CN107132201A - 激光式远程ph值监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光式远程PH值监测装置，包括窄线宽激光器、3dB耦合器、输送光纤、传感头、载液槽以及光功率计，所述3dB耦合器包括A端口、B端口、C端口以及D端口，所述窄线宽激光器的输出端连接所述3dB耦合器的A端口，所述传感头包括连接在一起的D形光纤和保偏光纤，所述B端口通过所述输送光纤连接所述传感头的D形光纤，所述D端口通过所述输送光纤连接所述保偏光纤，所述C端口连接所述光功率计。该监测装置可解决PH值监测设备的结构复杂以及不能实现远距离实时监测的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种用于监测溶液的PH值的激光式远程PH值监测装置。
背景技术
液体的PH值是反映其酸碱度的重要参数，也是现代工业过程控制技术、生物技术、医疗和环境监测等技术领域中的重要参数指标。因此，对PH值的精确测量与监测具有重要的现实意义。
传统的PH值测量方法有PH试纸比对法、PH玻璃电极法、指示剂分析法等，这些方法存在响应时间长、稳定性差和测量精度不高等方面的不足。光纤传感器由于灵敏度高、稳定性好和抗干扰性强等特点被用于进行PH的测量。现有的PH光纤测量方法和PH光纤传感器结构相对复杂，导致仪器设备成本较高。因此，需要研制一个结构简单、测量精度高、低成本、能够实现在线监测以及远距离监测的PH值测量装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种激光式远程PH值监测装置，该监测装置解决PH值监测设备的结构复杂以及不能实现远距离实时监测的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种激光式远程PH值监测装置，包括窄线宽激光器、3dB耦合器、输送光纤、传感头以及光功率计，所述3dB耦合器包括A端口、B端口、C端口以及D端口，所述窄线宽激光器的输出端连接3dB耦合器的A端口，所述传感头包括连接在一起的D形光纤和保偏光纤，所述B端口通过所述输送光纤连接所述传感头的D形光纤，所述D端口通过所述输送光纤连接所述保偏光纤，所述3dB耦合器连接所述传感头构成萨格纳克干涉仪，所述C端口连接所述光功率计。
作为一种改进的方式，还包括载液槽，所述传感头设置于所述载液槽内。
作为一种改进的方式，所述D形光纤是多模光纤，所述多模光纤的侧壁通过侧边抛磨研制工艺设有凹陷。
作为一种改进的方式，所述凹陷的中部为平面，所述凹陷的的两端为曲面。
作为一种改进的方式，所述凹陷的长度为2cm，所述凹陷的深度为纤芯直径的一半。
作为一种改进的方式，所述D形光纤与所述保偏光纤通过对芯熔接的方式连接到一起。
作为一种改进的方式，所述保偏光纤的长度为8～18cm，所述保偏光纤的纤芯直径为9～11.5um，所述多模光纤长度为10～20cm，所述多模光纤的纤芯直径为50um或62.5um。
作为一种改进的方式，所述窄线宽激光器的输出波长是所述干涉谱某个波谷上升沿位置处一半的波长。
采用上述技术方案所取得的技术效果为：
窄线宽激光器发出的激光经3dB耦合器后等分为两路，两路激光分别沿两传送光纤向相反的方向传输，当传感头所处的外界环境(液体PH值)变化时，两路光的互异性会发生相应的改变，导致两路光产生相位差，光重新进入耦合器后会形成干涉谱，窄线宽激光器发出的激光波长刚好处于干涉谱某个波谷上升沿位置处一半的波长,干涉谱移动时，会导致探测的光功率发生改变，通过光功率计分析功率变化可对PH值进行监测。该种激光式PH值监测装置传感头直接与待测液体接触，使得传感器的响应迅速，灵敏度更高，窄线宽激光器输出较强功率的激光使监测的距离更长，该监测装置具有结构简单、成本低，可实时监测的优点。
