[发明专利]一种基于级联腔衰荡的双通道水质环境光纤传感装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感和化学pH传感技术领域，特别涉及一种基于级联腔衰荡的双通道水质环境光纤传感装置及方法。

背景技术

水质参数是用以表示水环境(水体)质量优劣程度和变化趋势的水中各种物质的特征指标。水质参数主要其中包括：水的混浊度、透明度、色度、嗅、味、水温、pH值、BOD(COD)、DO、微量有害化学元素含量、农药及其它无机或有机化合物含量、大肠杆菌数、细菌含量等。

水质溶液pH值是表示溶液酸碱度的重要化学参数，是水质参数检测最重要的参数之一。测量和控制pH值在各个领域都有重要的价值和意义。最传统的测量pH值的方法是采用pH试纸和玻璃电极，pH试纸只能进行定性测量，无法完成定量测量，而玻璃电极易破损、阻抗高，传统的方法无法形成高精度的测量，且往往会形成较大的误差。随着科学技术的发展以及行业技术领域的需求，一系列新型技术不断涌现和发展，光纤pH传感器作为光纤传感领域的一个重要应用应运而生。

溶胶凝胶技术(sol-gel)最初是一种制备薄膜的方法，其原理是将醋类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中，形成均匀的溶液，然后加入其它组分，在一定的温度下反应形成凝胶，最后经干燥处理形成薄膜。

而光纤腔衰荡技术在光纤传感领域也有一定的应用，其主要涉及到温度、应力应变等物理信号的测量，其原理是光信号多次经过传感区域，通过时域的测量达到外界信号测量的目的。

光纤pH传感器是将pH指示剂渗入聚合物中，从而制成传感敏感部件。当被测溶液与敏感部位接触后将改变敏感部分的分子结构从而改变它的光学性质，通过一定的实验方法和手段，通过观测光谱特性的变化实现对溶液pH值的检测。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于级联腔衰荡的双通道水质环境光纤传感装置及方法，采用溶胶凝胶技术在裸光纤纤芯表面涂覆一层pH传感膜形成传感区域，然后利用级联形式的光纤腔衰荡技术对一定pH范围内进行测量，实现了光学方法和化学手段相结合的双通道测量，可大大提高测量精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于级联腔衰荡的双通道水质环境光纤传感装置，包括光源1、光纤光路系统和数据处理系统，其特征在于：

所述光源1为脉冲光源；

所述光纤光路系统包括光纤环型腔和光纤连接器7，其中光纤环型腔有两个，分别为光纤环型腔A和光纤环型腔B，结构和参数均完全相同，光纤环型腔A由2×2耦合器一2、单模传输光纤、1×2耦合器一3以及传感单元一6组成，光纤环型腔B由2×2耦合器二4、单模传输光纤、1×2耦合器二5以及传感单元二11组成，2×2耦合器一2的一路输入与脉冲光源的输出连接，一路输出与2×2耦合器二4的一路输入连接，另一路输出与1×2耦合器一3的输入连接，1×2耦合器一3的一路输出接传感单元一6的一端，另一路输出接光纤连接器7，传感单元一6的另一端接2×2耦合器一2的另一路输入；2×2耦合器二4的一路输出置空，另一路输出与1×2耦合器二5的输入连接，1×2耦合器二5的一路输出接传感单元二11的一端，另一路输出接光纤连接器7，传感单元二11的另一端接2×2耦合器二4的另一路输入；

所述数据处理系统包括光电探测器8、示波器9和数据处理单元10，光电探测器8的输入接光纤连接器7的输出，将光信号转化为电信号，并在示波器9上展示波形，最终到达数据处理单元10，数据处理单元10通过时分复用技术将两束波形进行分析处理。

所述2×2耦合器一2输出量较小的一个输出端与1×2耦合器一3连接，所述2×2耦合器二4输出量较小的一个输出端与1×2耦合器二5连接，所述1×2耦合器一3输出量较大的一个输出端与传感单元一6连接，所述1×2耦合器二5输出量较大的一个输出端与传感单元二11连接。

所述2×2耦合器一2和2×2耦合器二4的耦合比为99.9:0.01，所述1×2耦合器一3和1×2耦合器二5的耦合比为99.9:0.01，所述光纤连接器7为50:50合束器。

所述传感单元一6和传感单元二11通过如下步骤制作而成：

步骤1，使用HF腐蚀掉一截单模光纤的包层，形成裸光纤；

步骤2，制备溶胶凝胶溶液，溶胶反应液质量配比为TEOS：水：无水乙醇：pH指示剂染料＝1:4:1:0.02；

步骤3，采用溶胶凝胶法给纤芯镀敏感膜，敏感膜的折射率略小于纤芯。

所述pH指示剂采用溴酚蓝和溴甲酚紫混合。