CN102620760A - 光纤探头和采用该光纤探头的复合式液体光纤浓度计 - Google Patents
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Abstract
一种光纤探头，在测杆前端安装有浓度传感器和温度传感器，内腔中安装有导光纤束、分纤盒、具有保护套的单芯光纤束、探测器和光源。传感器包括输入光纤、输出光纤和45°角棱镜。输入光纤与光源相连，输出光纤依次经导光纤束、分纤盒、具有保护套的单芯光纤束与探测器相连。输入光纤将光导入45°角棱镜，输出光纤自45°角棱镜接受的折射光经探测器输出测量电信号。本发明还提供了采用该光纤探头的复合式液体光纤浓度计，包括2个放大器和一DSP处理器，2个放大器的输出信号分别接至DSP处理器进行数据处理。其优点是：探头尺寸小，光纤传输不受电磁场、大电流和高温影响，安全可靠性高，安装容易，可直接接入工艺生产线，实现了远距离实时测量。
Description
技术领域
本发明涉及检测设备，特别涉及一种光纤探头和采用该光纤探头的复合式液体光纤浓度计。
背景技术
传统的液体浓度测试有许多方法，包括阻抗法、电容法、超声波声纳法、光学浊度法、色度测量法、以及近代发展起来的光学式工艺过程用浓度计。在以液体为主的各种产业的制造工艺过程中，传统的光学式工艺过程用浓度计，包括元件和光学***，是一个整体结构。一般说来，制造生产线的现场，往往由于温度、湿度、粉尘等设备环境恶劣，因此，传统的光学式工艺过程用浓度计的光学***，就要求能经受住这些环境条件。把它安装到制造生产线上时，就要在制造生产线与光学***之间连接一个抽样装置，无法实现远距离测试。所以，传统的光学式工艺过程用浓度计维修保养困难，安装费用高。另外，传统的光学式工艺过程用浓度计会受电磁场影响，因此配线需特殊考虑。
发明内容
本发明的目的就是要克服现有技术的上述缺陷，提供一种光纤探头和采用该光纤探头的复合式液体光纤浓度计，其误差小，可靠性高，不受电磁场、大电流和高温的影响，探头尺寸小，容易安装和维护，可实现远距离测试。
为达上述目的，本发明提供的光纤探头包括测杆，所述测杆的前端安装有光纤传感器，所述测杆的内腔中安装有导光纤束、分纤盒、具有保护套的单芯光纤束、探测器和光源，所述光纤传感器包括输入光纤、输出光纤和45°角棱镜，所述45°角棱镜位于所述测杆的外部，***被测液体20中；所述输入光纤与所述光源相连，所述输出光纤依次经所述导光纤束、分纤盒、具有保护套的单芯光纤束与所述探测器相连，所述输入光纤将光导入所述45°角棱镜，所述输出光纤自所述45°角棱镜接受的折射光经所述探测器输出测量电信号；所述光纤传感器为2个，包括浓度传感器和温度传感器，所述探测器包括浓度探测器和温度探测器，所述光源包括激光光源和LED光源，所述激光光源用于所述浓度传感器，所述LED光源用于所述温度传感器，所述温度探测器的输出光纤接收端面设有ASGA半导体材料层。
本发明光纤探头，其中所述激光光源经光纤连接有第一光亮检测器，所述LED光源经另一光纤连接有第二光亮检测器，所述第一光亮检测器和第二光亮检测器的分别输出各自的光亮检测信号。
本发明光纤探头，其中所述激光光源采用半导体激光器，其波长为650波长nm，所述激光电源设有光能控制电路，所述LED光源的波长为910nm。
本发明光纤探头，其中所述探测器采用硅光电池。
本发明光纤探头，其中在所述浓度传感器中，所述45°角棱镜替换为圆弧形光纤，所述圆弧形光纤位于所述测杆的外部，***被测液体中，输入光纤将光导入所述圆弧形光纤，输出光纤自所述圆弧形光纤接受的反射光经所述浓度探测器输出测量电信号。
本发明光纤探头，其中在所述浓度传感器中，所述45°角棱镜替换为裸光纤，所述裸光纤位于所述测杆的外部，***被测液体中，输入光纤将光导入所述裸光纤，输出光纤自所述裸光纤接受的光经所述浓度探测器输出测量电信号。
