专利名称：一种双棱镜水质监测光纤传感系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水质监测光纤传感系统，特别涉及一种利用双棱镜反射池增加有效作用光程的微型探头，利用光纤传感实现监测信号的传输、通过检测水质的光谱特性来实时在线分析水质状况的多点分布式监测传感网，属于测试仪器领域。
背景技术：
当今社会大力倡导可持续发展和绿色环保，但人类的不合理活动导致水体的理化特征改变，造成水质恶化，严重污染生态环境，直接危害人们的生命健康。因此水污染的监测是环保的重要方面。其中，水的污染程度与其光谱特性有一定关系:若水中含有较多的悬浮颗粒、有机物大分子或重金属离子等痕量杂质，会对光产生吸收和散射等作用，使得原来透明无色的水产生浑浊现象。水污染越严重，其透光率就越低，污水的透光特性与水中杂质的含量、成分、大小、形状及其表面的吸收、反射、散射特性等因素有关，这些因素均会显著改变水的透光光谱特性。目前检测水质的光谱方法有散射法、透射法等，以及将这两者结合起来的比例法，一般是将检测光束调制后照射到样品池的待测水体中，然后利用光电探测器探测相应的光散射或透射输出信号，这种方法可以实现实验室环境的水质检测，但无法胜任水质的在线实时监测。本发明采用光纤双棱镜组合系统:双棱镜可以增加光与水的有效作用距离，提高检测灵敏度，光纤可以实现对现场实时传感信号的在线远距离传输处理。该结构本质上是采用光谱法监测水质，通过水中杂质对光的吸收和散射等作用表征水质特性。
发明内容
本发明的目的是针对现有的大多数水质检测仪无法实时在线监测、检测灵敏度低的特点，提供一种水质实时在线光纤传感检测系统。本发明采用如下技术方案:该双棱镜水质监测光纤传感系统，包括探头和监测单元两部分，其间用光纤相连。所述的探头包括发射光纤接口、准直器、第一直角棱镜、第二直角棱镜、会聚透镜、接收光纤接口。准直器将光纤传输过来的光变换成细平行光作为探测光束，穿过被测水体，射到第一棱镜上，被第一棱镜反射并平移后，沿与原入射方向平行的方向返回，再次通过被测水体，并被第二棱镜反射平移后，再次沿与原入射方向平行的方向返回，并第三次通过被测水体，最后经第一棱镜反射平移、反射并第四次通过被测水体，并将光束发射至会聚透镜，传输到与发射光纤并排成束的接收光纤。棱镜均为等腰直角棱镜，直角棱边相互垂直，两底面平行。两底面的间距是可调的，根据被测水域的实际监测要求统一确定为相同值。第一直角棱镜底面正对发射光纤接口以保证发射光纤发射的光垂直射到第一棱镜底面，第二棱镜的底面形状大小要能够覆盖第一棱镜的下半部分，以保证反射区域的完整性。探头的发射光纤接口、准直器、第一直角棱镜、第二直角棱镜、会聚透镜、接收光纤接口等元件，调节固定完备后封装为一体。支架材料既能固定光学元件，又能承受一定的水压且适应被测水体环境。对探测光有高透过率的薄玻璃挡板紧贴两棱镜底面，以将水体和探头光学元件隔离。两玻璃挡板间的支架材料部分预留足够的空缺，以保证水能够自由的流通两玻璃挡板间的空间并且在结构强度上保证内部光学元件的位置固定、光路畅通，例如将正对的两个面空缺，或仅保留四根棱柱，或只保留一面支架材料等方案均可，只要支架材料足够保证内部光路的畅通。发射光纤接口和接受光纤接口采用标准通用的光纤接口。两接口的大小决定了探头的最小尺寸，从而也决定了两直角棱镜的最小尺寸。即标准光纤接口的大小决定了探头的微型化程度。发射光纤接口前端配以准直镜，将光变换成细平行光束；接收光纤接口前端配有会聚透镜以保证充分接收探测光。准直器与会聚透镜的中心轴间距，是准直器中心轴跟第二棱镜直角棱边垂直距离的2倍。故在两棱镜大小和安装位置确定后，准直器的位置将决定整个反射光路。所有的探头在分别接好发射光纤和接收光纤后，投入被测水域的各个监测点。检测光束总共四次通过被测水体，有效地增加了光与水的作用距离。监测单元包括光源、两个I XN路光开关阵列、光纤光谱仪和计算机等信号处理部分。