【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电测试领域，具体为基于微波光子的浓度分布式检测装置及方法。
技术介绍
1、光纤因其具有抗强电磁干扰、耐化学腐蚀、灵敏度高等独特优势，自专利技术以来就受到了许多学者的广泛关注和研究，推动了社会进步与科技发展。目前，光纤传感已被应用于实现各个领域物理量的检测，包括压力、温度、振动、应变等。光纤传感器根据传感结构的不同可以分为两类：一是外部传感器，即对光纤表面进行加工处理，传感时光信号将被引入待测样品中，被调制后再通过同一根或不同的光纤收集以进行研究和分析；二是内部传感器，即提前将对外界物理量敏感的功能材料导入光纤结构内部，通过外界环境对光的调制来工作。其中，外部传感器主要用于生物医学和化学领域的材料检测，而内部传感器主要用于环境物理量(如温度、压力等)的检测。相对于内部传感器来说，外部传感器能够十分方便的更换不同的待测样品，进行替换检测。
2、浓度是表征介质特征的重要参量之一，对介质浓度的检测与控制在造纸、化工、制糖、食品、制药等行业中有着广泛的应用，是保证并提高产品质量的重要技术手段。目前，已有许多技术和方法实现了介质浓度的检测，比较成熟且得到应用的方法包括电容法、光电法、浮力法、静压法、振动法以及同位素法等。然而，这些技术和方法或需要复杂昂贵的实验装置，或受环境噪声的严重干扰，或检测过程复杂耗时，或应用范围受限。随着光纤在多领域的广泛应用，基于光纤传感技术的方法被提出用于介质浓度的检测。传统的基于光纤传感技术的介质浓度检测方法如光纤流体填充技术，其需要将介质提前填入光纤内部，没有流体通道口，无法对介质
3、基于此，有必要专利技术一种新的分布式光纤传感技术，以解决现有的光纤传感技术难以实现的流动溶液浓度的长距离分布式检测、多种介质浓度的同时检测以及定位等难题。
技术实现思路
1、本专利技术为克服上述现有技术的缺点，提出了基于微波光子的浓度分布式检测装置及方法，该装置和方法能够实现流动溶液浓度的长距离分布式检测以及多种介质浓度的同时检测。本专利技术是采用如下技术方案实现的：
2、一种基于微波光子的浓度分布式检测装置，其特征在于：包括超宽带光源1、起偏器2、偏振控制器3、微波源4、射频放大器5、强度型电光调制器6、1:99光纤耦合器7、偏压控制板8、光纤放大器9、2×n多模光纤耦合器、分布式检测单元、雪崩光电二极管15、低噪声放大器16、微波探测器17、计算机18。其中，分布式检测单元包括至少一条分布式检测支路，各条分布式检测支路包括不同长度的多模传输光纤11、与多模传输光纤11相连的多模传感光纤12以及分布在多模传感光纤12上的多个用于采样和光学信号检测的检测腔室；各检测腔室沿着多模传感光纤12设置有两个反射端面以构成法布里-珀罗腔，腔长对应的光程差大于超宽带光源1发出的光信号的相干长度，小于微波源4产生的微波扫频信号的相干长度。
3、进一步的：超宽带光源1的光信号输出端与起偏器2的入射端连接；起偏器2的出射端与偏振控制器3的入射端连接；偏振控制器3的出射端通过保偏光纤跳线与强度型电光调制器6的光信号输入端连接；微波源4的微波信号输出端通过高频电缆与射频放大器5的输入端连接；射频放大器5的输出端通过高频电缆与强度型电光调制器6的射频信号输入端连接；强度型电光调制器6的输出端与1:99光纤耦合器7的输入端连接；1:99光纤耦合器7的1％光信号输出端与偏压控制板8的光信号输入端连接；偏压控制板8的电信号输出端与强度型电光调制器6的电信号反馈输入端连接；1:99光纤耦合器7的99％光信号输出端与光纤放大器9的输入端连接；光纤放大器9的输出端通过多模光纤跳线与2×n多模光纤耦合器的第一输入端连接；2×n多模光纤耦合器的输出端与分布式检测单元连接；2×n多模光纤耦合器的第二输入端作为反射光信号出射端与雪崩光电二极管15的光信号输入端连接；雪崩光电二极管15的电信号输出端通过高频电缆与低噪声放大器16的输入端连接；低噪声放大器16的输出端通过高频电缆与微波探测器17的电信号输入端连接；微波探测器17与计算机18连接。
