基于无芯光纤内腔传感的空气盐度监测装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及大气环境监测领域中海洋环境空气盐度的监测和评估，为实现对海洋环境空气盐度高精度全天候的监测,本实用新型采用的技术方案是，基于无芯光纤内腔传感的空气盐度监测装置，包括泵浦源，所述泵浦源通过波分复用器WDM其中一个输入端耦合进光路，所述波分复用器WDM有两路输入和一路输出，输出端链接掺铒光纤EDF，所述掺铒光纤EDF输出端连接光纤隔离器ISO输入端，所述光纤隔离器ISO输出端连接传感器，所述传感器为单模?无芯?单模光纤SNS的结构，输出端分别连接光谱分析仪OSA和波分复用器WDM另一个输入端，形成环形腔。本实用新型主要应用于海洋环境空气盐度的监测和评估。
【专利说明】
基于无芯光纤内腔传感的空气盐度监测装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及大气环境监测领域中海洋环境空气盐度的监测和评估，涉及一种海洋环境空气盐度监测装置及传感方法，尤其是基于无芯光纤内腔传感的空气盐度监测装置。
【背景技术】
[0002]空气盐度定义为单位体积空气中，溶解于空气中水蒸气的硫酸盐、硝酸盐、氯化物等全部盐类的质量。空气盐度是判定空气质量的一项重要指标，尤其对以海洋及沿海地区为主的海洋环境的空气盐度监测尤为重要，对海洋作业、沿海地区居民身体健康等具有重要意义。海洋及沿海地区的空气，由于海洋环境特有的高湿度和一系列海洋作用，使得海洋环境的空气中存在大量水汽，甚至达到饱和，其空气的湿度通常达到饱和。海面上空的水汽主要通过蒸发、海洋泡沫、海水飞溅等过程产生。上述过程会产生大量的小水滴，这些小水滴含盐度很高，导致海洋环境空气中漂浮着不同浓度的盐分(尤其是出现海雾的时候)。空气盐度一直在影响着我们的生活、生产和工业，一方面，盐是引起流感的诱发因素，因为盐含量太多会导致唾液分泌减少，使病毒在口腔内有落脚之地，同时，钠盐渗透性高，口腔和咽喉部上皮细胞的防御能力会被抑制，易使流感病毒进入人体;另一方面，空气盐度直接影响了各种设备的耐久度。当盐份沉降、附着或渗透在海洋环境使用的各种设备及其元件、部件、材料表面时，则会产生金属腐蚀、材料衰老、降低电性能等现象。如果空气盐度过高，会导致金属结构的耐久性极具下降，最后不可避免的导致结构塌陷。对海洋环境空气盐度高精度全天候的监测手段一直是海洋环境监测和评估的客观需求。
[0003]近年来随之出现了多种盐度测量相关的技术手段。常用的技术手段包括电导率测盐度、折射率测盐度等，对应的也有便携式电导率/盐度/温度测量仪和便携式折射率/盐度/温度测量仪。但是，目前出现的测量盐度的相关仪器，大多局限于水体中的盐度监测，而忽略了海洋环境空气盐度监测的重要性。海洋环境空气中的水汽往往达到饱和，和水体相比，折射率、吸收光谱等物理特性存在着巨大的区别，当前适用于水体盐度测量的设备大多不能适用于海洋环境空气盐度的监测。中国发明专利201320889872.9公开了一种用于盐度测量的光纤探头。该光纤探头包括光纤探针，光纤探针由第一光纤、长周期光纤光栅、第二光纤、布拉格光纤光栅和第三光纤组成，第一光纤的一端镀设有金属反射膜形成镀金属反射膜端头，第一光纤的另一端、载有长周期光纤光栅的光纤、第二光纤、载有布拉格光纤光栅的光纤和第三光纤依次连接，利用该探头得到水体中的含盐量。这个系统的缺点是，使用的光栅传感器只能用于测量水体盐度，无法检测空气盐度的高低。另外，温度交叉敏感较大，容易影响测量结果。当前的海洋环境空气盐度检测方法较少，且存在诸多缺点，中国发明专利200910143602.1公开了一种海洋环境空气盐度的测定方法。该方法将采集后的海洋环境空气样品处理后得到样品溶液，经过过滤，再将滤液蒸发至干，称重。采用离子色谱仪分析样品处理后的滤液中的离子含量，从而得到海洋环境空气盐度值。这种方法的缺点是，测量步骤繁复，人工参与环节较多，测量结果误差大，而且这种方法不能进行实时快速监测。
