一种光纤传感液体折射率和温度同时测量系统及测量方法

摘要

一种光纤传感液体折射率和温度同时测量系统及测量方法，属于光纤传感检测领域。它是为了解决液体折射率和温度同时远距离在线测量的问题。本发明所述的一种光纤传感液体折射率和温度同时测量系统及测量方法，系统包括：光源(1)，波分复用器(2)、光电探测器(3)、采集卡(4)、计算机(5)、光纤恒温槽(6)、传感光纤(7)和传感头(8)。其中传感头仅用一根传感光纤制作而成，包括液体折射率传感部分和和液体温度传感部分，具备体积小，制作简单，抗电磁干扰的特点，克服了现有技术中，传感器制作复杂，测量距离短，液体折射率和温度不能同时测量的局限。本发明适用于对液体的折射率和温度远距离同时在线测量需求领域。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感检测领域，特别是涉及一种光纤传感液体折射率和温度同时测量系统及测量方法。

背景技术

折射率是液体介质重要的物理参数之一，在日常生产生活中的各个方面都具有着重要的地位，此外，液体介质的许多性质都可以从其折射率上得到反映，例如液体浓度、温度、混合物成分以及PH值等。所以对于液体折射率的测量在生化分析，环境污染监测，医疗食品等领域有着广泛的应用。折射率的测量方法有多种，其中常用的折射率测量仪器为阿贝测量仪，这种方法需要将被测物放入仪器进行测量，无法满足远距离在线自动化测量的要求。随着光纤传感技术的快速发展，光纤传感器本身因具备体积小，耐腐蚀，抗电磁干扰等特点，采用光纤传感的方法测量液体折射率的方法和技术渐渐受到关注。此外，由于液体折射率受液体的浓度、温度等因素的影响，因而，只有在一定温度下测得的折射率才有意义。因此，需要对折射率和温度同时进行测量。

发明内容

本发明是为了解决远距离液体折射率和温度同时在线测量的问题，现提供一种光纤传感液体折射率和温度同时测量系统及测量方法。

一种光纤传感液体折射率和温度同时测量系统，包括：光源，波分复用器、光电探测器、采集卡、计算机、光纤恒温槽、传感光纤和传感头；

所述波分复用器有四个端口，分别为a，b，c，d端口；光源输出的脉冲由波分复用器的a端口输入，波分复用器的b端口通过光纤恒温槽与传感光纤相连接，传感光纤另一端与浸没在待测液体中的传感头相连接；波分复用器的c、d端口共同与光电探测器相连接，光电探测器的信号输出端与采集卡的信号输入端相连接；采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端相连接；光纤恒温槽的温度信息通过串口传输至计算机；波分复用器具备滤波功能，可以将b端口输入的由传感头所探测到的光滤波后得到拉曼反斯托克斯光和拉曼斯托克斯光，并分别由c，d端口输出至光电探测器。

光源发出的脉冲光经a端口进入波分复用器，经b端口输出传输至光纤恒温槽，然后经传感光纤传输至传感头,传感头浸没在待测液体中，传感头探测到的信号沿传感光纤返回，经b端口进入波分复用器，返回的信号经波分复用器滤波后得到拉曼斯托克斯光从c端口输出，拉曼反斯托克斯光从d端口输出，二者经光电探测器转换为电信号后传输至采集卡，采集卡将采集到的信号传输至计算机进行液体折射率和温度信息的解调显示。光纤恒温槽的温度信息通过串口传输至计算机。

一种光纤传感液体折射率和温度同时测量系统，包括光源，波分复用器、光电探测器、采集卡、计算机、光纤恒温槽、传感光纤、传感头和多通道光开关；所述传感光纤和传感头均为多个；

