一种单端口同时检测流水温度和折射率的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种单端口同时检测流水温度和折射率的装置，其包括恒温水槽、水泵、光纤光栅传感器、光环形器、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，单模光纤的尾端端面上镀设有银膜，单模光纤的上端固定于双层保护套管的顶端上，且位于双层保护套管内的部分完全密封悬置于双层保护套管内，恒温水槽通过水泵与进水管连接，出水管与恒温水槽连接，ASE光源与光环形器的第一个端口连接，单模光纤的上端与光环形器的第二个端口连接，光环形器的第三个端口与光纤光谱仪连接；优点是结构简单、成本低、操作简易，且检测精度高。
【专利说明】一种单端口同时检测流水温度和折射率的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种流水质量监测技术，尤其是涉及一种单端口同时检测流水温度和折射率的装置。
【背景技术】
[0002]流水的温度及折射率是水极为重要的两个参数，在生产化工及反应测量领域常常有着重要参考价值。流水的折射率与温度密切相关，因此检测流水的折射率时必须考虑流水的温度因素。然而，现有的检测手段检测对象单一，往往无法实现流水温度和折射率的同时检测。因此，有必要研究一种能够实现流水温度和折射率同时检测的实时检测技术。
【发明内容】
[0003]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种单端口同时检测流水温度和折射率的装置，其结构简单、成本低、操作简易，且检测精度高。
[0004]本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种单端口同时检测流水温度和折射率的装置，其特征在于包括恒温水槽、水泵、光纤光栅传感器、光环形器、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，所述的单模光纤的尾端端面上镀设有银膜，所述的单模光纤的上端固定于所述的双层保护套管的顶端上，且使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悬置于所述的双层保护套管内，同时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，所述的恒温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恒温水槽连接，所述的ASE光源的输出端与所述的光环形器的第一个端口连接，所述的单模光纤的上端与所述的光环形器的第二个端口连接，所述的光环形器的第三个端口与所述的光纤光谱仪的输入端连接。
[0005]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和所述的内保护管的顶部，所述的单模光纤的上端与所述的外保护管的顶部和所述的内保护管的顶部固定连接，且使所述的单模光纤位于所述的内保护管内的部分完全密封悬置于所述的内保护管内。
[0006]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。
[0007]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，所述的金属筛网的规格为100目?200目。
[0008]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上端且未剥除涂覆层的连接部分，所述的测量部分的下端构成所述的单模光纤的尾端，所述的银膜镀设于所述的测量部分的下端端面上，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长周期光纤光栅，所述的布拉格光纤光栅和所述的长周期光纤光栅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长周期光纤光栅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，所述的测量部分的上端套设有用于保护所述的测量部分的上端端头的热缩套管，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，使所述的测量部分完全密封于所述的双层保护套管内，所述的连接部分的自由端构成所述的单模光纤的上端。
[0009]所述的布拉格光纤光栅与所述的长周期光纤光栅相对一端之间的距离不超过5cm。
[0010]与现有技术相比，本实用新型的优点在于:
[0011]I)由于流水中可溶性物质的溶度变化而导致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。
[0012]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。
[0013]3)本装置利用恒温水槽、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】
[0014]图1为本实用新型的装置的组成结构示意图；
[0015]图2为本实用新型的装置中的光纤光栅传感器的透视结构示意图；
[0016]图3为利用本实用新型的装置监测得到的不同温度下光纤光栅传感器的谐振峰峰谷的变化示意图；
[0017]图4为利用本实用新型的装置监测得到的不同浓度下光纤光栅传感器的谐振峰峰谷的变化示意图。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
