本發(fā)明屬于光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可以同時對被測液體、氣體的濃度進(jìn)行檢測的全光纖氣液混合測量裝置。

背景技術(shù)：

近年隨著科技的發(fā)展，各種氣體以及液體檢測技術(shù)層出不窮，實時準(zhǔn)確的檢測液體以及氣體的濃度在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)控、能源開采等領(lǐng)域具有重要的意義。光纖傳感器由于具有抗電磁干擾、靈敏度高、電絕緣性好、安全可靠、耐腐蝕、微型化等諸多的優(yōu)點，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種氣體和液體中的離子、生物分子、藥物等進(jìn)行檢測。

常見的光纖氣體傳感器以及光纖液體傳感器根據(jù)原理可以分為光譜吸收型、熒光型、染料指示劑型、折射率變化型、以及倏逝波型等。多年來人們不斷的改進(jìn)氣體以及液體光纖傳感器的結(jié)構(gòu)，使得這一類傳感器的測量精度有了一定程度的提高，但是傳感器仍然存在測量系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高，穩(wěn)定性差，易受外界環(huán)境的影響等缺點。而且現(xiàn)階段的光纖傳感器均對單一變量進(jìn)行測量，如《一種強度解調(diào)型光纖氣體傳感器》(中國專利申請CN105044033A)記載的該光纖傳感器通過測量光強的變化來獲得待測氣體濃度的大小。又如《一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器》(中國專利申請CN105466808A)記載了該傳感器基于表面等離子體共振的原理通過分析透射光譜的變化來確定被測液體的折射率。這兩件發(fā)明申請均只能測量單一物質(zhì)的濃度。這就導(dǎo)致使用傳統(tǒng)的手段檢測氣體和液體的濃度時，普遍使用專門獨立的兩套檢測系統(tǒng)。當(dāng)需要對氣體液體的濃度需要整體分析時，必須這兩套系統(tǒng)都得到了各自的測量結(jié)果并且匯總后才可以進(jìn)行分析。這樣的檢測方法一方面導(dǎo)致了傳感器裝置的布置復(fù)雜且增加了檢測成本，另一方面因為各個傳感裝置的作用原理不同從而導(dǎo)致各個傳感器系統(tǒng)的誤差不同，最終導(dǎo)致系統(tǒng)分析結(jié)果精度的下降。

鑒于此，克服以上現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種基于全光纖的氣液混合測量裝置成為本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出了一種基于全光纖的氣液混合測量裝置及遠(yuǎn)程氣液混合測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了在一個裝置內(nèi)實時準(zhǔn)確的測量氣體、液體濃度，略去了普通氣體傳感器中的梳狀濾波器。

本發(fā)明的一種基于全光纖的氣液混合測量裝置，該裝置由可調(diào)諧激光器1、光纖耦合器3、氣體傳感器6、液體傳感器11、光功率測量裝置15、總線控制器16、計算機17組成；可調(diào)諧激光器1和光纖耦合器3之間通過單模光纖2連接；光纖耦合器3的第一個接口通過單模光纖4連接氣體傳感器6，氣體傳感器6和光功率測量裝置15通過單模光纖8相連接；光纖耦合器3的第二個接口通過單模光纖14和光功率測量裝置15直接連接；光纖耦合器3的第三個接口通過單模光纖9連接液體傳感器11，液體傳感器11和光功率測量裝置15之間通過單模光纖13相連接；最后光功率測量裝置15d采集到的數(shù)據(jù)通過總線控制器16傳輸?shù)接嬎銠C17進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實時顯示測量結(jié)果；

可調(diào)諧激光器1發(fā)射出的激光首先經(jīng)過耦合器3分為三束；第一道光束經(jīng)過單模光纖4后經(jīng)過氣體傳感器6以及單模光纖8后進(jìn)入光功率測量裝置15；第二道光束直接經(jīng)過單模光纖14后進(jìn)入光功率測量裝置15作為參考光功率存在；第三道光束進(jìn)過單模光纖9液體傳感器11后再經(jīng)過單模光纖13進(jìn)入光功率測量裝置15；光功率測量裝置15將接收到的光功率信號轉(zhuǎn)化為電信號后經(jīng)過總線控制器16傳輸給計算機17，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到待測氣體以及液體的濃度。

本發(fā)明的一種基于全光纖的氣液混合測量裝置的遠(yuǎn)程氣液混合測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)包括設(shè)置于控制端的可調(diào)諧激光器1、光纖耦合器3、光功率測量裝置15、總線控制器16、計算機17；設(shè)置于測試端的各個基于全光纖的氣/液傳感器，即包括氣體傳感器6、液體傳感器11；可調(diào)諧激光器1和光纖耦合器3之間通過單模光纖2連接；光纖耦合器3的第一個接口通過單模光纖4分別連接各個測試端的氣體傳感器6，所述各個測試端的氣體傳感器6和控制端的光功率測量裝置15分別通過單模光纖8遠(yuǎn)程連接；光纖耦合器3的第二個接口通過單模光纖14和光功率測量裝置15直接連接；光纖耦合器3的第三個接口通過單模光纖9分別連接各個測試端的液體傳感器11，所述各個測試端的液體傳感器11和光功率測量裝置15之間分別通過單模光纖13相連接；最后光功率測量裝置15采集到的數(shù)據(jù)通過總線控制器16傳輸?shù)接嬎銠C17進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實時顯示測量結(jié)果；