所述波分复用器有四个端口，分别为a，b，c，d端口；光源输出的脉冲由波分复用器的a端口输入，波分复用器的b端口通过光纤恒温槽与多通道光开关相连接，多通道光开关与多个传感光纤相连接，每个传感光纤的另一端均连接有一个浸没在待测液体中的传感头；波分复用器的c、d端口共同与光电探测器相连接，光电探测器的信号输出端与采集卡的信号输入端相连接；采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端相连接；光纤恒温槽的温度信息通过串口传输至计算机；波分复用器具备滤波功能，可以将b端口输入的由传感头所探测到的光滤波后得到拉曼反斯托克斯光和拉曼斯托克斯光，并分别由c，d端口输出至光电探测器。

光源发出的脉冲光经a端口进入波分复用器，经b端口输出传输至光纤恒温槽，然后脉冲光进入多通道光开关,经多通道光开关选择传感通道，然后经传感光纤传输至传感头,传感头浸没在待测液体中，传感头探测到的信号沿传感光纤返回，经b端口进入波分复用器，返回的信号经波分复用器滤波后得到拉曼斯托克斯光从c端口输出，拉曼反斯托克斯光从d端口输出，二者经光电探测器转换为电信号后传输至采集卡，采集卡将采集到的信号传输至计算机进行液体折射率和温度信息的解调显示。光纤恒温槽的温度信息通过串口传输至计算机。

所述传感头包括两部分：光纤环和光纤末端；其中光纤环作为液体温度传感器，光纤末端作为液体折射率传感器，光纤末端需剥去包层，切割成垂直光滑的表面，为了避免光纤弯曲损耗，光纤环的直径应大于5厘米。

一种光纤传感液体折射率和温度同时测量方法，该方法是基于上述系统实现的，包括以下步骤：

步骤一：将传感头浸入蒸馏水中，利用上述系统获得拉曼反斯托克斯光强度(I_0as)作为液体折射率传感基准值，利用上述系统获得拉曼反斯托克斯光强度(I_0as)和拉曼斯托克斯光强度(I_0s)的比值R(T₀)作为液体温度传感基准值，然后执行步骤二；

步骤二：将传感头浸入待测液体中，利用上述系统获得拉曼反斯托克斯光强度(I_as)作为液体折射率传感测量值，利用上述系统获得拉曼反斯托克斯光强度(I_as)和拉曼斯托克斯光强度(I_s)比值R(T)作为液体温度传感测量值，然后执行步骤三；

步骤三：利用液体折射率传感基准值I_0as和液体折射率传感测量值I_as，获得光纤末端与待测液体接触面的反射率R，利用液体温度传感基准值R(T₀)和液体温度传感测量值R(T)的比值，获得待测液体温度的指示量M，然后执行步骤四；

步骤四：利用步骤三获得的光纤末端与待测液体接触面的反射率R，获得待测液体的折射率n_s；利用步骤三获得的待测液体温度的指示量M，获得待测液体的温度T。

本发明所述的一种光纤传感液体折射率和温度同时测量系统及测量方法，克服了现有技术中，传感器制作复杂，测量距离短，液体折射率和温度不能同时测量的局限，适用于对液体的折射率和温度实现远距离同时在线测量。

附图说明

图1为一种光纤传感液体折射率和温度同时测量的系统的一种结构示意图；

图2为一种光纤传感液体折射率和温度同时测量的系统另一种结构示意图；

图3为光纤传感头结构示意图；

图4为一种光纤传感液体折射率和温度同时测量方法的流程图。

1-光源，2-波分复用器，3-光电探测器，4-采集卡，5-计算机，6-光纤恒温槽，7-传感光纤，8-传感头，9-多通道光开关。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述一种光纤传感液体折射率和温度同时测量的系统，它包括：光源1，波分复用器2、光电探测器3、采集卡4、计算机5，光纤恒温槽6、传感光纤7和传感头8；

光源发出的脉冲光经a端口进入波分复用器，经b端口输出传输至光纤恒温槽，然后经传感光纤传输至传感头,传感头浸没在待测液体中，传感头探测到的信号沿传感光纤返回，经b端口进入波分复用器，返回的信号经波分复用器滤波后得到拉曼斯托克斯光从c端口输出，拉曼反斯托克斯光从d端口输出，二者经光电探测器转换为电信号后传输至采集卡，采集卡将采集到的信号传输至计算机进行液体折射率和温度信息的解调显示。光纤恒温槽的温度信息通过串口传输至计算机。

