專利名稱：一種同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感裝置及方法，屬于環(huán)境監(jiān)測技術領域。
背景技術：
在水質分析過程中，濁度和顆粒物粒徑均是反映水質污染狀況的重要指標。液體濁度偏高時，一般伴隨著很強的顆粒物的散射消光現(xiàn)象。隨著生產(chǎn)力的提高、社會文明的進步，人們對水質濁度和顆粒物的研究已經(jīng)深入到石油、化工、醫(yī)藥、環(huán)保等諸多領域。水質濁度和顆粒物的監(jiān)測與控制，對提高生產(chǎn)效能、控制環(huán)境污染、保護人體健康等方面都有著重要意義。例如，中國規(guī)定飲用水的渾濁度不得超過5度，需要對飲用水中包含隱孢子蟲和賈第蟲顆粒的粒徑進行監(jiān)測，以防止致病原生動物疾病的發(fā)生。在油田回注水過程中，需要過濾水中懸浮顆粒物，否則當粒徑較大的顆粒物通過土壤時就會堵塞滲流孔道，造成出油率下降甚至注水效果失效等問題。目前，國內外在液體濁度和顆粒物粒徑測量方面采用，應用較為廣泛的是光散射測量技術，但一般均為濁度和粒徑的單獨測量。濁度在線測量產(chǎn)品的儀器逐漸可以做到小型化，而顆粒物粒徑測量系統(tǒng)則相對復雜很多。英國Malvern、日本島津、美國Coulter等公司均推出了精度和測量范圍寬的靜態(tài)光散射粒度儀，但系統(tǒng)體積龐大、光學機構復雜、探測器數(shù)目眾多(100個以上)，難以實現(xiàn)顆粒物粒徑的在線測量，對于狹小空間下的顆粒物測量需求更是無法滿足。國內的丹東百特、珠海歐美克、成都精新、濟南微納等正規(guī)粒度儀器制造商為代表的國產(chǎn)粒度儀的產(chǎn)品質量也在不斷提高，但也同樣面臨上述問題。隨后，國內外也開始發(fā)展基于動態(tài)光散射的顆粒物粒徑測量技術，因該方法在光信號采集過程中只需要單個探測器，因此系統(tǒng)復雜性有所降低，但僅限于實驗室內納米級顆粒物粒徑分析，系統(tǒng)仍無法滿足小空間內顆粒物粒徑在線監(jiān)測需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感裝置及方法，實現(xiàn)遠距離狹小空間及特別惡劣環(huán)境下液體濁度和顆粒物粒徑的準確在線監(jiān)測。本發(fā)明采用的技術解決方案是一種同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感裝置，其特征在于包括激光器調制模塊(I)、激光器(2)、第一光纖(3)、三端口光纖環(huán)行器(4)、光纖聚焦器(5)、第二光纖(6)、光電探測器(7 )、放大解調電路(8 )、自相關器(9 )、計算機(IO );所述激光器(2 )經(jīng)過激光器調制模塊(I)控制后輸出方波調制激光，以減少外界環(huán)境慢變化對信號的干擾，經(jīng)第一光纖
(3)傳輸?shù)饺丝诠饫w環(huán)行器(4)的第一端口，然后從三端口光纖環(huán)行器(4)的第二端口輸出到光纖聚焦器(5)，光纖聚焦器(5)將激光聚焦到待測液體上，在焦點處的部分后向散射光按原路返回光纖聚焦器(5)，光纖聚焦器(5)既提高散射信號光的接收效率并避免了分立探測對環(huán)境變化的敏感性，從三端口光纖環(huán)行器(4)第二端口傳輸?shù)饺丝诠饫w環(huán)行器
(4)第三端口，三端口光纖環(huán)行器(4)最大限度降低了輸入光和光纖中后向散射光非線性效應對散射光的干擾，經(jīng)第二光纖(6)傳輸?shù)焦怆娞綔y器(7)，光電探測器(7)將光信號轉變?yōu)殡娦盘?，電信號?jīng)放大解調電路(8)后分為兩路，一路經(jīng)過自相關器(9)進行相關性分析并將參數(shù)輸入到計算機(10)，另一路直接將解調后的電壓幅值參數(shù)輸入到計算機(10)，分別利用后向散射和自相關原理同時獲取液體濁度和顆粒物粒徑信息，最終由計算機(10)輸出液體濁度和顆粒物粒徑監(jiān)測結果。所述激光器(2)采用帶尾纖的可調制半導體DFB或LD激光器，采用方波調制以避免雜散光及背景慢變化引起的干擾。激光器(2)光功率> 20mW，發(fā)射波長在光纖低損耗窗口(比如1550nm),以實現(xiàn)遠距離的激光傳輸和信號探測。所述第一光纖(3)和第二光纖(6)米用單模石英光纖，1550nm波長處損耗