为达上述目的，本发明提供的采用所述光纤探头的复合式液体光纤浓度计，还包括与该光纤探头相连的测试***，所述测试***包括与所述浓度探测器相连的第一放大器和与所述温度探测器相连的第二放大器、与所述激光光源相连的第一光亮检测器和与所述LED光源相连的第二光亮检测器，以及一DSP处理器，所述第一放大器、第二放大器、第一光亮检测器和第二光亮检测器的输出信号分别接至所述DSP处理器，所述DSP处理器连接有显示器和输出端口。
本发明提供的复合式液体光纤浓度计，其中所述第一放大器连接有第一灵敏度调节器和第一零点调节器，所述第二放大器连接有第二灵敏度调节器和第二零点调节器。
本发明光纤探头和采用该光纤探头的复合式液体光纤浓度计的优点是：由于光纤是由玻璃或塑料制成，因而不怕液体或气体的腐蚀。探头尺寸小，而且由于光纤是柔性的，对被测液体或气体的流阻很小，且光纤传输不受电磁场、大电流和高温的影响，因此安全和可靠性好、误差小、安装和维护容易，配线不许特殊考虑。由于检测端与主机是分离的，检测端直接***样品就能进行测量，不需要特别的插样装置，能够直接纳入工艺过程生产线，实现了远距离实时测量。因此，在以液体为主的各种产业的制造工艺过程中，不需要选择特别的场所，在测试环境恶劣的场所，如高温、高湿，遇到风雨的室外以及需要防爆的工艺过程的管道中都能使用。
附图说明
图1是光纤探头的结构示意图；
图2是光纤传感器的结构示意图；
图3是另一种光纤传感器的结构示意图；
图4是第三种光纤传感器的结构示意图；
图5是复合式液体光纤浓度计的方框图；
图6是温度传感器的结构示意图；
图7是激光电源的光能控制电路图；
图8是光亮检测器的电路图。
具体实施方式
光纤浓度传感器的工作原理如下：
一束光从一种介质(折射率n1)入射到第二种介质(折射率n2)中，根据Snell定律，入射角θ1与折射角θ2满足如下关系式
n1Sinθ1＝n2Sinθ2----------(1)
与入射面平行和垂直的反射系数由Fresnel公式表示式(1)
rp＝-tg(θ1-θ2)/tg(θ1+θ2)------------(2)
rs＝-Sin(θ1-θ2)/Sin(θ1+θ2)-----------(3)
光的反射率为
R＝(rp2+rs2)1/2---------(4)
光的反射强度为
IR＝rp2Iop+rs2Ios------------(5)
Io＝Iop+Ios为入射光强，脚标p s分别代表偏振面与入射面相平行与垂直的分量。
对于选定的光纤，其n1为定值、θ1也为定值，它接触到不同折射率的液体时，由式(1)式n2＝n1Sinθ1/θ2，对于式(2)(3)的θ2决定於n2。因此n2取不同的值，直接决定了IR的值。微型光纤折射率浓度传感器就是利用这种原理而设计的。
下面结合附图详细说明本发明一种光纤探头和采用该光纤探头的复合式液体光纤浓度计的实施例。
参照图1，本发明提供的光纤探头，在测杆的前端安装有光纤传感器1，测杆的内腔中安装有导光纤束2、分纤盒3、具有保护套的单芯光纤束4、探测器和光源。结合参照图2或图6，光纤传感器1包括输入光纤31、输出光纤33和45°角棱镜32，45°角棱镜32位于测杆的外部，光纤传感器长度不超过50mm，***被测液体20中采集浓度和温度信号。输入光纤31与光源相连，输出光纤33依次经导光纤束2、分纤盒3、具有保护套的单芯光纤束4与探测器相连。
输入光纤31将光导入45°角棱镜32，输出光纤33由45°角棱镜32接受的折射光经探测器输出测量电信号。测杆信号传输部分的长度根据用户需要而定，设计长度为2米，一般不超过4米。
由于化合液体的生产现场存在温度和浓度同时的状态变化，所以，在本发明提供的光纤探头的实施例中，利用大芯径石英光纤构成浓度和温度的复合传感器，两根光纤组成浓度传感器，两根光纤组成温度传感器，安装在同一个探头内。所以，光纤传感器1为2个，包括浓度传感器和温度传感器，分别采用如图2和图6所示的结构。