具体实施方式二：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式所述一种光纤传感液体折射率和温度同时测量的系统，它包括：光源1，波分复用器2、光电探测器3、采集卡4、计算机5，光纤恒温槽6、多通道光开关9、传感光纤7和传感头8；

光源发出的脉冲光经a端口进入波分复用器，经b端口输出传输至光纤恒温槽，然后脉冲光进入多通道光开关,经多通道光开关选择传感通道，然后经传感光纤传输至传感头,传感头浸没在待测液体中，传感头探测到的信号沿传感光纤返回，经b端口进入波分复用器，返回的信号经波分复用器滤波后得到拉曼斯托克斯光从c端口输出，拉曼反斯托克斯光从d端口输出，二者经光电探测器转换为电信号后传输至采集卡，采集卡将采集到的信号传输至计算机进行液体折射率和温度信息的解调显示。光纤恒温槽的温度信息通过串口传输至计算机。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的波分复用器作进一步说明，本实施例中，所述波分复用器有四个端口，分别为a，b，c，d端口，波分复用器具备滤波功能，可以将d端口输入的光滤波得到拉曼反斯托克斯光和拉曼斯托克斯光。

具体实施方式四：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一或二所述的传感头作进一步说明，本实施例中，所述传感头包括两部分：一个光纤末端和一个光纤环；其中光纤环作为液体温度传感器，光纤末端作为液体折射率传感器，光纤末端需剥去包层，切割成垂直光滑的表面，为了避免光纤弯曲损耗，光纤环的直径应大于5厘米。

具体实施方式五：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种光纤传感液体折射率和温度同时测量的方法，该方法是基于上述系统实现的，具体实施包括以下步骤：

步骤一：将传感头浸入蒸馏水中，利用上述系统获得拉曼反斯托克斯光强度(I_0as)作为液体折射率传感基准值，利用上述系统获得拉曼反斯托克斯光强度(I_0as)和拉曼斯托克斯光强度(I_0s)的比值R(T₀)作为液体温度传感基准值，然后执行步骤二；

步骤二：将传感头浸入待测液体中，利用上述系统获得拉曼反斯托克斯光强度(I_as)作为液体折射率传感测量值，利用上述系统获得拉曼反斯托克斯光强度(I_as)和拉曼斯托克斯光强度(I_s)比值R(T)作为液体温度传感测量值，然后执行步骤三；

步骤三：利用液体折射率传感基准值I_0as和液体折射率传感测量值I_as，获得光纤末端与待测液体接触面的反射率R，利用液体温度传感基准值R(T₀)和液体温度传感测量值R(T)的比值，获得待测液体温度的指示量M，然后执行步骤四；

步骤四：利用步骤三获得的光纤末端与待测液体接触面的反射率R，获得待测液体的折射率n_s；利用步骤三获得的待测液体温度的指示量M，获得待测液体的温度T。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的一种光纤传感液体折射率和温度同时测量的方法作进一步说明，本实施方式中，根据如下公式获得光纤末端与待测液体接触面的反射率R，

其中，n_f为光纤纤芯折射率，n₀位蒸馏水的折射率。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式五所述的一种光纤传感液体折射率和温度同时测量的方法作进一步说明，本实施方式中，根据如下公式获得待测液体的折射率n_s，

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式五所述的一种光纤传感液体折射率和温度同时测量的方法作进一步说明，本实施方式中，根据如下公式获得液体温度传感基准值R(T₀)和液体温度传感测量值R(T)，

其中，v_as和v_s分别为反斯托克斯和斯托克斯光的频率，h为普朗克常量，c为光速，k为玻尔兹曼常量，Δv为拉曼声子频率。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式五所述的一种光纤传感液体折射率和温度同时测量的方法作进一步说明，本实施方式中，根据如下公式获得待测液体温度的指示量M，

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式五所述的一种光纤传感液体折射率和温度同时测量的方法作进一步说明，本实施方式中，根据如下公式获得待测液体温度T,

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。