可調(diào)諧激光器1發(fā)射出的激光首先經(jīng)過耦合器3分為三束；第一道光束經(jīng)過各個單模光纖4后經(jīng)過所述各個測試端的氣體傳感器6以及各個單模光纖8后進(jìn)入光功率測量裝置15；第二道光束直接經(jīng)過單模光纖14后進(jìn)入光功率測量裝置15作為參考光功率存在；第三道光束經(jīng)過各個單模光纖9后經(jīng)過所述各個測試端的液體傳感器11后再經(jīng)過各個單模光纖13進(jìn)入光功率測量裝置15；光功率測量裝置15將接收到的光功率信號轉(zhuǎn)化為電信號后經(jīng)過總線控制器16傳輸給計算機17，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到待測氣體以及液體的濃度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明搭建出用于科學(xué)研究、能源化工、環(huán)境監(jiān)控和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的全光纖傳感裝置；在減小探測器體積的同時提高了檢測精度；簡化了整個儀器；通過光纖將多個氣體、液體檢測裝置分布于不同的監(jiān)測站點，降低成本；具有氣液同時檢測功能，易于操作、檢測快速。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于全光纖的氣液混合測量裝置的實施例結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：1、可調(diào)諧激光器，2、4、8、9、13、14、單模光纖，3、光纖耦合器，5、氣體傳感器出射端，6、氣體傳感器，7、氣體傳感器傳感頭，10、金屬鍍膜層，11、液體傳感器，12、傾斜光纖光柵，15、光功率測量裝置，16、總線控制器，17、計算機；

圖2為本發(fā)明的基于全光纖的氣液混合測量裝置及其遠(yuǎn)程氣液混合測量系統(tǒng)的系統(tǒng)部署實施例示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以及實施實例對本發(fā)明進(jìn)一步描述。

如圖1所示，為本發(fā)明的基于全光纖的氣液混合測量裝置的實施例結(jié)構(gòu)示意圖。

可調(diào)諧激光器1發(fā)出的激光首先經(jīng)過耦合器3分為三束激光，第一束激光經(jīng)過單模光纖4后一部分特定波長的激光會被氣體傳感器6所吸收，被吸收后的激光經(jīng)過單模光纖8)后進(jìn)入光功率測量裝置15。另一部分激光經(jīng)過單模光纖14后直接進(jìn)入光功率測量裝置(15)，這一部分作為參考光源存在。最后一部分光束經(jīng)過單模光纖9后進(jìn)入液體吸收腔，在TFBG-SPR傳感器的作用下，部分波段的激光被吸收，出射光束經(jīng)過單模光纖(13)后進(jìn)入光功率測量裝置(15)，光功率測量裝置測量每部分入射光的各個波段的光纖，并將這些信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過總線控制器16后輸入計算機17中，在計算機端，采用LABVIEW和光功率測量裝置15通信、處理數(shù)據(jù)并將最后的結(jié)果顯示出來。

裝置光源采用可調(diào)諧激光器(1)，其可調(diào)諧的波長范圍為1500-1570nm。

單模光纖2、4、8、9、13、14、傾斜光纖光柵12的光纖直徑為9μm，包層直徑為125nm，纖芯材質(zhì)為石英玻璃。

傾斜光纖光柵12的光線長度為10mm，金屬鍍膜層10的膜層厚度為20-100nm。

傾斜光纖光柵12的傾斜角度為2度～10度，光柵常數(shù)為0.6μm～0.8μm。

TFBG-SPR技術(shù)測量液體濃度的原理是，在單模光纖中向前傳輸?shù)墓馐诮?jīng)過TFBG時，由于TFBG本身的傾斜，導(dǎo)致一部分光束從單模光纖的纖芯泄漏到包層中形成包層模。包層模會在包層中傳播，并在包層和金屬層的界面上發(fā)生衰減全反射。當(dāng)包層模以特定的角度入射到包層和金屬層的交界面時，就會在交界面上產(chǎn)生表面等離子體波。當(dāng)表面等離子體波與包層模傳播常數(shù)匹配時，在光線的激勵下引起金屬膜內(nèi)自由電子產(chǎn)生共振，即SPR，從而導(dǎo)致透射光波長變化，而表面等離子體波的傳播很大程度上與周圍介質(zhì)的折射率有關(guān)，所以TFBG-SPR傳感器可以制成高精度折射計。

傳統(tǒng)的光譜吸收型氣體傳感器會采用寬頻帶光源搭配梳狀濾波器來測量氣體的濃度。在本發(fā)明中，將寬頻帶光源更換為可調(diào)諧激光源，由于其帶有波長掃描的功能，因此省去了傳統(tǒng)光譜吸收型光纖氣體傳感器中的濾波部分。

本發(fā)明的全光纖氣液混合測量裝置利用光纖將氣體、液體檢測裝置以及包括激光源、解調(diào)裝置、光電檢測器的主機部分進(jìn)行連接。

本發(fā)明的基于光纖的氣液混合測量可以通過光纖將多個氣體、液體檢測裝置分布于不同的監(jiān)測站點，實現(xiàn)在在一臺激光源下，所有的信號均通過光纖在裝置之間傳播，適合于遠(yuǎn)距離的氣體液體混合傳感檢測。

液體傳感器(11)使用TFBG-SPR傳感器進(jìn)行液體濃度的測量，在減小探測器體積的同時提高了檢測精度；和普通的光譜吸收型的氣體傳感器相比，本發(fā)明中的氣體傳感器使用略去梳狀濾波器的光譜吸收型氣體傳感器來測量氣體中被測量濃度的變化，簡化了整個儀器。