O.25dB/km,來回傳輸距離在3km左右時損耗小于40%。所述光纖環(huán)行器(4)的插入損耗< O. 8 dB、隔離度> 40dB，可以實現(xiàn)輸入光和后向散射信號光的有效分離，同時避免輸入光的后向散射非線性效應造成的光頻譜展寬，提高信號的信噪比。所述光纖聚焦器(5)的插入損耗< O. 25dB，數(shù)值孔徑> O. 1，以提高散射光接收效率。所述光電探測器(7)采用帶尾纖的高靈敏度雪崩光電探測器模塊，靈敏度優(yōu)于_33dBm，可與第二光纖(6)有效耦合，以實現(xiàn)低濁度下光信號的準確測量。所述放大解調電路(8)采用帶通濾波和平均值檢波電路，電路通過對電信號進行帶通濾波、全波整流及低通濾波，解調得到的直流信號，最后經(jīng)運放二級放大得到穩(wěn)定信號。所述自相關器(9)的最小可調采樣時間彡O. lus，通道數(shù)彡60，以實現(xiàn)較快速度的信號分析，減少統(tǒng)計誤差并擴大延遲時間范圍，最終輸出準確的自相關參數(shù)。所述光纖環(huán)行器(4)和光纖聚焦器(5)根據(jù)實際應用場合選用耐高溫器件，最高溫度選擇150攝氏度以上或進行耐壓隔熱封裝，以實現(xiàn)惡劣測量環(huán)境下的液體濁度和顆粒物粒徑的在線監(jiān)測。一種同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感方法，包括以下步驟第一步，激光器調制模塊(I)對激光器(2)進行方波調制，調制后的激光經(jīng)第一光纖(3)、三端口光纖環(huán)行器(4)、光纖聚焦器(5)入射光待測液體內；第二步，經(jīng)過待測液體內顆粒物散射后的部分后向散射光按原光路返回到光纖聚焦器(5)，散射光依次經(jīng)三端口光纖環(huán)行器(4)第三端口、第二光纖(6)傳輸?shù)焦怆娞綔y器
(7)，光信號轉化為電信號后輸入放大解調電路(8)，以獲得解調后散射光信號變化對應電壓幅值；第三步，將解調后的信號幅值送入自相關器(9)，去掉最初的16個以上的通道點。進行單指數(shù)衰減擬合，得到光強自相關曲線的平均線寬；第四步，利用400NTU福爾馬肼標準液配制6種以上不同濁度的福爾馬肼標準液，將光纖聚焦器(5)固定在液體容器內，先注入去離子水測量后向散射光電壓幅值，之后加入福爾馬肼標準液，通過放大解調電路(8)獲得對應的后向散射光電壓幅值。不斷重復加入6種以上不同濁度的福爾馬肼標準液，將測量到的標準液后向散射光電壓幅值減除去離子水的后向散射光電壓幅值；將6組以上的數(shù)據(jù)進行線性擬合得到信號幅值與濁度的標準變化關系;第四步，選取6種以上粒徑在10納米至2微米粒徑范圍內的標準聚苯乙烯溶液，依次測量并獲得標準粒徑下的光強自相關曲線平均線寬與粒徑的標準變化關系；第五步，將自聚焦器(5)放入待測液體內，由計算機(10)將所得的信號幅值和光強自相關曲線斜率分別與濁度和粒徑標準變化關系比對，得出液體濁度和粒徑信息。本發(fā)明的測量原理如下通過測量激光經(jīng)過待測液體內懸浮顆粒的后向散射光，分析散射光強度和自相關特性變化，從而得液體濁度和顆粒物粒徑信息。根據(jù)米散射原理，在入射光強不變的條件下，散射光強與濁度的變化關系可簡化為Ir=KT因此，水中后向散射光強總是與濁度T成正比例關系，實際測量中只需將系數(shù)K用濁度標準液標定得到后就可由后向散射光強計算出濁度值。散射光強的歸一化自相關函數(shù)為g(x)=< Ir(t)Ir(t+x) >/< Ir (t) > 2其中，仁(t)、IJt+T)為在時刻t和t+τ接收到的散射光強信號，τ為延遲時間。對g( τ )進行單指數(shù)擬合，即得到平均線寬η = \