探测器包括浓度探测器5和温度探测器6，光源包括激光光源7和LED光源8。激光光源7用于浓度传感器，采用半导体激光器，其波长为650波长nm。LED光源8用于温度传感器，波长为910nm。探测器采用硅光电池。分纤盒3的输出分为三束单芯光纤束4，都具有保护套管保护，一束单芯光纤束4与激光光源7相连，另外两束单芯光纤束4用于与浓度探测器5和温度探测器6两个探测器相连，两个探测器将光信号转换成电信号。
在本发明提供的光纤探头的实施例中，利用45°角棱镜改变光的传播方向，当棱镜存在于空气(空气的折射率n0＝1)中时，光产生全反射。当棱镜存在于不同的液体中时，由于其折射率不同，光就会产生折射，其折射光亮度大小与液体的折射率和液体的浓度成比例关系，从而实现对液体的浓度快速、精确的测量。参照图6，温度探测器6的输出光纤33接收端面设有ASGA半导体材料层34。ASGA半导体材料层34为对温度变化敏感的材料。
在本发明提供的光纤探头的另一实施例中，参照图3，浓度传感器的45°角棱镜替换为圆弧形光纤12，圆弧形光纤12位于测杆的外部，***被测液体20中。圆弧形光纤12由端面处理平整的两根裸光纤紧靠在一起，经特殊工艺将端面加工成一个光滑的圆弧面。输入光纤11将光导入圆弧形光纤12，光经过圆弧形光纤12时，按其固有特性分为反射光与折射光。折射光进入待测液体20，输出光纤13自圆弧形光纤12接受反射光经浓度探测器5输出测量电信号。
在本发明提供的光纤探头的又一实施例中，参照图4，浓度传感器的450角棱镜替换为裸光纤22，裸光纤22位于测杆的外部，***被测液体20中。输入光纤21将光导入裸光纤22，由于裸光纤22浸入溶液20中时将要发生模式泄漏，也就是光纤与被测液体20产生互相耦合，光特性因液体不同的折射率而向外散射的光量不同，也即光损失量不同，由于被测液体20的光折射率高于空气，光纤在液体和空气中光泄漏量的不同，传输的光将变弱，这一变化量与液体的浓度值相关，输出光纤23自裸光纤22接受的光经浓度探测器5输出测量电信号。
本发明提供的采用该光纤探头的复合式液体光纤浓度计的实施例，安装了两个独立的光纤传感器1成为一体的光纤探头并构成测试***。
参照图6，测试***包括与浓度探测器5相连的第一放大器15和与温度探测器6相连的第二放大器18、与激光光源7相连的第一光亮检测器9和与LED光源8相连的第二光亮检测器10，以及一DSP处理器19。第一放大器5、第二放大器15、第一光亮检测器9和第二光亮检测器10的输出信号分别接至DSP处理器19，DSP处理器19连接有显示器26和输出端口27。第一放大器5连接有第一灵敏度调节器16和第一零点调节器17，第二放大器15连接有第二灵敏度调节器24和第二零点调节器25。浓度探测器5和温度探测器6所接受的两个光信号转换成电信号，经过放大器放大、灵敏度调节、零点调节后输出的信号分别输入到DSP处理器19进行数据处理。DSP处理器19包括A/D转换和DSP数据处理模块。
激光电源7设有光能控制电路28，参照图7，是具有光能控制的半导体激光器，当半导体激光器的光功率提高时，被探测器PIN接受，它接受的光强越强，则在三极管2SA1015上的电压降低，使三极管2SC1545的电流下降，因此半导体激光器的光电流也下降，半导体激光器的发光功率也下降，反之同样。
为了提高测量精度，直接从光源中引导出一束光进行光亮检测。激光光源7经光纤连接有第一光亮检测器9，LED光源8经另一光纤连接有第二光亮检测器10，第一光亮检测器9和第二光亮检测器10分别输出各自的光亮检测信号。参照图8，第一光亮检测器9由芯片电路TLO72和AD620构成，接受由导光束返回的光，输入到DSP处理器19进行数据处理，用以提高测量精度。为进行温度检测，还有一路由TLO72和AD620组成的第二光亮检测器10。上述电路均为已知技术，故不作详述。
本发明光纤探头和采用该光纤探头的复合式液体光纤浓度计优点如下：
1由于接触液体的检测端为光纤探头，与主机之间是分离的，因而可实现远距离测试，直接纳入工艺过程生产线上进行实时测定。