4、进一步的：所述检测腔室为制作在多模传感光纤12上的检测腔13，检测腔13沿多模传感光纤轴线22对称，腔宽大于多模传感光纤纤芯21直径，小于多模传感光纤包层20直径；腔深从多模传感光纤涂覆层19沿径向贯穿多模传感光纤纤芯21直至进入多模传感光纤包层20；腔长对应的光程差大于超宽带光源1发出的光信号的相干长度，小于微波源4产生的微波扫频信号的相干长度。
5、进一步的：所述检测腔室包括多个级联在多模传感光纤12上的检测容器24，各检测容器24与多模传感光纤12的连接处均对应安装有前置多模光纤准直器23和后置多模光纤准直器25，两个多模光纤准直器的端面位于同一轴线且构成法布里-珀罗腔，腔长对应的光程差大于超宽带光源1发出的光信号的相干长度，小于微波源4产生的微波扫频信号的相干长度。
6、进一步的：针对易挥发、有毒介质的检测所采用的检测容器24为带盖的检测容器。
7、进一步的：微波源4是频率可调谐的。
8、进一步的：微波探测器17能够检测信号的幅值和相位。
9、本专利技术同时提供采用所述的基于微波光子的浓度分布式检测装置中实现的检测方法，该方法是采用如下步骤实现的：
10、超宽带光源1发出的光信号经起偏器2形成偏振光信号后进入偏振控制器3，并在偏振控制器3中得到光偏振态的调控后进入强度型电光调制器6；微波源4发出的微波信号经射频放大器5放大后进入强度型电光调制器6，并在强度型电光调制器6中对偏振光信号进行调制；强度型电光调制器6输出的已调信号进入1:99光纤耦合器7；1:99光纤耦合器7的1％光信号输出端输出的已调信号进入偏压控制板8；偏压控制板8输出的反馈电信号进入强度型电光调制器6，强度型电光调制器6根据反馈电信号进行调整以保证输出的已调信号的稳定性；1:99光纤耦合器7的99％光信号输出端输出的已调信号经光纤放大器9放大后进入2×n多模光纤耦合器，并被分为n路；在各路分布式检测支路上，经多模传输光纤11输入的信号在各个检测腔室被反射；被反射的多个信号在2×n多模光纤耦合器中相遇并发生干涉；干涉信号从2×n多模光纤耦合器的第二输入端出射后进入雪崩光电二极管15，并被转换为电信号；雪崩光电二极管15输出的电信号经低噪声放大器16放大后进入微波探测器17；微波探测器17将采集到的电信号的幅值和相位信息传输到计算机18。
11、通过对微波源4进行信号扫频后，利用计算机18对微波探测器17获取的信号的幅值和相位信息进行复傅里叶逆变换，以获取分布式检测单元中各检测腔室所对应的时空位置信息；再利用本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于微波光子的浓度分布式检测装置，其特征在于：包括超宽带光源(1)、起偏器(2)、偏振控制器(3)、微波源(4)、射频放大器(5)、强度型电光调制器(6)、1:99光纤耦合器(7)、偏压控制板(8)、光纤放大器(9)、2×N多模光纤耦合器、分布式检测单元、雪崩光电二极管(15)、低噪声放大器(16)、微波探测器(17)、计算机(18)，其中，分布式检测单元包括至少一条分布式检测支路，各条分布式检测支路包括不同长度的多模传输光纤(11)、与多模传输光纤(11)相连的多模传感光纤(12)以及分布在多模传感光纤(12)上的多个用于采样和光学信号检测的检测腔室；各检测腔室沿着多模传感光纤(12)设置有两个反射端面以构成法布里-珀罗腔，腔长对应的光程差大于超宽带光源(1)发出的光信号的相干长度，小于微波源(4)产生的微波扫频信号的相干长度。
2.根据权利要求1所述的基于微波光子的浓度分布式检测装置，其特征在于：超宽带光源(1)的光信号输出端与起偏器(2)的入射端连接；起偏器(2)的出射端与偏振控制器(3)的入射端连接；偏振控制器(3)的出射端通过保偏光纤跳线与强度型电光