O其中，G(n)為g(T)的拉普拉斯變換結果。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明利用光纖環(huán)行器、光纖聚焦器結構，實現(xiàn)了遠距離后向散射光信號探測，有效避免了光纖非線性效應對測量信號的干擾；(2)本發(fā)明利用后向散射和自相關原理，通過提取后向散射信號的光強變化及自相關信息，同時實現(xiàn)了液體濁度和顆粒物粒徑的準確測量；(3)本發(fā)明探測及傳輸系統(tǒng)均采用光纖器件，裝置采用單個光源和探測器，結構緊湊、體積小，適合狹小空間下液體濁度和顆粒物粒徑的在線測量；同時全光纖探測結構可以有效避免外界環(huán)境的干擾，提高系統(tǒng)測量精度；(4)本發(fā)明采用單模光纖、光纖環(huán)行器和高靈敏度雪崩光電探測器，可以獲得很高信噪比的信號，可實現(xiàn)寬范圍濁度和粒徑信息的準確測量。


圖I為本發(fā)明中同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感裝置結構示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明測量裝置包括激光器調制模塊I、激光器2、第一光纖3、三端口光纖環(huán)行器4、光纖聚焦器5、第二光纖6、光電探測器7、放大解調電路8、自相關器9、計算機10 ;所述激光器2經(jīng)激光器調制模塊I進行方波調制后輸出方波調制激光，以減少外
6界環(huán)境慢變化對信號的干擾，激光經(jīng)第一光纖3傳輸?shù)饺丝诠饫w環(huán)行器4的第一端口，然后從三端口光纖環(huán)行器4的第二端口輸出到光纖聚焦器5,自光纖聚焦器5出射的光經(jīng)液體中顆粒物散射后部分后向散射光按原路返回光纖聚焦器5，光纖聚焦器5既提高散射信號光的接收效率并避免了分立探測對環(huán)境變化的敏感性，并從三端口光纖環(huán)行器4第三端口經(jīng)第二光纖6傳輸?shù)焦怆娞綔y器7,三端口光纖環(huán)行器4最大限度降低了輸入光和光纖中后向散射光非線性效應對散射光的干擾，光電探測器7將光信號轉變?yōu)殡娦盘?，電信號?jīng)放大解調電路8后分為兩路，一路經(jīng)過自相關器9進行相關性分析并將參數(shù)輸入到計算機10，另一路直接將解調后的電壓幅值參數(shù)輸入到計算機10，分別利用后向散射和自相關原理同時獲取液體濁度和顆粒物粒徑信息，最終由計算機10輸出液體濁度和顆粒物粒徑監(jiān)測結果O其中激光器2為具有良好調制特性的半導體DFB或LD激光器，帶單模尾纖輸出，第一光纖3和第二光纖6為單模石英光纖,光電探測器8為高靈敏度雪崩光電探測器模塊,自相關器為多通道寬動態(tài)范圍的數(shù)字相關器，以確保激光信號的遠程傳輸(0-10KM)以及散射光的聞靈敏探測。本發(fā)明測量方法實現(xiàn)步驟如下( I)激光器調制模塊I對激光器2進行方波調制；(2)調制后的激光一次經(jīng)第一光纖3、三端口光纖環(huán)行器4、光纖聚焦器5入射光待測液體內；(3)經(jīng)過待測液體內顆粒物散射后的部分后向散射光按原光路返回到光纖聚焦器
