CN110954505A - 一种监测液体折射率的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种监测液体折射率的装置，包括光谱分析设备、单模光纤、用于固定单模光纤的夹持部件以及反射镜。单模光纤一端连接光谱分析设备，一端切割成光滑平面，并设有与该平面平行的反光镜。本发明通过法布里珀罗谐振腔的谐振波长对光程敏感的特性，通过对其谐振波长的测量实现对渗水折射率的实时监测。通过对渗水折射率的监测可达到对大坝病害早发现、早处理的效果。利用渗水折射率随水中矿物成分变化的特性监测渗水中矿物成分的改变，进而依据渗水成分的变化实现对水库大坝隐患病害的探测和预警，可作为传统定期对水体进行采样分析的重要补充。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测装置及方法，尤其涉及一种监测液体折射率的装置及方法。
背景技术
了解水库水质状况是水库管理部门的重要工作，亦是水库大坝安全监测的重要项目。通过对水库大坝渗水成分的监测和分析，可及时发现水库大坝的隐患病害。由于渗水成分的变化通常会造成库水折射率的改变，因此通过监测库水折射率能够实时辨识水库大坝的隐患病害。目前对水库大坝渗水监测通常为定期选择采样点，将水样送至实验室进行成分分析。该类方法无法实现实时监测，不利于大坝病害的及时发现及修复。且检测周期长、价格高、需要专业的人员及专门的场所，经济性较低。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种灵敏度高、耐久性好，且可对多种造成水质折射率变化的因素同时进行实时监测的装置及方法。
技术方案：本发明的一种监测液体折射率的装置，包括光谱分析设备、单模光纤、用于固定单模光纤的夹持部件以及反射镜。
所述单模光纤一端连接光谱分析设备，一端切割成光滑平面，并设有与该平面平行的反光镜。
所述平面与反光镜之间的垂直距离范围为1μm～5mm。
所述夹持部件包括底座和设于底座上的夹具，所述夹具内表面与单模光纤表面为单点接触。
所述底座包括两个固定座，分别连接夹具和反光镜。
所述夹持部件设于单模光纤切割端。
一种监测液体折射率的方法，采用所述的监测液体折射率的装置，包括以下步骤：
(1)将监测装置的光纤与反射镜完全浸没于液体内；
(2)打开光谱分析设备，发射光线；
(3)实时追踪并记录光谱分析设备给出的光谱中的极小值或极大值所对应的波长。
在所述步骤(1)之前还包括下述步骤：根据光纤端部的平面到反光镜的距离，或光谱对比度，固定单模光纤。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)本发明通过法布里珀罗谐振腔的谐振波长对光程敏感的特性，通过对其谐振波长的测量实现对渗水折射率的实时监测。通过对渗水折射率的监测可达到对大坝病害早发现、早处理的效果。
(2)本发明利用渗水折射率随水中矿物成分变化的特性监测渗水中矿物成分的改变，进而依据渗水成分的变化实现对水库大坝隐患病害的探测和预警，可作为传统定期对水体进行采样分析的重要补充。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2是本发明测得的二氧化碳光谱图；
图3是本发明与商用传感器对比的折射率变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明包括光谱分析设备5、单模光纤3、底座2、夹具1以及反射镜4。单模光纤3一端连接光谱分析设备5，一端切割成光滑平面。反光镜4与该光滑平面平行设置，并留有一定间隙，该光滑平面与反光镜之间的垂直距离大小为1μm～5mm。夹持部件包括底座2和设于底座上的夹具1，单模光纤3通过夹持部件夹持于底座2上，夹具1内表面与单模光纤3表面为单点接触，该夹具1内表面可为弧形。通过夹具1与单模光纤3的单点接触，能够防止光纤内部传输的信号产生跳变。该夹持部件的底座2包括两个固定座，分别连接夹具1和反光镜4。
