一种同时测量浊度和粒径的激光在线传感装置及方法，包括激光器调制模块、激光器、光纤、光纤环行器、光纤聚焦器、光电探测器、放大解调电路、自相关器、计算机构成，其特征在于采用光纤环行器、光纤聚焦器和自相关器的全光纤式探测结构，采用单个激光器和光电探测器，利用后向散射光的整体光强变化及自相关特性，实现远距离、狭小空间下液体浊度和颗粒物粒径的同时在线测量。本发明专利技术结构简单、小型实用，适用于复杂环境下的液体浊度和颗粒物粒径的在线监测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属于环境监测
技术介绍
在水质分析过程中，浊度和颗粒物粒径均是反映水质污染状况的重要指标。液体浊度偏高时，一般伴随着很强的颗粒物的散射消光现象。随着生产力的提高、社会文明的进步，人们对水质浊度和颗粒物的研究已经深入到石油、化工、医药、环保等诸多领域。水质浊度和颗粒物的监测与控制，对提高生产效能、控制环境污染、保护人体健康等方面都有着重要意义。例如，中国规定饮用水的浑浊度不得超过5度，需要对饮用水中包含隐孢子虫和贾第虫颗粒的粒径进行监测，以防止致病原生动物疾病的发生。在油田回注水过程中，需要过滤水中悬浮颗粒物，否则当粒径较大的颗粒物通过土壤时就会堵塞渗流孔道，造成出油率下降甚至注水效果失效等问题。目前，国内外在液体浊度和颗粒物粒径测量方面采用，应用较为广泛的是光散射测量技术，但一般均为浊度和粒径的单独测量。浊度在线测量产品的仪器逐渐可以做到小型化，而颗粒物粒径测量系统则相对复杂很多。英国Malvern、日本岛津、美国Coulter等公司均推出了精度和测量范围宽的静态光散射粒度仪，但系统体积庞大、光学机构复杂、探测器数目众多(100个以上)，难以实现颗粒物粒径的在线测量，对于狭小空间下的颗粒物测量需求更是无法满足。国内的丹东百特、珠海欧美克、成都精新、济南微纳等正规粒度仪器制造商为代表的国产粒度仪的产品质量也在不断提高，但也同样面临上述问题。随后，国内外也开始发展基于动态光散射的颗粒物粒径测量技术，因该方法在光信号采集过程中只需要单个探测器，因此系统复杂性有所降低，但仅限于实验室内纳米级颗粒物粒径分析，系统仍无法满足小空间内颗粒物粒径在线监测需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供，实现远距离狭小空间及特别恶劣环境下液体浊度和颗粒物粒径的准确在线监测。本专利技术采用的技术解决方案是一种同时测量浊度和粒径的激光在线传感装置，其特征在于包括激光器调制模块(I)、激光器(2)、第一光纤(3)、三端口光纤环行器(4)、光纤聚焦器(5)、第二光纤(6)、光电探测器(7 )、放大解调电路(8 )、自相关器(9 )、计算机(IO );所述激光器(2 )经过激光器调制模块(I)控制后输出方波调制激光，以减少外界环境慢变化对信号的干扰，经第一光纤(3)传输到三端口光纤环行器(4)的第一端口，然后从三端口光纤环行器(4)的第二端口输出到光纤聚焦器(5)，光纤聚焦器(5)将激光聚焦到待测液体上，在焦点处的部分后向散射光按原路返回光纤聚焦器(5)，光纤聚焦器(5)既提高散射信号光的接收效率并避免了分立探测对环境变化的敏感性，从三端口光纤环行器(4)第二端口传输到三端口光纤环行器(4)第三端口，三端口光纤环行器(4)最大限度降低了输入光和光纤中后向散射光非线性效应对散射光的干扰，经第二光纤(6)传输到光电探测器(7)，光电探测器(7)将光信号转变为电信号，电信号经放大解调电路(8)后分为两路，一路经过自相关器(9)进行相关性分析并将参数输入到计算机(10)，另一路直接将解调后的电压幅值参数输入到计算机(10)，分别利用后向散射和自相关原理同时获取液体浊度和颗粒物粒径信息，最终由计算机(10)输出液体浊度和颗粒物粒径监测结果。所述激光器(2)采用带尾纤的可调制半导体DFB或LD激光器，采用方波调制以避免杂散光及背景慢变化引起的干扰。激光器(2)光功率> 20mW，发射波长在光纤低损耗窗口(比如1550nm),以实现远距离的激光传输和信号探测。所述第一光纤(3)和第二光纤(6)米用单模石英光纤，1550nm波长处损耗O.25dB/km,来回传输距离在3km左右时损耗小于40%。所述光纤环行器(4)的插入损耗< O. 8 dB、隔离度> 40dB，可以实现输入光和后向散射信号光的有效分离，同时避免输入光的后向散射非线性效应造成的光频谱展宽，提高信号的信噪比。所述光纤聚焦器(5)的插入损耗< O. 25dB，数值孔径> O. 1，以提高散射光接收效率。所述光电探测器(7)采用带尾纤的高灵敏度雪崩光电探测器模块，灵敏度优于_33dBm，可与第二光纤(6)有效耦合，以实现低浊度下光信号的准确测量。