由于还包括载液槽，所述传感头设置于所述载液槽内，可使用载液槽盛装待测液体进行PH值的监测。
由于所述D形光纤是多模光纤，所述多模光纤的侧壁通过侧边抛磨研制工艺设有凹陷，采用多模光纤进行侧边抛磨，由于多模光纤的纤芯直径较大，抛磨区的深度可以根据实际需要进行调整，而且调整范围较大，多模光纤凹陷区的纤芯直接与外界介质相接触，外界介质充当多模光纤凹陷区的包层,由于光纤存在倏逝场特性，纤芯直接与外界介质接触，倏逝场特性更强，泄露到外界介质中的激光会增加。
由于所述凹陷的中部为平面，凹陷的的两端为曲面，多模光纤纤芯中的激光能在曲面处进入到外界介质，从而在外界介质中传播，而在另一端的曲面处外界介质中的激光又能耦合进纤芯。
由于凹陷的长度为2cm，凹陷的深度为纤芯直径的一半，可以提高在纤芯中传播的激光与在外界介质中传播的激光的光程差，同时使在保留在凹陷区的纤芯的光强与泄露到外界介质中的激光的光强更为接近，使干涉光的的光强更大，提高信噪比。
由于D形光纤与保偏光纤通过对芯熔接的方式连接到一起，可尽量减小多模光纤与保偏光纤连接处的光损耗。
附图说明
图1为发明的激光式PH值监测装置的结构示意图；
图2为D形光纤结构示意图；
图3为图2中F-F向的剖视图；
图中，1-线宽激光器、3-3dB耦合器、4-输送光纤、51-D形光纤、52-保偏光纤、6-载液槽、7-光功率计、8-液体、L-多模光纤抛磨区长度、h-为多模光纤抛磨深度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
结合图1至图3共同所示，一种激光式远程PH值监测装置，包括窄线宽激光器1、3dB耦合器3、输送光纤4、D形光纤51、保偏光纤52、载液槽6以及光功率计7。D形光纤51和保偏光纤52熔接在一起构成传感头。3dB耦合器3包括A端口、B端口、C端口以及D端口。窄线宽激光器1的输出端连接3dB耦合器3的A端口，3dB耦合器的B端口通过输送光纤4连接传感头的D形光纤51，D端口通过输送光纤4连接保偏光纤52，C端口连接光功率计7。
D形光纤51采用多模侧边抛磨研制而成，多模光纤的侧壁通过侧边抛磨研制工艺设有凹陷，由于多模光纤的纤芯直径较大，抛磨区的深度可以根据实际需要进行调整，而且调整范围较大，凹陷的中部为平面，凹陷的的两端为曲面，多模光纤纤芯中的激光能在曲面处进入到外界介质，从而在外界介质中传播，而在另一端的曲面处外界介质中的激光又能耦合进纤芯。多模光纤凹陷区的纤芯直接与外界介质相接触，外界介质充当多模光纤凹陷区的包层,由于光纤存在倏逝场特性，纤芯直接与外界介质接触，倏逝场特性更强，泄露到外界介质中的激光会增加。多模光纤可以同时传输多种模式的光，在光纤传感中利用其激发多种模式的特性，实现互不干扰的同时传输。保偏光纤52在传光时能保持光的偏振态不发生改变，且损耗低，提高了信噪比，可以实现高精度的测量。
窄线宽激光器1的输出端与3dB耦合器的A端口相连，窄线宽激光器1为抗震动单频窄线宽激光器1，所述的抗震动单频窄线宽激光器1输出的激光波长刚好等于传感头干涉谱的某个波谷的上升沿位置处一半的波长，干涉谱移动时，会导致探测的光功率发生改变，使得功率的分析更为方便与直接。所述的窄线宽激光器1的有较高的功率输出，从而激光能传输和距离更长,实现远距离监测。
本实施例中，传感头5包括一段D形光纤51和一段保偏光纤52，连接方式为D形光纤51与保偏光纤52采用对芯熔接，熔接模式为MM-MM模式，可尽量减小多模光纤与保偏光纤52连接处的光损耗。在熔接光纤时应保证熔接头的平整与清洁，增强传感***的耐用性与实用性。保偏光纤52的长度为8～18cm，纤芯直径为9～11.5um，包层直径为125um。D形光纤51采用多模光纤侧边抛磨制成，多模光纤长度为10～20cm，纤芯直径为50um或62.5um，包层直径为125um，多模光纤抛磨区长度L为2cm，为多模光纤抛磨深度h为纤芯磨掉一半，可以提高在纤芯中传播的激光与在外界介质中传播的激光的光程差，同时使在保留在凹陷区的纤芯的光强与泄露到外界介质中的激光的光强更为接近，使干涉光的的光强更大，提高信噪比。
