光纤光栅的一个谐振峰上，在实际操作时，可以根据光纤布拉格光栅的反射峰来刻长周期光纤光栅，也可以根据长周期光纤光栅的谐振峰来选取光纤布拉格光栅。为了检测本装置中的光纤布拉格光栅的反射峰是否落在级联长周期光纤光栅的一个谐振峰上，可以将刻有光纤布拉格光栅的第二单模光纤的悬空部分的自由端接在光纤光谱仪上进行测试，光纤光谱仪测得的光谱如图3所示。
【权利要求】
1.一种便携式的流水折射率测量装置，其特征在于包括ASE光源、光纤光栅折射率传感器、光纤环形器、光纤布拉格光栅器件和光纤功率计；所述的光纤光栅折射率传感器由双层保护套管及刻有对折射率敏感的级联长周期光纤光栅的第一单模光纤组成，所述的双层保护套管上设置有进水管和出水管，所述的第一单模光纤同轴贯穿设置于所述的双层保护套管上，所述的第一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长周期光纤光栅后从所述的出水管流出，所述的第一单模光纤外露于所述的双层保护套管的一轴端外的一端为所述的光纤光栅折射率传感器的输入端，所述的第一单模光纤外露于所述的双层保护套管的另一轴端外的另一端为所述的光纤光栅折射率传感器的输出端；所述的光纤布拉格光栅器件中的光纤布拉格光栅的反射峰正好落在所述的级联长周期光纤光栅的一个谐振峰上；所述的ASE光源的输出端与所述的光纤光栅折射率传感器的输入端连接,所述的光纤环形器的第一个端口作为光源入射端与所述的光纤光栅折射率传感器的输出端连接，所述的光纤环形器的第二个端口作为光源出射端与所述的光纤布拉格光栅器件的输入端连接，所述的光纤环形器的第三个端口作为监测端与所述的光纤功率计的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种便携式的流水折射率测量装置，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，所述的外保护管上设置有外管进水口，所述的外保护管靠近一轴端上设置有外管出水口，所述的进水管连接于所述的外管进水口上，所述的内保护管靠近另一轴端上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，所述的内保护管靠近一轴端上设置有内管出水口，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，所述的第一单模光纤同轴贯穿所述的外保护管的两轴端和所述的内保护管的两轴端，且使所述的第一单模光纤的一端外露于所述的外保护管的一轴端外，所述的第一单模光纤的另一端外露于所述的外保护管的另一轴端外。
3.根据权利要求2所述的一种便携式的流水折射率测量装置，其特征在于所述的内管进水口上覆盖有用于防止杂质和气泡的干扰的金属过滤网。
4.根据权利要求3所述的一种便携式的流水折射率测量装置，其特征在于所述的第一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第一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第二连接部分，所述的级联长周期光纤光栅光刻于所述的测量部分上，所述的测量部分上光刻有所述的级联长周期光纤光栅的部分结构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一轴端并与其密封连接，另一个所述的热缩套管穿过所述的双层保护套管的另一轴端并与其密封连接，使所述的测量部分完全密封于所述的双层保护套管内，所述的第一连接部分的自由端构成所述的光纤光栅折射率传感器的输入端，所述的第二连接部分的自由端构成所述的光纤光栅折射率传感器的输出端。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种便携式的流水折射率测量装置，其特征在于所述的级联长周期光纤光栅由两个周期相同的长周期光纤光栅组成，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2.5?4.5cm。
6.根据权利要求5所述的一种便携式的流水折射率测量装置，其特征在于所述的光纤布拉格光栅器件由两端封闭且中空的保护套及刻有光纤布拉格光栅的第二单模光纤组成，所述的第二单模光纤同轴贯穿设置于所述的保护套上，所述的第二单模光纤包括已剥除涂覆层的裸光纤部分及位于所述的裸光纤部分的一端且未剥除涂覆层的连接部分和位于所述的裸光纤部分的另一端且未剥除涂覆层的悬空部分，所述的光纤布拉格光栅光刻于所述的裸光纤部分上，所述的裸光纤部分完全密封于所述的保护套内，所述的连接部分外露于所述的保护套的一轴端外且所述的连接部分的自由端构成所述的光纤布拉格光栅器件的输入端，所述的悬空部分外露于所述的保护套的另一轴端外且所述的悬空部分的自由端悬空。
7.根据权利要求6所述的一种便携式的流水折射率测量装置，其特征在于所述的光纤布拉格光栅的栅区的长度为1cm。
【文档编号】G01N21/41GK104237165SQ201410436192
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】何如双, 陶卫东, 王乾龙, 张玲芬 申请人:宁波大学