[0004]近几年，光纤传感器在环境监测领域得到了快速发展。有源内腔传感器将传感器和信号传输集于一体，其灵敏度优于无源传感器或者与其相当，其具有较大的输出功率，便于测量，并且具有出色的远程测量能力，同时其信噪比高，带宽窄，体积小，测量精度高，可靠性高，耐腐蚀，抗电磁干扰，寿命长，便于实际工程应用，很适合用于空气盐度的长期监测。
[0005]综上所述，海洋环境空气盐度的监测对海洋环境极其重要。目前没有人提出在线、快速、定量、能够监测海洋环境空气盐度含量的监测设备，且当前的海洋环境空气盐度检测方法无法满足生产和工业测量要求，实现一种能够实时、定量、多点监测海洋环境空气盐度含量的传感装置及方法是该领域急需解决的问题。
【发明内容】
[0006]为克服现有技术的不足，针对目前缺少能够快速、实时、定量、监测海洋环境空气盐度含量的技术与仪器这一现状，本实用新型旨在提供一种基于无芯光纤的内腔传感器装置及方法，通过对空气中折射率测量，实现对海洋环境空气盐度高精度全天候的监测。本实用新型采用的技术方案是，基于无芯光纤内腔传感的空气盐度监测装置，包括栗浦源，所述栗浦源通过波分复用器WDM其中一个输入端耦合进光路，所述波分复用器WDM有两路输入和一路输出，输出端链接掺铒光纤EDF，所述掺铒光纤EDF输出端连接光纤隔离器ISO输入端，所述光纤隔离器ISO输出端连接传感器，所述传感器为单模-无芯-单模光纤SNS的结构，所述传感器输出端接耦合器的输入端，所述耦合器有一路输入和两路输出，输出端分别连接光谱分析仪OSA和波分复用器WDM另一个输入端，形成环形腔。
[0007]所述栗浦源峰值工作波长范围为970?985nm，输出功率为90?650mW;所述波分复用器WDM工作波长1550/980nm。
[0008]所述掺铒光纤EDF用作增益介质，所述光纤隔离器ISO工作波长为1550nm。
[0009]所述传感器无芯光纤长度15cm，所述耦合器有一路输入和两路输出，分光比为10:90 ο
[0010]所述光谱分析仪(OSA)工作波长范围为1200nm?2400nm。
[0011 ]本实用新型的特点及有益效果是:
[0012]本实用新型利用无芯光纤结合内腔传感定量测量环境折射率的方法，采用设计的单模-无芯-单模光纤(SNS)结构作为传感器，在传感系统中，SNS结构一方面作为滤波器，在激光器中起到选择波长、抑制模式竞争的作用，另一方面作为传感探头，利用SNS结构的透射光谱对无芯光纤外界环境折射率敏感实现海洋环境空气盐度的传感。第一，实现了一种全光纤、高精度、全天候监测海洋环境空气盐度含量的传感装置。第二，温度交叉敏感小，减少了温度对普通全光纤测量系统的影响。第三，克服了现有海洋环境空气盐度测量方法的测量步骤繁复，测量结果易受误差影响，不能进行实时快速监测的缺点。
【附图说明】
:
[0013]图1是本实用新型所述传感系统的结构示意图；
[0014]图2是传感器结构示意图；
[0015]图3是系统典型输出光谱及对应SNS结构的透射光谱图；
[0016]附图中，各标号所代表的部件例表如下:
[0017]1-栗浦源，2-波分复用器，3-掺铒光纤，4-单模光纤，5-光纤隔离器，6_传感器，7_耦合器，8-光谱分析仪，9-单模光纤包层，10-单模光纤纤芯，11-无芯光纤，①-波分复用器输入端，②-波分复用器输入端，③-親合器输出端，④-親合器输出端。
【具体实施方式】
[0018]本实用新型公开了一种基于无芯光纤内腔传感的海洋环境空气盐度监测装置及传感方法，其技术方案如下:
[0019]—种基于无芯光纤内腔传感的海洋环境空气盐度监测装置及传感方法，包括栗浦源，所述栗浦源通过波分复用器(WDM)其中一个输入端耦合进光路，所述波分复用器(WDM)有两路输入和一路输出，输出端链接掺铒光纤(EDF)，所述掺铒光纤(EDF)输出端连接光纤隔离器(ISO)输入端，所述光纤隔离器(ISO)输出端连接传感器，所述传感器为单模-无芯-单模光纤(SNS)的结构，所述传感器输出端接親合器的输入端，所述親合器有一路输入和两路输出，输出端分别连接光谱分析仪(OSA)和波分复用器(WDM)另一个输入端，形成环形腔。
