[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于級(jí)聯(lián)腔衰蕩的雙通道水質(zhì)環(huán)境光纖傳感裝置及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710142909.4
• 申請(qǐng)日: 2017-03-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106908401A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙艷;簡(jiǎn)愛(ài);朱鳳霞;王媛媛;霍愛(ài)香;李靜
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安培華學(xué)院
• 主分類(lèi)號(hào): G01N21/31
• 分類(lèi)號(hào): G01N21/31
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所61215
• 代理人: 段俊濤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖傳感和化學(xué)pH傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于級(jí)聯(lián)腔衰蕩的雙通道水質(zhì)環(huán)境光纖傳感裝置及方法。

背景技術(shù)

水質(zhì)參數(shù)是用以表示水環(huán)境(水體)質(zhì)量?jī)?yōu)劣程度和變化趨勢(shì)的水中各種物質(zhì)的特征指標(biāo)。水質(zhì)參數(shù)主要其中包括：水的混濁度、透明度、色度、嗅、味、水溫、pH值、BOD(COD)、DO、微量有害化學(xué)元素含量、農(nóng)藥及其它無(wú)機(jī)或有機(jī)化合物含量、大腸桿菌數(shù)、細(xì)菌含量等。

水質(zhì)溶液pH值是表示溶液酸堿度的重要化學(xué)參數(shù)，是水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)最重要的參數(shù)之一。測(cè)量和控制pH值在各個(gè)領(lǐng)域都有重要的價(jià)值和意義。最傳統(tǒng)的測(cè)量pH值的方法是采用pH試紙和玻璃電極，pH試紙只能進(jìn)行定性測(cè)量，無(wú)法完成定量測(cè)量，而玻璃電極易破損、阻抗高，傳統(tǒng)的方法無(wú)法形成高精度的測(cè)量，且往往會(huì)形成較大的誤差。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及行業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的需求，一系列新型技術(shù)不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，光纖pH傳感器作為光纖傳感領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。

溶膠凝膠技術(shù)(sol-gel)最初是一種制備薄膜的方法，其原理是將醋類(lèi)化合物或金屬醇鹽溶于有機(jī)溶劑中，形成均勻的溶液，然后加入其它組分，在一定的溫度下反應(yīng)形成凝膠，最后經(jīng)干燥處理形成薄膜。

而光纖腔衰蕩技術(shù)在光纖傳感領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用，其主要涉及到溫度、應(yīng)力應(yīng)變等物理信號(hào)的測(cè)量，其原理是光信號(hào)多次經(jīng)過(guò)傳感區(qū)域，通過(guò)時(shí)域的測(cè)量達(dá)到外界信號(hào)測(cè)量的目的。

光纖pH傳感器是將pH指示劑滲入聚合物中，從而制成傳感敏感部件。當(dāng)被測(cè)溶液與敏感部位接觸后將改變敏感部分的分子結(jié)構(gòu)從而改變它的光學(xué)性質(zhì)，通過(guò)一定的實(shí)驗(yàn)方法和手段，通過(guò)觀測(cè)光譜特性的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液pH值的檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于級(jí)聯(lián)腔衰蕩的雙通道水質(zhì)環(huán)境光纖傳感裝置及方法，采用溶膠凝膠技術(shù)在裸光纖纖芯表面涂覆一層pH傳感膜形成傳感區(qū)域，然后利用級(jí)聯(lián)形式的光纖腔衰蕩技術(shù)對(duì)一定pH范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)方法和化學(xué)手段相結(jié)合的雙通道測(cè)量，可大大提高測(cè)量精度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于級(jí)聯(lián)腔衰蕩的雙通道水質(zhì)環(huán)境光纖傳感裝置，包括光源1、光纖光路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于：

所述光源1為脈沖光源；

所述光纖光路系統(tǒng)包括光纖環(huán)型腔和光纖連接器7，其中光纖環(huán)型腔有兩個(gè)，分別為光纖環(huán)型腔A和光纖環(huán)型腔B，結(jié)構(gòu)和參數(shù)均完全相同，光纖環(huán)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(huán)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(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括光電探測(cè)器8、示波器9和數(shù)據(jù)處理單元10，光電探測(cè)器8的輸入接光纖連接器7的輸出，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并在示波器9上展示波形，最終到達(dá)數(shù)據(jù)處理單元10，數(shù)據(jù)處理單元10通過(guò)時(shí)分復(fù)用技術(shù)將兩束波形進(jìn)行分析處理。

所述2×2耦合器一2輸出量較小的一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)輸出端與傳感單元二11連接。

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。

所述傳感單元一6和傳感單元二11通過(guò)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(yīng)液質(zhì)量配比為T(mén)EOS：水：無(wú)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。

所述pH指示劑采用溴酚藍(lán)和溴甲酚紫混合。