3dB耦合器3的D端口与光功率计7的输入端相连。光功率计7为单通道光功率计7，单通道光功率计7测量范围大、性能优越、经济实用。
该激光式远程PH值监测装置的工作原理为：
窄线宽激光器1发出的激光经3dB耦合器3后等分为两路，且沿相反的方向传输，光入射到D形光纤51后，首先激发出多种模式的光，部分模式的光会在抛磨区进入到外界的介质中，由于外界介质与多模光纤纤芯的折射率不同，所以泄露光在外界传输速度会发生改变，当泄露光重新耦合进多模光纤时，存在能量损失，所以光的功率就发生了变化。光传到保偏光纤52时，保偏光纤52能很好地保持光的偏振态，而且满足一定条件的模式的光会发生干涉，使得能量进行重新分配，并在透射谱上产生干涉峰和干涉谷对应的特征波长，光重新进入耦合器后形成干涉谱。
本激光式远程PH值监测装置通过所述的窄线宽激光器发出的激光波长刚好处于干涉谱某波谷上升沿位置一半处的波长，当外界液体PH值变化时会改变两路干涉光的光程差，即改变两路干涉光的相位差，这样干涉谱会移动，即所考察波谷的波长会移动，波长的移动会导致探测的光功率发生变化，因此通过光功率变化的测量就可以确定波谷波长的变化量，由此可以计算出PH值，从而实现在线的远距离监测。
本激光式PH值监测装置的工作过程：
在测量液体7的PH值时，按图1所示，传感头置于载液槽6内，把需要测量的液体8加注入载液槽6中至完全浸没传感头，当传感头所处的外界环境发生变化时，两路光的互异性发生改变，导致两路光产生相位差，不同液体8的PH值将直接影响传感器输出的光信号，光功率计7检测载液槽6内盛装不同液体8时的光功率的变化，通过分析光功率计7的功率变化，进而分析出液体8的PH值，实现PH的监测。
上述说明凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，盖专利范围。
Claims (8)
1.一种激光式远程PH值监测装置，其特征在于，
包括窄线宽激光器、3dB耦合器、输送光纤、传感头以及光功率计，所述3dB耦合器包括A端口、B端口、C端口以及D端口，所述窄线宽激光器的输出端连接所述3dB耦合器的A端口，所述传感头包括连接在一起的D形光纤和保偏光纤，所述B端口通过所述输送光纤连接所述传感头的D形光纤，所述D端口通过所述输送光纤连接所述保偏光纤，所述3dB耦合器连接所述传感头构成萨格纳克干涉仪,所述C端口连接所述光功率计。
2.如权利要求1所述的激光式远程PH值监测装置，其特征在于，还包括载液槽，所述传感头设置于所述载液槽内。
3.如权利要求1所述的激光式远程PH值监测装置，其特征在于，所述D形光纤是多模光纤，所述多模光纤的侧壁通过侧边抛磨研制工艺设有凹陷。
4.如权利要求1所述的激光式远程PH值监测装置，其特征在于，所述凹陷的中部为平面，所述凹陷的的两端为曲面。
5.如权利要求4所述的激光式远程PH值监测装置，其特征在于，所述凹陷的长度为2cm，所述凹陷的深度为纤芯直径的一半。
6.如权利要求1所述的激光式远程PH值监测装置，其特征在于，所述D形光纤与所述保偏光纤通过对芯熔接的方式连接到一起。
7.如权利要求1所述的激光式远程PH值监测装置，其特征在于，所述保偏光纤的长度为8～18cm，所述保偏光纤的纤芯直径为9～11.5um，所述多模光纤长度为10～20cm，所述多模光纤的纤芯直径为50um或62.5um。
8.如权利要求1所述的激光式远程PH值监测装置，其特征在于，所述窄线宽激光器的输出波长是干涉谱某个波谷上升沿位置处一半的波长。
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