[发明专利]一种光纤传感液体折射率和温度同时测量系统及测量方法

权利要求书

1.一种光纤传感液体折射率和温度同时测量系统，其特征在于，包括：光源(1)，波分复用器(2)、光电探测器(3)、采集卡(4)、计算机(5)、光纤恒温槽(6)、传感光纤(7)和传感头(8)；

所述波分复用器(2)有四个端口，分别为a，b，c，d端口；光源(1)输出的脉冲由波分复用器(2)的a端口输入，波分复用器(2)的b端口通过光纤恒温槽(6)与传感光纤(7)相连接，传感光纤(7)另一端与浸没在待测液体中的传感头(8)相连接；波分复用器(2)的c、d端口共同与光电探测器(3)相连接，光电探测器(3)的信号输出端与采集卡(4)的信号输入端相连接；采集卡(4)的信号输出端与计算机(5)的信号输入端相连接；光纤恒温槽(6)的温度信息通过串口传输至计算机(5)；波分复用器(2)具备滤波功能，可以将b端口输入的由传感头(8)所探测到的光滤波后得到拉曼反斯托克斯光和拉曼斯托克斯光，并分别由c，d端口输出至光电探测器(3)；所述传感头(8)包括两部分：光纤环(8-1)和光纤末端(8-2)；其中光纤环(8-1)作为液体温度传感器，光纤末端(8-2)作为液体折射率传感器，光纤末端(8-2)需剥去包层，切割成垂直光滑的表面；光纤环(8-1)的直径大于5厘米。

2.一种光纤传感液体折射率和温度同时测量系统，其特征在于：包括光源(1)，波分复用器(2)、光电探测器(3)、采集卡(4)、计算机(5)、光纤恒温槽(6)、传感光纤(7)、传感头(8)和多通道光开关(9)；所述传感光纤(7)和传感头(8)均为多个；

所述波分复用器(2)有四个端口，分别为a，b，c，d端口；光源(1)输出的脉冲由波分复用器(2)的a端口输入，波分复用器(2)的b端口通过光纤恒温槽(6)与多通道光开关(9)相连接，多通道光开关(9)与多个传感光纤(7)相连接，每个传感光纤(7)的另一端均连接有一个浸没在待测液体中的传感头(8)；波分复用器(2)的c、d端口共同与光电探测器(3)相连接，光电探测器(3)的信号输出端与采集卡(4)的信号输入端相连接；采集卡(4)的信号输出端与计算机(5)的信号输入端相连接；光纤恒温槽(6)的温度信息通过串口传输至计算机(5)；波分复用器(2)具备滤波功能，可以将b端口输入的由传感头(8)所探测到的光滤波后得到拉曼反斯托克斯光和拉曼斯托克斯光，并分别由c，d端口输出至光电探测器(3)；所述传感头(8)包括两部分：光纤环(8-1)和光纤末端(8-2)；其中光纤环(8-1)作为液体温度传感器，光纤末端(8-2)作为液体折射率传感器，光纤末端(8-2)需剥去包层，切割成垂直光滑的表面；光纤环(8-1)的直径大于5厘米。

3.根据权利要求1或2所述的一种光纤传感液体折射率和温度同时测量系统，其特征在于，光源(1)与采集卡(4)相连接，计算机(5)的信号输出端与光源(1)的信号输入端相连接。

4.一种光纤传感液体折射率和温度同时测量方法，其特征在于，采用如权利要求1～3任一项所述系统来实现，包括以下步骤：

步骤一：将传感头(8)浸入蒸馏水中，利用上述系统获得拉曼反斯托克斯光强度I_0as作为液体折射率传感基准值，利用上述系统获得拉曼反斯托克斯光强度I_0as和拉曼斯托克斯光强度I_0s的比值R(T₀)作为液体温度传感基准值，然后执行步骤二；

步骤二：将传感头(8)浸入待测液体中，利用上述系统获得拉曼反斯托克斯光强度I_as作为液体折射率传感测量值，利用上述系统获得拉曼反斯托克斯光强度I_as和拉曼斯托克斯光强度I_s比值R(T)作为液体温度传感测量值，然后执行步骤三；

步骤三：利用液体折射率传感基准值I_0as和液体折射率传感测量值I_as，获得光纤末端(8-2)与待测液体接触面的反射率R，利用液体温度传感基准值R(T₀)和液体温度传感测量值R(T)的比值，获得待测液体温度的指示量M，然后执行步骤四；

步骤四：利用步骤三获得的光纤末端(8-2)与待测液体接触面的反射率R，获得待测液体的折射率n_s；利用步骤三获得的待测液体温度的指示量M，获得待测液体的温度T；

根据如下公式获得光纤末端(8-2)与待测液体接触面的反射率R，

其中，n_f为光纤纤芯折射率，n₀为蒸馏水的折射率；根据如下公式获得待测液体的折射率n_s，

根据如下公式获得液体温度传感基准值R(T₀)和液体温度传感测量值R(T)，

其中，v_as和v_s分别为反斯托克斯和斯托克斯光的频率，h为普朗克常量，c为光速，k为玻尔兹曼常量，Δv为拉曼声子频率，

根据如下公式获得待测液体温度的指示量M，

根据如下公式获得待测液体温度T,