5,散射光依次經(jīng)三端口光纖環(huán)行器4第三端口、第二光纖6傳輸?shù)焦怆娞綔y器7,光信號轉化為電信號后輸入放大解調電路8，以獲得解調后散射光信號變化對應電壓幅值；(4)將解調后的信號幅值送入自相關器9，去掉最初的16個以上的通道點，進行單指數(shù)衰減擬合，得到光強自相關曲線的平均線寬；(5)利用400NTU福爾馬肼標準液配制6種以上不同濁度的福爾馬肼標準液，將光纖聚焦器5固定在液體容器內，先注入去離子水測量后向散射光電壓幅值，之后加入福爾馬肼標準液，通過放大解調電路8獲得對應的后向散射光電壓幅值。不斷重復加入6種以上不同濁度的福爾馬肼標準液，將測量到的標準液后向散射光電壓幅值減除去離子水的后向散射光電壓幅值。(6)將6組以上的數(shù)據(jù)進行線性擬合得到信號幅值與濁度的標準變化關系，擬合曲線為Y=A+B*X其中Y代表信號電壓幅值，X代表濁度值，A和B分別為線性擬合參數(shù)。采用最小二乘法進行線性擬合后得到參數(shù)A和B的值，并畫出擬合曲線；(7)選取6種以上粒徑在10納米至2微米粒徑范圍內的標準聚苯乙烯溶液，依次測量并通過自相關器9得出標準粒徑下的光強自相關函數(shù)；(8)對g( τ )進行單指數(shù)擬合，即得到平均線寬
(9)將6組以上的數(shù)據(jù)進行線性擬合得到并獲得標準粒徑下的光強自相關曲線平均線寬與粒徑的標準變化關系；(10)將激光在線傳感裝置的自聚焦器5放入待測液體內，由計算機10將所得的信號幅值和光強自相關曲線斜率分別與濁度和粒徑標準變化關系比對，得出液體濁度和顆粒物粒徑信息?？傊瑫r實現(xiàn)遠距離、狹小空間及其他復雜環(huán)境下液體濁度和顆粒物粒徑的準確在線測量。本發(fā)明結構簡單、小型實用，適用于復雜環(huán)境下的液體濁度和顆粒物粒徑的在線監(jiān)測。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感裝置，其特征在于包括激光器調制模塊(I)、激光器(2)、第一光纖(3)、三端口光纖環(huán)行器(4)、光纖聚焦器(5)、第二光纖(6)、光電探測器(7 )、放大解調電路(8 )、自相關器(9 )、計算機(IO );所述激光器(2 )經(jīng)過激光器調制模塊(I)控制后輸出方波調制激光，經(jīng)第一光纖(3 )傳輸?shù)饺丝诠饫w環(huán)行器(4)的第一端口，然后從三端口光纖環(huán)行器(4)的第二端口輸出到光纖聚焦器(5)，光纖聚焦器(5)將激光聚焦到待測液體上，在焦點處的部分后向散射光按原路返回光纖聚焦器(5)，從三端口光纖環(huán)行器(4)第二端口傳輸?shù)饺丝诠饫w環(huán)行器(4)第三端口，經(jīng)第二光纖(6)傳輸?shù)焦怆娞綔y器(7)，光電探測器(7)將光信號轉變?yōu)殡娦盘?，電信號?jīng)放大解調電路(8)后分為兩路，一路經(jīng)過自相關器(9)進行相關性分析并將參數(shù)輸入到計算機(10)，另一路直接將解調后的電壓幅值參數(shù)輸入到計算機(10)，最終由計算機(10)輸出液體濁度和顆粒物粒徑監(jiān)測結果。
2.根據(jù)權利要求I所述的同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感裝置，其特征在于所述激光器(2)采用帶尾纖的可調制半導體DFB或LD激光器，激光器(2)光功率> 20mW。
3.根據(jù)權利要求I所述的同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感裝置，其特征在于所述第一光纖(3)和第二光纖(6)米用單模石英光纖，1550nm波長處損耗< O. 25dB/km,來回傳輸距離在3km左右時損耗小于40%。
4.根據(jù)權利要求I所述的同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感裝置，其特征在于所述光纖環(huán)行器(4)的插入損耗< O. 8 dB、隔離度彡40dB。
5.根據(jù)權利要求I所述的同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感裝置，其特征在于所述光纖聚焦器(5)的插入損耗< O. 25dB，數(shù)值孔徑> O. I。
6.根據(jù)權利要求I所述的同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感裝置，其特征在于所述光電探測器(7)采用帶尾纖的高靈敏度雪崩光電探測器模塊，靈敏度優(yōu)于-33dBm，可與第二光纖(6)有效f禹合。