[0019]由于光纤光栅技术的物理性能稳定优越、制作技术成熟、生产成本低廉、能够实时测量多环境变量，因此近年来已逐渐广泛地应用于工业技术等诸多领域。目前，光纤光栅传感器已用于气体监测、桥梁应力监测、折射率测量、化学成分测定等诸多领域。本实用新型鉴于此，提出了一种单端口同时检测流水温度和折射率的装置，如图1所示，其包括恒温水槽5、水泵6、光纤光栅传感器4、光环形器3、ASE光源I和光纤光谱仪2,光纤光栅传感器4由双层保护套管41及刻有对温度和折射率敏感的级联光纤光栅的单模光纤42组成，双层保护套管41的上部设置有进水管71和出水管72，且进水管71的位置低于出水管72的位置，单模光纤42的尾端端面上镀设有银膜421，单模光纤42的上端同轴固定于双层保护套管41的顶端上，且使单模光纤42位于双层保护套管41内的部分完全密封悬置于双层保护套管41内(即单模光纤42的上端与双层保护套管41的顶端密封固定连接，且单模光纤42位于双层保护套管41内的部分与双层保护套管41的底部及侧壁不相接触)，同时要求从进水管71进入的流水流经级联光纤光栅后从出水管72流出，恒温水槽5与水泵6的进水端连接，水泵6的出水端与进水管71连接，出水管72与恒温水槽5连接，ASE光源I的输出端通过Corning SMF-28单模光纤与光环形器3的第一个端口连接,单模光纤42的上端通过Corning SMF-28单模光纤与光环形器3的第二个端口连接，光环形器3的第三个端口通过Corning SMF-28单模光纤与光纤光谱仪2的输入端连接。
[0020]在本实施例中，如图2所示，双层保护套管41包括同轴设置的两端封闭的外保护管411和两端封闭的内保护管412，外保护管411的直径大于内保护管412的直径，外保护管411的顶部设置有用于排出位于外保护管411内的流水中所含有的气泡的出气管73，夕卜保护管411的上部设置有外管进水口 413和外管出水口 414，且外管进水口 413的位置低于外管出水口 414的位置,进水管71连接于外管进水口 413上，内保护管412的下部且靠近内保护管412的底部沿周向均匀设置有多个内管进水口 415，内管进水口 415连通外保护管411的内腔与内保护管412的内腔，内管进水口 415上覆盖有用于阻止杂质进入内保护管412的金属筛网417，也可在内保护管412的下部沿周向包裹有覆盖所有内管进水口 415且用于阻止杂质进入内保护管412的金属筛网，金属筛网417的规格为100目?200目，如采用规格为100目的金属筛网，金属筛网417的设置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，内保护管412的上部设置有内管出水口 416，出水管72连接于内管出水口 416与外管出水口 414上，单模光纤42同轴穿过外保护管411的顶部和内保护管412的顶部，单模光纤42的上端与外保护管411的顶部和内保护管412的顶部固定连接(即外保护管411的顶部和内保护管412的顶部均设置有中心通孔，单模光纤42穿过两个中心通孔使其上端与外保护管411的顶部和内保护管412的顶部固定连接)，且使单模光纤42位于内保护管412内的部分完全密封悬置于内保护管412内。
[0021]在本实施例中，如图2所示，单模光纤42包括已剥除涂覆层的测量部分422及位于测量部分422的上端且未剥除涂覆层的连接部分423，测量部分422的下端构成单模光纤42的尾端，银膜421镀设于测量部分422的下端端面上，测量部分422上光刻有一个仅对温度敏感的布拉格光纤光栅424和一个对折射率敏感的长周期光纤光栅425,布拉格光纤光栅424和长周期光纤光栅425构成级联光纤光栅,测量部分422上光刻有布拉格光纤光栅424和长周期光纤光栅425的部分裸光纤限制于内管进水口 415与内管出水口 416之间，使从内管进水口 415进入的流水经过布拉格光纤光栅424和长周期光纤光栅425后从内管出水口 416排出，布拉格光纤光栅424与长周期光纤光栅425相对一端之间的距离不超过5cm，测量部分422的上端套设有用于保护测量部分422的上端端头的热缩套管8，热缩套管8穿过双层保护套管41的顶部并与其密封连接，使测量部分422完全密封于双层保护套管41内，连接部分423的自由端构成单模光纤42的上端。目前，应用的光纤光栅主要分为布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)和长周期光纤光栅(Long Per1d Grating, LPG)两种，布拉格光纤光栅能够有效地监测温度、应力、形变等物理量，而由于其光传输模式只在纤芯中传播，因此其无法测量外界环境的折射率等变化；而长周期光纤光栅由于纤芯的传输膜与包层膜能够相互干涉，因此能够测量外界环境中诸如折射率及一些化学成分的变化。因此，本实用新型的实时检测装置在已剥除涂覆层的测量部分422上光刻一个仅对温度敏感的布拉格光纤光栅424和一个对折射率敏感的长周期光纤光栅425,以使光纤光栅传感器4既对温度敏感又对折射率敏感。在此，测量部分422的下端端面上镀设的银膜421与测量部分422上光刻的长周期光纤光栅425构成长周期光纤光栅迈克尔逊干涉仪，其反射谱宽度窄，因此可以精确的检测到外界环境折射率的变化。
[0022]在本实施例中，恒温水槽5采用安装有现有的恒温装置的水槽；水泵6可采用现有的微型水泵；光环形器3和ASE光源I均采用现有技术；光纤光谱仪2采用现有技术，其分辨率在0.02nm及以上；银膜421为银反射膜；外保护管411和内保护管412均可采用现有的两端封闭的透明塑料管或两端封闭的透明玻璃管；由于出水管72连接于内管出水口 416与外管出水口 414之间，因此出水管72采用现有的硬质水管。