3.根据权利要求1所述的基于微波光子的浓度分布式检测装置，其特征在于：所述检测腔室为制作在多模传感光纤(12)上的检测腔(13)，检测腔(13)沿多模传感光纤轴线(22)对称，腔宽大于多模传感光纤纤芯(21)直径，小于多模传感光纤包层(20)直径；腔深从多模传感光纤涂覆层(19)沿径向贯穿多模传感光纤纤芯(21)直至进入多模传感光纤包层(20)；腔长对应的光程差大于超宽带光源(1)发出的光信号的相干长度，小于微波源(4)产生的微波扫频信号的相干长度。
4.根据权利要求1所述的基于微波光子的浓度分布式检测装置，其特征在于：所述检测腔室包括多个级联在多模传感光纤(12)上的检测容器(24)，各检测容器(24)与多模传感光纤(12)的连接处均对应安装有前置多模光纤准直器(23)和后置多模光纤准直器(25)，两个多模光纤准直器的端面位于同一轴线且构成法布里-珀罗腔，腔长对应的光程差大于超宽带光源(1)发出的光信号的相干长度，小于微波源(4)产生的微波扫频信号的相干长度。
5.根据权利要求4所述的基于微波光子的浓度分布式检测装置，其特征在于：针对易挥发、有毒介质的检测所采用的检测容器(24)为带盖的检测容器。
6.根据权利要求1所述的基于微波光子的浓度分布式检测装置，其特征在于：微波源(4)是频率可调谐的。
7.根据权利要求1所述的基于微波光子的浓度分布式检测装置，其特征在于：微波探测器(17)能够检测信号的幅值和相位。
8.基于微波光子的浓度分布式检测方法，其特征在于：该方法在如权利要求1至7任意一项所述的基于微波光子的浓度分布式检测装置中实现，该方法是采用如下步骤实现的：
...【技术特征摘要】
1.一种基于微波光子的浓度分布式检测装置，其特征在于：包括超宽带光源(1)、起偏器(2)、偏振控制器(3)、微波源(4)、射频放大器(5)、强度型电光调制器(6)、1:99光纤耦合器(7)、偏压控制板(8)、光纤放大器(9)、2×n多模光纤耦合器、分布式检测单元、雪崩光电二极管(15)、低噪声放大器(16)、微波探测器(17)、计算机(18)，其中，分布式检测单元包括至少一条分布式检测支路，各条分布式检测支路包括不同长度的多模传输光纤(11)、与多模传输光纤(11)相连的多模传感光纤(12)以及分布在多模传感光纤(12)上的多个用于采样和光学信号检测的检测腔室；各检测腔室沿着多模传感光纤(12)设置有两个反射端面以构成法布里-珀罗腔，腔长对应的光程差大于超宽带光源(1)发出的光信号的相干长度，小于微波源(4)产生的微波扫频信号的相干长度。
2.根据权利要求1所述的基于微波光子的浓度分布式检测装置，其特征在于：超宽带光源(1)的光信号输出端与起偏器(2)的入射端连接；起偏器(2)的出射端与偏振控制器(3)的入射端连接；偏振控制器(3)的出射端通过保偏光纤跳线与强度型电光调制器(6)的光信号输入端连接；微波源(4)的微波信号输出端通过高频电缆与射频放大器(5)的输入端连接；射频放大器(5)的输出端通过高频电缆与强度型电光调制器(6)的射频信号输入端连接；强度型电光调制器(6)的输出端与1:99光纤耦合器(7)的输入端连接；1:99光纤耦合器(7)的1％光信号输出端与偏压控制板(8)的光信号输入端连接；偏压控制板(8)的电信号输出端与强度型电光调制器(6)的电信号反馈输入端连接；1:99光纤耦合器(7)的99％光信号输出端与光纤放大器(9)的输入端连接；光纤放大器(9)的输出端通过多模光纤跳线与2×n多模光纤耦合器的第一输入端连接；2×n多模光纤耦合器的输出端与分布式检测单元连接；2×n多模光纤耦合器的第二输入端作为反射光信号出射端与雪崩光电二极管(15...
【专利技术属性】
技术研发人员：薛婷，李松林，李铸平，吴研，吴斌，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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