光源采用功率较高的宽光谱光源或调谐激光器，可以在一次测量中用多个波段扫描水质，更能够较全面地分析和表征水质特性。由于探头直接投入水中，有一定深度，可以忽略自然光的干扰，故此宽光谱可以包含可见光波段。I XN路光开关均受控于计算机，每次只接通一路发射光及相应的接收光信号，SP每次光源发出的全部光只输入一路发射光纤，每次只处理一个探头的检测信号。这种准分布式分时监测系统既可以保证探测光的强度，也有利于解调探测信号。IXN路光开关可以在发射端和接收端相应的多级级联，以增加监测光路。信号调理单元采用光纤光谱仪，其内部主要部件包括:长通吸收滤波片、准直器、光栅、聚焦镜、光电探测器等。光纤光谱仪完成探测光的光电转换和解调，并将探测结果显示在与之相连的计算机上，利用计算机上相关的光谱分析软件对信号进行分析处理，从而得出水质监测结果，并由计算机相关设备保存、打印、报警等。本发明具有以下优点:①本发明采用光纤传输光，实现对现场实时传感信号的在线远距离传输处理，有利于布置多点监测形成传感网，对一片水域进行实时在线监测，实现即时预警，保证用水安全。②本发明的传感头已封装成微型探头，预留有接口，可调节可更换、即插即用方便安装，直接投入被测水体进行现场实时监测。③本发明利用两直角棱镜在有限的空间内使探测光线4次通过被测水体，增加了光与水的作用距离，有利于探头的微型化。探测水的光谱特性，同时考虑了水对光的散射和吸收等作用，提高了检测灵敏度，降低了水质污染检测阈值，拓宽了检测范围。
图1为本发明的系统传感原理示意图。图中:10_监测单元:11_光源；12和13-1XN路光开关；14_光纤光谱仪；15_计算机。20-探头。31-发射光纤；32_接收光纤。图2为将图1中取出一路监测光路的放大图，主要说明探头部分，20-探头:21_发射光纤接口 ；22-准直器；23-第一直角棱镜；24_第二直角棱镜；25_会聚透镜；26_接收光纤接口。其他部件同图1。图3为探头内部元件分布图。图4为探头内两个直角棱镜的空间位置示意图。图5为探头内两个直角棱镜位置的左视图。图6为探头内两个直角棱镜位置的俯视图。
具体实施例方式图1为本发明提供的一种双棱镜水质监测光纤传感系统原理示意图。主要包括监测单元10和探头20两部分，其间用发射光纤31和接收光纤32相连。监测单元10包括光源11、发射I XN路光开关12、接收I XN路光开关13、光纤光谱仪14、计算机15。图2为探头图:探头20包括发射光纤接口 21、准直器22、第一直角棱镜23、第二直角棱镜24、会聚透镜25、接收光纤接口 26。系统工作时，监测单元10处于监控中心，探头20直接投入被测水域，布置在多个监测点。光源11发出的光经由受控于计算机的IXN路光开关12选通一路，沿该路的发射光纤31传输至该路的探头20。在探头20内，光与水相互作用，被水体调制后的探测光沿该路的接收光纤32和被计算机选通的I XN路光开关13传输至光纤光谱仪14。光纤光谱仪14完成探测光的光电转换和解调，并将探测信号传输给与之相连的计算机15。计算机15对信号进行分析处理，从而得出水质监测结果。图3为探头20工作原理图:接收光纤接口 21与发射光纤31相连，准直器22将光变换成细平行光并发射至被探测水体区域，而后探测光射到第一直角棱镜23上，被第一棱镜23反射并平移后，沿与原入射方向平行的方向返回，再次通过被探测水体区域，并被第二棱镜24反射平移后，再次沿与原入射方向平行的方向返回，并第三次通过被探测水体区域，最后经第一棱镜23反射平移、反射并第四次通过被探测水体区域，并将光束发射至会聚透镜25后经由与接收光纤接口 26相连的接收光纤32传输至监测单元10。监测单元10的光纤光谱仪14、计算机15对探测光进行分析处理，实现水质实时在线多点分布式监测。探头20的第一直角棱镜23和第二直角棱镜24采用透光波段较宽、透光率较高的材质，必要时可将两直角棱镜的底面镀上相关波段增透膜，减小棱镜的表面反射。