7.根據(jù)權利要求I所述的同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感裝置，其特征在于所述放大解調電路(8)采用帶通濾波和平均值檢波電路。
8.根據(jù)權利要求I所述的同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感裝置，其特征在于所述自相關器(9)的最小可調采樣時間< O. lus，通道數(shù)彡60。
9.根據(jù)權利要求I所述的同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感裝置，其特征在于所述光纖環(huán)行器(4)和光纖聚焦器(5)根據(jù)實際應用場合選用耐高溫器件，最高溫度選擇150攝氏度以上或進行耐壓隔熱封裝。
10.一種基于權利要求I所述裝置的同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感方法，其特征在于包括以下步驟第一步，激光器調制模塊(I)對激光器(2)進行方波調制，調制后的激光經(jīng)第一光纖(3)、三端口光纖環(huán)行器(4)、光纖聚焦器(5)入射光待測液體內；第二步，經(jīng)過待測液體內顆粒物散射后的部分后向散射光按原光路返回到光纖聚焦器(5),散射光依次經(jīng)三端口光纖環(huán)行器(4)第三端口、第二光纖(6)傳輸?shù)焦怆娞綔y器(7),光信號轉化為電信號后輸入放大解調電路(8)，以獲得解調后散射光信號變化對應電壓幅值；第三步，將解調后的信號幅值送入自相關器(9)，去掉最初的16個以上的通道點，進行單指數(shù)衰減擬合，得到光強自相關曲線的平均線寬；第四步，利用400NTU福爾馬肼標準液配制6種以上不同濁度的福爾馬肼標準液，將光纖聚焦器(5)固定在液體容器內，先注入去離子水測量后向散射光電壓幅值，之后加入福爾馬肼標準液，通過放大解調電路(8)獲得對應的后向散射光電壓幅值，不斷重復加入6種以上不同濁度的福爾馬肼標準液，將測量到的標準液后向散射光電壓幅值減除去離子水的后向散射光電壓幅值，將6組以上的數(shù)據(jù)進行線性擬合得到信號幅值與濁度的標準變化關第四步，選取6種以上粒徑在10納米至2微米粒徑范圍內的標準聚苯乙烯溶液，依次測量并獲得標準粒徑下的光強自相關曲線平均線寬與粒徑的標準變化關系；第五步，將自聚焦器(5)放入待測液體內，由計算機(10)將所得的信號幅值和光強自相關曲線斜率分別與濁度和粒徑標準變化關系比對，得出液體濁度和粒徑信息。
全文摘要
一種同時測量濁度和粒徑的激光在線傳感裝置及方法，包括激光器調制模塊、激光器、光纖、光纖環(huán)行器、光纖聚焦器、光電探測器、放大解調電路、自相關器、計算機構成，其特征在于采用光纖環(huán)行器、光纖聚焦器和自相關器的全光纖式探測結構，采用單個激光器和光電探測器，利用后向散射光的整體光強變化及自相關特性，實現(xiàn)遠距離、狹小空間下液體濁度和顆粒物粒徑的同時在線測量。本發(fā)明結構簡單、小型實用，適用于復雜環(huán)境下的液體濁度和顆粒物粒徑的在線監(jiān)測。
文檔編號G01N21/49GK102914518SQ20121039000
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月15日 優(yōu)先權日2012年10月15日
發(fā)明者桂華僑, 韓霞, 王杰, 程寅, 趙南京, 陸亦懷, 劉建國, 張玉鈞, 張建, 王田麗, 殷高方, 李德平, 曹會彬 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所, 勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司