2由于是光学量，所以防爆、防电磁干扰在测试环境恶劣的场所及需要防爆的工艺过程中都能使用。
3由于检测端直接***样品就能进行测定，而不需要特别的插样装置。探头尺寸小，而且由于光纤是柔性的，不需要选择特别的场所，高容易安装。
4光纤传输不受电磁场、大电流和高温的影响，因此配线不许特殊考虑，安全可靠性高。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (8)
1.一种光纤探头，包括测杆，其特征在于：所述测杆的前端安装有光纤传感器(1)，所述测杆的内腔中安装有导光纤束(2)、分纤盒(3)、具有保护套的单芯光纤束(4)、探测器和光源，所述光纤传感器(1)包括输入光纤(31)、输出光纤(33)和45°角棱镜(32)，所述45°角棱镜(32)位于所述测杆的外部，***被测液体(20)中；所述输入光纤(31)与所述光源相连，所述输出光纤(33)依次经所述导光纤束(2)、分纤盒(3)、具有保护套的单芯光纤束(4)与所述探测器相连，所述输入光纤(31)将光导入所述45°角棱镜(32)，所述输出光纤(33)自所述45°角棱镜(32)接受的折射光经所述探测器输出测量电信号；所述光纤传感器(1)为2个，包括浓度传感器和温度传感器，所述探测器包括浓度探测器(5)和温度探测器(6)，所述光源包括激光光源(7)和LED光源(8)，所述激光光源(7)用于所述浓度传感器，所述LED光源(8)用于所述温度传感器，所述温度探测器(5)的输出光纤(33)接收端面设有ASGA半导体材料层(34)。
2.根据权利要求1所述的光纤探头，其特征在于：其中所述激光光源(7)经光纤连接有第一光亮检测器(9)，所述LED光源(8)经另一光纤连接有第二光亮检测器(10)，所述第一光亮检测器(9)和第二光亮检测器(10)的分别输出各自的光亮检测信号。
3.根据权利要求2所述的光纤探头，其特征在于：其中所述激光光源(7)采用半导体激光器，其波长为650波长nm，所述激光电源(7)设有光能控制电路(28)，所述LED光源(8)的波长为910nm。
4.根据权利要求3所述的光纤探头，其特征在于：其中所述探测器采用硅光电池。
5.根据权利要求3所述的光纤探头，其特征在于：其中在所述浓度传感器中，所述45°角棱镜(32)替换为圆弧形光纤(12)，所述圆弧形光纤(12)位于所述测杆的外部，***被测液体(20)中，输入光纤(11)将光导入所述圆弧形光纤(12)，输出光纤(13)自所述圆弧形光纤(12)接受的反射光经所述浓度探测器(5)输出测量电信号。
6.根据权利要求3所述的光纤探头，其特征在于：其中在所述浓度传感器中，所述45°角棱镜(32)替换为裸光纤(22)，所述裸光纤(22)位于所述测杆的外部，***被测液体(20)中，输入光纤(21)将光导入所述裸光纤(22)，输出光纤(23)自所述裸光纤(22)接受的光经所述浓度探测器(5)输出测量电信号。
7.采用权利要求1-6中任一所述的光纤探头的复合式液体光纤浓度计，其特征在于：还包括与该光纤探头相连的测试***，所述测试***包括与所述浓度探测器(5)相连的第一放大器(15)和与所述温度探测器(6)相连的第二放大器(18)、与所述激光光源(7)相连的第一光亮检测器(9)和与所述LED光源(8)相连的第二光亮检测器(10)，以及一DSP处理器(19)，所述第一放大器(15)、第二放大器(18)、第一光亮检测器(9)和第二光亮检测器(10)的输出信号分别接至所述DSP处理器(19)，所述DSP处理器(19)连接有显示器(26)和输出端口(27)。
8.根据权利要求7所述的复合式液体光纤浓度计，其特征在于：其中所述第一放大器(15)连接有第一灵敏度调节器(16)和第一零点调节器(17)，所述第二放大器(18)连接有第二灵敏度调节器(24)和第二零点调节器(25)。
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