本发明的技术方案中，采用光纤长距离传输光，直接将多个探头投入水中，水体的污染程度不同，痕量杂质不同，其出射光相对于原始发射光的光谱变化程度不同，由信号调理系统实时记录、解调分析，即可对水质进行实时在线多点分布式监测。光源10采用功率较高的宽光谱光源或调谐激光器，可以在一次测量中用多个波段扫描水质，更能够较全面地分析和表征水质特性。由于探头直接投入水中，有一定深度，可以忽略自然光的干扰，故此宽光谱可以包含可见光波段。I XN路光开关12和13使得每次检测时只选通一条光路，可以保证探测光的强度，也有利于解调探测信号。IXN路光开关可以在发射端和接收端相应的多级级联，以增加监测光路。本系统的信号调理部分采用光纤光谱仪14和计算机15组合，直接用光纤光谱仪14将探测信号解调后输入计算机15，利用之前标定的光谱与水质污染对应关系标准曲线，即可对当前被测水体污染程度进行实时在线多点分布式监测。
本系统采用直角棱镜反射系统增大探测光程，有利于提高传感灵敏度和降低检测阈值，同时保证光探头的微型设计要求，更好的监测低污染程度水质，保障水质，特别是饮用水和养殖用水安全。
权利要求
1.一种双棱镜水质监测光纤传感系统，包括光探头20和监测单元10两部分，光探头包括准直器22，直角棱镜23、24，会聚透镜25等。监测单元由光源11、光谱仪14和计算机15组成。光源发出的光由IXN路光开关12选通，沿光纤31传输至探头，被准直器变换成细平行光束在双棱镜结构间反射和平移，从而使探测光四次穿透棱镜间的被测水体，最后由会聚透镜25将光束耦合至光纤32，后经选通的IXN路光开关13传输到光谱仪和计算机，完成分时分布式探测。两等腰直角棱镜底面平行，直角棱边相互垂直。采用光谱仪和计算机分析探测信号，根据水的光谱特性表征水质特性。
2.如权利要求1所述的双棱镜水质监测光纤传感系统，其特征在于:利用光纤长距离传输光，将探头投至于多个监测点，并利用IXN路光开关将多路探测光路组网，在实时在线监测中心分时共用一套光源及信号调理设备。
3.如权利要求1所述的双棱镜水质监测光纤传感系统，其探头特征在于:包括发射光纤接口、准直器、第一直角棱镜、第二直角棱镜、会聚透镜、接收光纤接口 ；封装成微型探头，预留有发射和接收光纤接口，可直接与光纤相连；探测光束共4次通过被测水体，最后沿与发射光纤并排成束的接收光纤传输至信号处理部分。
4.根据权利要求3所述的探头，第一直角棱镜23和第二直角棱镜24构成反射系统，特征是底面A1B1C1D1和A2B2C2D2平行，底面A2B2C2D2正对A1B1C1D1的下半部分，形状大小要覆盖A1B1C1D1的下半部分，直角棱边E1F1和E2F2相互垂直。
5.如权利要求3和4所述的系统,第一直角棱镜23的位置可沿棱镜间光束方向移动，即底面A1B1C1D1和A2B2C2D2间距离可调。
6.根据权利要求4和5所述的系统，两直角棱镜可用4个反射镜代替，其特征是'2个反射镜为一组，共两组，组成类似权利要求4和5所示特征。
全文摘要
一种双棱镜水质监测光纤传感系统，包括光探头20和监测单元10两部分，光探头包括准直器22，直角棱镜23、24，会聚透镜25等。监测单元由光源11、光谱仪14和计算机15组成。光源发出的光由1×N路光开关12选通，沿光纤31传输至探头，被准直器变换成细平行光束在双棱镜结构间反射和平移，从而使探测光四次穿透棱镜间的被测水体，最后由会聚透镜25将光束耦合至光纤32，后经选通的1×N路光开关13传输到光谱仪和计算机，完成分时分布式探测。两等腰直角棱镜底面平行，直角棱边相互垂直。采用光谱仪和计算机分析探测信号，根据水的光谱特性表征水质特性。该光纤传感系统使用微型探头对水质进行分布式实时在线监测，即时预警、检测灵敏度高。
文档编号G01N21/25GK103149158SQ20131001590
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月14日 优先权日2013年1月14日
发明者刘月明, 吴刚, 高晓良, 夏忠诚 申请人:中国计量学院