[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

权利要求书

1.一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。

2.根据权利要求1所述基于级联腔衰荡的双通道水质环境光纤传感装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述基于级联腔衰荡的双通道水质环境光纤传感装置，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述基于级联腔衰荡的双通道水质环境光纤传感装置，其特征在于，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。

5.根据权利要求4所述基于级联腔衰荡的双通道水质环境光纤传感装置，其特征在于，所述pH指示剂采用溴酚蓝和溴甲酚紫混合。

6.一种基于权利要求1所述基于级联腔衰荡的双通道水质环境光纤传感装置的方法，其特征在于：

脉冲光源产生的光束经由导入光纤通过2×2耦合器一(2)，少部分光进入光纤环型腔A，大部分光继续传播到2×2耦合器二(4)，但只有少部分光进入光纤环型腔B；

光束在光纤环型腔A内往返多次，每次经过1×2耦合器一(3)时，有部分光波被导出进入光纤连接器(7)；

光束在光纤环型腔B内往返多次，每次经过1×2耦合器二(5)时，有部分光波被导出进入光纤连接器(7)；

当光波经过传感单元一(6)或传感单元二(11)时，形成消逝场吸收，吸收能量多少由吸收系数和传感长度决定，吸收系数直接和待测溶液相关；

两路被导出的光束经过光纤连接器(7)传输到光电探测器(8)，探测器(8)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。

7.根据权利要求6所述基于级联腔衰荡的双通道水质环境光纤传感装置的方法，其特征在于，所述数据处理单元(10)进行分析处理的方法如下：

当传感单元接触和没有接触待测溶液时，对示波器(9)上的一路衰荡光谱进行分析，将光谱中各定点连接起来得到一条e指数衰减曲线，定义光强衰减到1/e为衰荡时间，通过以下公式：

${\mathrm{\τ}}_0=\frac{nL}{cA}$

$\mathrm{\τ}=\frac{nL}{c(A+B)}$

$(\frac{1}{\mathrm{\τ}}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0})=\frac{c}{nL}B=\frac{c\mathrm{\γ}d}{nL}C=\mathrm{\β}C$

得到待测溶液的H⁺浓度，从而得到待测溶液的pH值；其中，c为真空中光速，n为传输光纤芯层折射率，L为光纤环长度，d为传感单元长度，A和B分别为传感单元接触和没有接触待测溶液时的倏逝波损耗，τ₀和τ分别为传感单元接触和没有接触待测溶液时的衰荡时间，γ为消逝波吸收系数，对于固定的传感器装置，β是一个常数，C为待测溶液的H⁺浓度。