[發明專利]一種基于級聯腔衰蕩的雙通道水質環境光纖傳感裝置及方法

在審

• 申請號: 201710142909.4
• 申請日: 2017-03-10
• 公開（公告）號: CN106908401A
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發明（設計）人: 趙艷;簡愛;朱鳳霞;王媛媛;霍愛香;李靜
• 申請（專利權）人: 西安培華學院
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 段俊濤

1.一種基于級聯腔衰蕩的雙通道水質環境光纖傳感裝置，包括光源(1)、光纖光路系統和數據處理系統，其特征在于：

所述光源(1)為脈沖光源；

所述光纖光路系統包括光纖環型腔和光纖連接器(7)，其中光纖環型腔有兩個，分別為光纖環型腔A和光纖環型腔B，結構和參數均完全相同，光纖環型腔A由2×2耦合器一(2)、單模傳輸光纖、1×2耦合器一(3)以及傳感單元一(6)組成，光纖環型腔B由2×2耦合器二(4)、單模傳輸光纖、1×2耦合器二(5)以及傳感單元二(11)組成，2×2耦合器一(2)的一路輸入與脈沖光源的輸出連接，一路輸出與2×2耦合器二(4)的一路輸入連接，另一路輸出與1×2耦合器一(3)的輸入連接，1×2耦合器一(3)的一路輸出接傳感單元一(6)的一端，另一路輸出接光纖連接器(7)，傳感單元一(6)的另一端接2×2耦合器一(2)的另一路輸入；2×2耦合器二(4)的一路輸出置空，另一路輸出與1×2耦合器二(5)的輸入連接，1×2耦合器二(5)的一路輸出接傳感單元二(11)的一端，另一路輸出接光纖連接器(7)，傳感單元二(11)的另一端接2×2耦合器二(4)的另一路輸入；

所述數據處理系統包括光電探測器(8)、示波器(9)和數據處理單元(10)，光電探測器(8)的輸入接光纖連接器(7)的輸出，將光信號轉化為電信號，并在示波器(9)上展示波形，最終到達數據處理單元(10)，數據處理單元(10)通過時分復用技術將兩束波形進行分析處理。

2.根據權利要求1所述基于級聯腔衰蕩的雙通道水質環境光纖傳感裝置，其特征在于，所述2×2耦合器一(2)輸出量較小的一個輸出端與1×2耦合器一(3)連接，所述2×2耦合器二(4)輸出量較小的一個輸出端與1×2耦合器二(5)連接，所述1×2耦合器一(3)輸出量較大的一個輸出端與傳感單元一(6)連接，所述1×2耦合器二(5)輸出量較大的一個輸出端與傳感單元二(11)連接。

3.根據權利要求1所述基于級聯腔衰蕩的雙通道水質環境光纖傳感裝置，其特征在于，所述2×2耦合器一(2)和2×2耦合器二(4)的耦合比為99.9:0.01，所述1×2耦合器一(3)和1×2耦合器二(5)的耦合比為99.9:0.01，所述光纖連接器(7)為50:50合束器。

4.根據權利要求1所述基于級聯腔衰蕩的雙通道水質環境光纖傳感裝置，其特征在于，所述傳感單元一(6)和傳感單元二(11)通過如下步驟制作而成：

步驟1，使用HF腐蝕掉一截單模光纖的包層，形成裸光纖；

步驟2，制備溶膠凝膠溶液，溶膠反應液質量配比為TEOS：水：無水乙醇：pH指示劑染料＝1:4:1:0.02；

步驟3，采用溶膠凝膠法給纖芯鍍敏感膜，敏感膜的折射率略小于纖芯。

5.根據權利要求4所述基于級聯腔衰蕩的雙通道水質環境光纖傳感裝置，其特征在于，所述pH指示劑采用溴酚藍和溴甲酚紫混合。

6.一種基于權利要求1所述基于級聯腔衰蕩的雙通道水質環境光纖傳感裝置的方法，其特征在于：

脈沖光源產生的光束經由導入光纖通過2×2耦合器一(2)，少部分光進入光纖環型腔A，大部分光繼續傳播到2×2耦合器二(4)，但只有少部分光進入光纖環型腔B；

光束在光纖環型腔A內往返多次，每次經過1×2耦合器一(3)時，有部分光波被導出進入光纖連接器(7)；

光束在光纖環型腔B內往返多次，每次經過1×2耦合器二(5)時，有部分光波被導出進入光纖連接器(7)；

當光波經過傳感單元一(6)或傳感單元二(11)時，形成消逝場吸收，吸收能量多少由吸收系數和傳感長度決定，吸收系數直接和待測溶液相關；

兩路被導出的光束經過光纖連接器(7)傳輸到光電探測器(8)，探測器(8)將光信號轉化為電信號，并在示波器(9)上展示波形，最終到達數據處理單元(10)，數據處理單元(10)通過時分復用技術將兩束波形進行分析處理。

7.根據權利要求6所述基于級聯腔衰蕩的雙通道水質環境光纖傳感裝置的方法，其特征在于，所述數據處理單元(10)進行分析處理的方法如下：

當傳感單元接觸和沒有接觸待測溶液時，對示波器(9)上的一路衰蕩光譜進行分析，將光譜中各定點連接起來得到一條e指數衰減曲線，定義光強衰減到1/e為衰蕩時間，通過以下公式：

${\mathrm{\τ}}_0=\frac{nL}{cA}$

$\mathrm{\τ}=\frac{nL}{c(A+B)}$

$(\frac{1}{\mathrm{\τ}}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0})=\frac{c}{nL}B=\frac{c\mathrm{\γ}d}{nL}C=\mathrm{\β}C$

得到待測溶液的H⁺濃度，從而得到待測溶液的pH值；其中，c為真空中光速，n為傳輸光纖芯層折射率，L為光纖環長度，d為傳感單元長度，A和B分別為傳感單元接觸和沒有接觸待測溶液時的倏逝波損耗，τ₀和τ分別為傳感單元接觸和沒有接觸待測溶液時的衰蕩時間，γ為消逝波吸收系數，對于固定的傳感器裝置，β是一個常數，C為待測溶液的H⁺濃度。