所述放大解调电路(8)采用带通滤波和平均值检波电路，电路通过对电信号进行带通滤波、全波整流及低通滤波，解调得到的直流信号，最后经运放二级放大得到稳定信号。所述自相关器(9)的最小可调采样时间彡O. lus，通道数彡60，以实现较快速度的信号分析，减少统计误差并扩大延迟时间范围，最终输出准确的自相关参数。所述光纤环行器(4)和光纤聚焦器(5)根据实际应用场合选用耐高温器件，最高温度选择150摄氏度以上或进行耐压隔热封装，以实现恶劣测量环境下的液体浊度和颗粒物粒径的在线监测。一种同时测量浊度和粒径的激光在线传感方法，包括以下步骤第一步，激光器调制模块(I)对激光器(2)进行方波调制，调制后的激光经第一光纤(3)、三端口光纤环行器(4)、光纤聚焦器(5)入射光待测液体内；第二步，经过待测液体内颗粒物散射后的部分后向散射光按原光路返回到光纤聚焦器(5)，散射光依次经三端口光纤环行器(4)第三端口、第二光纤(6)传输到光电探测器(7)，光信号转化为电信号后输入放大解调电路(8)，以获得解调后散射光信号变化对应电压幅值；第三步，将解调后的信号幅值送入自相关器(9)，去掉最初的16个以上的通道点。进行单指数衰减拟合，得到光强自相关曲线的平均线宽；第四步，利用400NTU福尔马肼标准液配制6种以上不同浊度的福尔马肼标准液，将光纤聚焦器(5)固定在液体容器内，先注入去离子水测量后向散射光电压幅值，之后加入福尔马肼标准液，通过放大解调电路(8)获得对应的后向散射光电压幅值。不断重复加入6种以上不同浊度的福尔马肼标准液，将测量到的标准液后向散射光电压幅值减除去离子水的后向散射光电压幅值；将6组以上的数据进行线性拟合得到信号幅值与浊度的标准变化关系;第四步，选取6种以上粒径在10纳米至2微米粒径范围内的标准聚苯乙烯溶液，依次测量并获得标准粒径下的光强自相关曲线平均线宽与粒径的标准变化关系；第五步，将自聚焦器(5)放入待测液体内，由计算机(10)将所得的信号幅值和光强自相关曲线斜率分别与浊度和粒径标准变化关系比对，得出液体浊度和粒径信息。本专利技术的测量原理如下通过测量激光经过待测液体内悬浮颗粒的后向散射光，分析散射光强度和自相关特性变化，从而得液体浊度和颗粒物粒径信息。根据米散射原理，在入射光强不变的条件下，散射光强与浊度的变化关系可简化为Ir=KT因此，水中后向散射光强总是与浊度T成正比例关系，实际测量中只需将系数K用浊度标准液标定得到后就可由后向散射光强计算出浊度值。散射光强的归一化自相关函数为g(x)=< Ir(t)Ir(t+x) >/< Ir (t) > 2其中，仁(t)、IJt+T)为在时刻t和t+τ接收到的散射光强信号，τ为延迟时间。对g( τ )进行单指数拟合，即得到平均线宽η = \ O其中，G(n)为g(T)的拉普拉斯变换结果。本专利技术与现有技术相比的优点在于(I)本专利技术利用光纤环行器、光纤聚焦器结构，实现了远距离后向散射光信号探测，有效避免了光纤非线性效本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种同时测量浊度和粒径的激光在线传感装置，其特征在于：包括激光器调制模块（1）、激光器（2）、第一光纤（3）、三端口光纤环行器（4）、光纤聚焦器（5）、第二光纤（6）、光电探测器（7）、放大解调电路（8）、自相关器（9）、计算机（10）；所述激光器（2）经过激光器调制模块（1）控制后输出方波调制激光，经第一光纤（3）传输到三端口光纤环行器（4）的第一端口，然后从三端口光纤环行器（4）的第二端口输出到光纤聚焦器（5），光纤聚焦器（5）将激光聚焦到待测液体上，在焦点处的部分后向散射光按原路返回光纤聚焦器（5），从三端口光纤环行器（4）第二端口传输到三端口光纤环行器（4）第三端口，经第二光纤（6）传输到光电探测器（7），光电探测器（7）将光信号转变为电信号，电信号经放大解调电路（8）后分为两路，一路经过自相关器（9）进行相关性分析并将参数输入到计算机（10），另一路直接将解调后的电压幅值参数输入到计算机（10），最终由计算机（10）输出液体浊度和颗粒物粒径监测结果。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：桂华侨，韩霞，王杰，程寅，赵南京，陆亦怀，刘建国，张玉钧，张建，王田丽，殷高方，李德平，曹会彬，
申请(专利权)人：中国科学院安徽光学精密机械研究所，胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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