对本发明的监测装置工作方法作进一步描述，包括以下步骤：
(1)光纤安装的过程中，需同时关注光谱分析设备给出的实时光谱。通过自由光谱区计算其光纤端部平面与反射镜面垂直距离，当长度大致满足监测需要且光谱对比度较强时固定光纤。该垂直距离的范围为1μm～5mm，光谱对比度最少为20分贝。
(2)将监测装置的光纤与反射镜完全浸没于液体内。
(3)打开光谱分析设备，发射光线，光线经单模光纤端面出射，到达反射镜面反射后可返回光纤内部；
(4)实时追踪并记录光谱分析设备给出的光谱中的极小值或极大值所对应的波长。
通过法布里珀罗谐振腔的谐振波长对光程敏感的特性，通过对其谐振波长的测量，可以实现对不同溶质的液体折射率的监测。
通过增加或降低二氧化碳浓度对空气的折射率进行改变，对本发明监测效果进行测试，并将本发明对环境折射率的响应与商用折射率传感器的感测结果进行了对比。
图2所示为该传感器置于空气中的光谱，可见由于谐振腔的作用，光谱呈周期性震荡形式。由于环境折射率导致谐振腔光程的变化将使光谱左右发生平移。通过追踪光谱中各最小值的波长可实现对环境折射率变化的监测。
图3为将本发明所述传感器与一商用传感器至于同一密闭环境内，通过注入二氧化碳改变环境折射率的监测结果。该测试持续10分钟，包括两次完整的二氧化碳注入与停止过程。分别为10点46分开始注入二氧化碳，持续注入4.5分钟后停止；2分钟后再次注入二氧化碳，持续注入3分钟后停止。
由图3可见，商用传感器结果(蓝色曲线)表明当注入开始注入二氧化碳后环境折射率迅速增大，并在30秒后达到最大值。随后，环境折射率在最大值附近波动。当停止二氧化碳注入后，环境折射率逐渐减小，并于2.5分钟后恢复至初始大小。第二个监测循环遵循相似的规律。观察本发明所述传感器的光谱响应(橙色曲线)。当注入二氧化碳后环境折射率增大，光谱波长较长的方向移动；当停止注入二氧化碳后，环境折射率恢复至初始大小，统是光谱向波长较小的方向平移并最终回到初始值。试验结果显示，两者的探测结果基本一致，且本发明的响应速率快于对比所采用的商用传感器。由图3可见，本设备可监测大于10ppm的折射率变化，灵敏度极高。本发明仅限监测液体的折射率变化，若由于环境因素导致液体凝固，则应在凝固前将设备取出后于待测样品融化后继续监测。
Claims (7)
1.一种监测液体折射率的装置，其特征在于，包括光谱分析设备(5)、单模光纤(3)、用于固定单模光纤的夹持部件以及反射镜(4)；所述单模光纤(3)一端连接光谱分析设备(5)，一端切割成光滑平面，并设有与该平面平行的反光镜(4)。
2.根据权利要求1所述的监测液体折射率的装置，其特征在于，所述平面与反光镜(4)之间的垂直距离范围为1μm～5mm。
3.根据权利要求1所述的监测液体折射率的装置，其特征在于，所述夹持部件包括底座(2)和设于底座上的夹具(1)，所述夹具内表面与单模光纤表面为单点接触。
4.根据权利要求3所述的监测液体折射率的装置，其特征在于，所述底座包括两个固定座，分别连接夹具(1)和反光镜(4)。
5.根据权利要求1所述的监测液体折射率的装置，其特征在于，所述夹持部件设于单模光纤(3)切割端。
6.一种监测液体折射率的方法，采用权利要求1所述的监测液体折射率的装置，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将监测装置的光纤与反射镜完全浸没于液体内；
(2)打开光谱分析设备，发射光线；
(3)实时追踪并记录光谱分析设备给出的光谱中的极小值或极大值所对应的波长。
7.根据权利要求6所述的监测液体折射率的方法，其特征在于，在所述步骤(1)之前还包括下述步骤：根据光纤端部的平面到反光镜的距离或光谱对比度，固定单模光纤。
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