[0023]为了检测本实用新型的实时检测装置对流水温度的敏感性，进行试验。首先在恒温水槽中加入3L已经加热至23°C的自来水，打开水泵开关，使自来水在水泵、光纤光栅传感器和恒温水槽中循环；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；记录光纤光谱仪显示的光谱数据。其次再更改恒温水槽的温度设定，将水温设定为26°C，等其温度稳定后，由光纤光谱仪记录下光谱数据。采用同样的过程，分别再设定恒温水槽温度为29°C、31°C、34°C、38°C，分别记录光纤光谱仪显示的光谱数据。图3给出了在室温(23°C)下，普通自来水不同温度(23°C、26 °C、29 °C、31°C、34°C ,38 °C)下光纤光栅传感器的谐振峰谷的变化，图3中对峰值波长的选取采用波峰(谷)所在的3dB谱宽的中心波长。
[0024]为了检测本实用新型的装置对流水折射率的敏感性，进行试验。在恒温水槽中加入3L自来水，并利用恒温水槽将自来水的水温控制在23°C。由于溶液在不同浓度时对应着不同的折射率，因此可以通过溶液不同的浓度来体现其折射率的差异。首先向恒温水槽中加入3L自来水，然后打开水泵开关，使水循环，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，光纤光谱仪记录下不加盐时流水的光谱数据。然后再向装有3L自来水的恒温水槽中加入20g食盐，用玻璃棒充分搅拌，等食盐充分溶解后启动水泵使自来水流动起来，再记录光纤光谱仪显示的光谱数据。之后再依次向水槽中加入30g、20g、30g食盐，重复之前步骤，用光谱仪记录下各自的光谱数据。最后可以通过光纤光谱仪上的曲线变化检测到流水折射率的变化。图4给出了在室温(23°C)下，普通自来水温度为23°C时向自来水上加入不同质量食盐后光纤光栅传感器的谐振峰峰谷的变化，图4中对峰值波长的选取采用波峰(谷)所在的3dB谱宽的中心波长。相同温度下不同浓度的溶液对应着不同的折射率。
[0025]从图3和图4中可以看出，外界水环境不同折射率、温度变化均可反应为光纤光栅光谱的峰(谷)值变化，因此将温度数据与光谱读数进行标定后即可实时检测到流水温度、折射率及温度变化，再经与计算机相连后即可实时通过数据分析长周期光纤光栅与布拉格光纤光栅的光谱移动，实时检测到经温度补偿后的流水温度和折射率。该过程为现有技术。
【权利要求】
1.一种单端口同时检测流水温度和折射率的装置，其特征在于包括恒温水槽、水泵、光纤光栅传感器、光环形器、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，所述的单模光纤的尾端端面上镀设有银膜，所述的单模光纤的上端固定于所述的双层保护套管的顶端上，且使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悬置于所述的双层保护套管内，同时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，所述的恒温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恒温水槽连接，所述的ASE光源的输出端与所述的光环形器的第一个端口连接，所述的单模光纤的上端与所述的光环形器的第二个端口连接，所述的光环形器的第三个端口与所述的光纤光谱仪的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种单端口同时检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和所述的内保护管的顶部，所述的单模光纤的上端与所述的外保护管的顶部和所述的内保护管的顶部固定连接，且使所述的单模光纤位于所述的内保护管内的部分完全密封悬置于所述的内保护管内。
3.根据权利要求2所述的一种单端口同时检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所述的一种单端口同时检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，所述的金属筛网的规格为100目?200目。
5.根据权利要求4所述的一种单端口同时检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上端且未剥除涂覆层的连接部分，所述的测量部分的下端构成所述的单模光纤的尾端，所述的银膜镀设于所述的测量部分的下端端面上，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长周期光纤光栅，所述的布拉格光纤光栅和所述的长周期光纤光栅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长周期光纤光栅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，所述的测量部分的上端套设有用于保护所述的测量部分的上端端头的热缩套管，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，使所述的测量部分完全密封于所述的双层保护套管内，所述的连接部分的自由端构成所述的单模光纤的上端。
6.根据权利要求5所述的一种单端口同时检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与所述的长周期光纤光栅相对一端之间的距离不超过5cm。
【文档编号】G01N21/41GK203929274SQ201420240724
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】王乾龙, 陶卫东, 何如双, 张斌, 钱梦, 白梅, 张玲芬 申请人:宁波大学