[0020]所述栗浦源峰值工作波长范围为970?985nm，输出功率为90?650mW。
[0021 ] 所述波分复用器(WDM)有两路输入和一路输出，工作波长1550/980nm。
[0022 ]所述掺铒光纤(EDF)在系统中作为增益介质。
[0023]所述光纤隔离器(ISO)工作波长为1550nmo
[0024]所述传感器为单模-无芯-单模光纤(SNS)的结构，无芯光纤长度15cm。
[0025]所述耦合器有一路输入和两路输出，分光比为10:90。
[0026]所述光谱分析仪(OSA)工作波长范围为1200nm?2400nm。
[0027]下面结合附图和实施例进一步详细说明本实用新型。
[0028]如图1所示，本实用新型一种基于无芯光纤内腔传感的海洋环境空气盐度监测装置及传感方法，包括设置有栗浦源I，所述栗浦源I通过波分复用器(WDM)2的波分复用器输入端②耦合进光路，所述波分复用器(WDM)2有两路输入和一路输出，输出端链接掺铒光纤(H)F)3，所述掺铒光纤(EDF)3输出端连接光纤隔离器(IS0)5输入端，所述光纤隔离器(ISO)5输出端连接传感器6，所述传感器6为单模-无芯-单模光纤(SNS)的结构，所述传感器6输出端接親合器7的输入端，所述親合器7有一路输入和两路输出，親合器输出端③连接光谱分析仪(0SA)8，耦合器输出端④连接波分复用器(WDM)2的波分复用器输入端①，形成环形腔。回路中各元件之间用单模光纤4进行连接。
[0029]所述栗浦源1，峰值工作波长范围为970?985nm，输出功率为90?650mW，输出功率控制在70 %以下，防止功率过大损坏系统器件。
[0030]所述波分复用器(WDM)2，选用有两路输入和一路输出，工作波长1550/980nm。
[0031]所述掺铒光纤(EDF)3，在系统中作为增益介质，长度根据吸收系数选择，以便环形腔光纤激光器获得足够的增益。
[0032]所述单模光纤4，工作波长为1550nm，可控制接入的长度来优化腔长及腔内损耗参数。
[0033 ]所述光纤隔离器(I SO) 5，起控制腔内激光传播方向的作用，工作波长为1550nm。
[0034]所述传感器6，为单模-无芯-单模光纤(SNS)的结构，无芯光纤长度15cm，无芯光纤11的长度精确截取方法是:将无芯光纤11 一端切平与单模光纤4熔接，然后截取一段无芯光纤11，将无芯光纤11固定于光纤切割刀上，一起固定于三维调整架上，在读数显微镜下找到上一步熔接位置，移动读数显微镜和三维调整架水平位移，使光纤切割刀的刀口位于待切割点，切割后与单模光纤4，完成单模-无芯-单模光纤(SNS)结构的制作。无芯光纤11和部分与之相连的单模光纤4采用抗腐蚀、透气性能较好的材料封装作为传感探头，并在封装材料上打出一系列小孔，以便空气快速进入。
[0035]所述耦合器7，选用有一路输入和两路输出，分光比为10:90，如图1所示，分光比为1 %的耦合器输出端③连接光谱分析仪(0SA) 8，分光比为90 %的耦合器输出端④连接波分复用器(WDM)2的波分复用器输入端①。在实际选用时，应尽量选用损耗小的耦合器。
[0036]所述光谱分析仪(0SA)8，工作波长范围为1200nm?2400nm，波长精度:±0.05nm，波长分辨率:0.05?2nm，最大输入功率:+20dBm。
[0037]本实用新型工作过程及原理:栗浦源I发出980nm的栗浦光通过波分复用器(WDM)2的波分复用器输入端②耦合进光路，在增益介质掺铒光纤(EDF)3内获得足够的增益，在环形腔内形成激光振荡，通过一个光纤隔离器(IS0)5后，进入传感器6结构。光经过传感器6结构时，由于加入无芯光纤11的缘故会发生多模干涉，SNS(单模-无芯-单模)结构的透射光谱中具有周期性的特征峰。在传感系统中，SNS结构一方面作为滤波器，在激光器中起到选择波长、抑制模式竞争的作用，另一方面作为传感探头，利用SNS结构的透射光谱对无芯光纤11外界环境折射率敏感实现传感。且由于无芯光纤的温度灵敏度远小于折射率灵敏度，温度交叉敏感小。经过传感器6最后通过耦合器7输出激光，并利用光谱分析仪(OSA)S测量其输出波长。当无芯光纤外界潮湿环境的空气盐度发生变化时，无芯光纤外界环境折射率发生变化，SNS结构的透射光谱发生偏移，其滤波特性发生变化，从而系统输出的激光波长发生偏移，通过测量输出波长可以实现潮湿的海洋环境中空气盐度的测量。
[0038]实施例:
[0039](I)首先根据已知空气盐度，对传感装置进行标定。具体标定方法如下:空气盐度值主要取决于大气水分中硫酸盐、硝酸盐、氯化物等盐类的含量，一般沿海地区的空气盐度是0%。取所在地沿海地区空气，并通过蒸发不同含盐度的盐水来制备多组相应含盐度的空气，定义所在地沿海地区的空气盐度值为0%。然后将传感器6依次置于制备好的不同盐度值的空气中，通过光谱分析仪(OSA)S记录不同盐度值的空气中，输出激光的峰值波长。最后利用得到的多组空气盐度值与相应的峰值波长，拟合出峰值波长-空气盐度值曲线方程。由于这种标定方法属于参考标定，基准完全取决于选取的沿海地区空气盐度，所以测量结果是以选取的沿海地区空气盐度为基准，在利用或分析测量结果时应结合选取的沿海地区空气盐度。
[0040](2)在测量位置发生长距离的变更时，或气候、季节发生大差距的变化时，需要从新对本测量装置进行标定，标定步骤如上。
[0041](3)进行测量时，将传感器6放置在需要监测空气盐度的环境中，需要注意，在测量前要等待I?2min，以使待测环境空气在传感器周围均匀分布。
[0042](4)打开电源，观察光谱分析仪(OSA)S上环形腔激光器的输出光谱，记录输出光谱的峰值波长。
[0043](5)将记录的峰值波长带入拟合好的峰值波长-空气盐度值曲线方程中，解得待测环境空气盐度值，并与选取的沿海地区空气盐度进行比较、分析，最后对待测环境空气盐度做出评价。这一步骤可通过软件快速实现。
[0044](6)可将多个传感器6均匀放置在待测环境中，通过多点对待测环境空气盐度进行整体监测。也可通过长时间观测光谱分析仪(OSA)S上峰值波长的移动情况，分析待测区域空气盐度值的变化情况，实现实时监测。
[0045](7)实施例达到指标:湿度100%下含盐量测量精度0.01M，测量误差小于5%。
【主权项】
1.一种基于无芯光纤内腔传感的空气盐度监测装置，其特征是，包括栗浦源，所述栗浦源通过波分复用器WDM其中一个输入端耦合进光路，所述波分复用器WDM有两路输入和一路输出，输出端链接掺铒光纤EDF，所述掺铒光纤EDF输出端连接光纤隔离器ISO输入端，所述光纤隔离器ISO输出端连接传感器，所述传感器为单模-无芯-单模光纤SNS的结构，所述传感器输出端接耦合器的输入端，所述耦合器有一路输入和两路输出，输出端分别连接光谱分析仪OSA和波分复用器WDM另一个输入端，形成环形腔。2.如权利要求1所述的基于无芯光纤内腔传感的空气盐度监测装置，其特征是，所述栗浦源峰值工作波长范围为970?985nm，输出功率为90?650mW;所述波分复用器WDM工作波长1550/980nm。3.如权利要求1所述的基于无芯光纤内腔传感的空气盐度监测装置，其特征是，所述掺铒光纤EDF用作增益介质，所述光纤隔离器ISO工作波长为1550nm。4.如权利要求1所述的基于无芯光纤内腔传感的空气盐度监测装置，其特征是，所述传感器无芯光纤长度15cm，所述耦合器有一路输入和两路输出，分光比为10:90。5.如权利要求1所述的基于无芯光纤内腔传感的空气盐度监测装置，其特征是，所述光谱分析仪OSA工作波长范围为1200nm?2400nm。
【文档编号】G01N21/41GK205426783SQ201620205809
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】徐德刚, 冯佳琛, 石嘉, 王与烨, 苏耿华, 闫超, 严德贤, 姚建铨
【申请人】天津大学