一种模块化多参数水质监测光纤光栅传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感器，尤其涉及一种模块化多参数水质监测光纤光栅传感器。

背景技术

水环境监测传感设备是把控水质安全的重要工具，它可以帮助养殖户更好地采集多项水质参数指标，防范生产损失，指导科学的管水和养水。在水产养殖中，水体温度、pH、盐度和电导率等是影响鱼类等水产动物生长的关键水质参数指标，在现代工厂化养殖中，常常需要对这多项参数指标进行同时测量，以确保水质安全。传统的人工测量在即时性、全局性、连续性、人为误差等方面存在弊端，对检测人员的专业性要求较高，且很难做到对管网水质的24小时连续监测；而现有的水质检测仪虽然能实现多参数水质检测，但出厂后无法根据需求对测量参数指标进行灵活调整，且多用于单点测量，必须依靠多台监测设备共同组成一个监测系统来实现大范围水域的水质监测，其中监测设备间的数据传输及网络覆盖问题亟待解决，将直接影响到水质监测的效率和准确性。

随着光纤传感技术的发展，光纤光栅传感器在各个领域都得到了广泛应用，具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度高等优点，由此组成的分布式监测系统传输损耗小，布置成本低，是较为理想的一种传感器。但目前常规的光纤光栅传感器功能较为单一，常常只能测量某一种特定参数，无法适用于多参数同时测量的工况，若通过多个传感器串联的方式，其空间分布较为分散，结构不够紧凑，每个布置点仅能测量一种参数，传感网络的采集效率不高。同时由于光纤光栅固有的温度、应变交叉敏感特性，空间分布的分散可能导致环境温度的不同，不利于对其进行补偿和区分，将会影响到水质监测的精度。

发明内容

基于上述背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种模块化多参数水质监测光纤光栅传感器，通过不同参数敏感型智能凝胶传感单元与待测水溶液进行耦合转化为机械能，并采用柔性机构作为弹性元件传递应变至布拉格光栅引起中心波长的变化，可实现恶劣环境下水溶液温度、pH、盐度和电导率等多参数的同时监测，还可根据实际需求对其进行模块化阵列组合实现对测量参数指标的灵活调整，为环境水质的快速准确分析提供有力支持。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括至少一个传感模块，每个传感模块从外部到内部依次包括封盖、基座和光纤；基座顶面的中心开设基座溶液灌入腔，基座溶液灌入腔周围的基座顶面开设多个孔槽作为溶液贮存腔室，每个溶液贮存腔室均经各自的贯通孔和基座溶液灌入腔连通；基座顶面上设置封盖将基座溶液灌入腔和溶液贮存腔室盖住，基座溶液灌入腔正上方的封盖设置用于将待测水溶液灌入基座溶液灌入腔的通孔作为封盖溶液灌入孔。

每个溶液贮存腔室中均安装一个带有布拉格光栅的智能凝胶传感单元，各个智能凝胶传感单元的布拉格光栅均通过光纤连接，光纤经光纤耦合器引出连接到外部的探测器和光源。

每个智能凝胶传感单元包括了智能凝胶组、柔性机构、直线活塞、第一布拉格光栅、第二布拉格光栅、过滤支撑网；过滤支撑网紧贴于溶液贮存腔室的内周面，过滤支撑网内的溶液贮存腔室底部填充有智能凝胶组，智能凝胶组上面设置柔性机构和直线活塞；

所述柔性机构从上到下依次分为上部块、中部扭转块和下部圆形块，上部块经中部扭转块和下部圆形块连接成一体，中部扭转块设置有两个对称相背的侧面，两个侧面分别布置有第一布拉格光栅和第二布拉格光栅，并第一布拉格光栅和第二布拉格光栅呈对称分布；下部圆形块外圈布置有外螺纹，通过外螺纹与直线活塞螺纹连接形成螺纹副，直线活塞外周和过滤支撑网内壁之间密封连接且仅可沿轴向相对移动，直线活塞底面和智能凝胶组接触。

所述的直线活塞外周面设有多个沿轴向方向的凸棱边，过滤支撑网内壁设有分别和各个凸棱边对应嵌装的多个沿轴向方向的凹棱边，每个凸棱边嵌装入各自对应的凹棱边中，使得直线活塞被周向限位无法旋转，只能沿轴向移动。

不同智能凝胶传感单元中的智能凝胶组不同，适用于不同的水质相关参数。

所述过滤支撑网为刚性结构，用于限制智能凝胶组的凝胶径向扩展，下部开有孔洞，允许待测水溶液进入与智能凝胶组中的凝胶发生耦合反应。

所述第一布拉格光栅和第二布拉格光栅除中心波长不一致外。

各个智能凝胶传感单元的布拉格光栅均设置在一根光纤上，光纤一端经一个光纤耦合器、一个光纤外部接头和外部的光源连接，光纤另一端经另一个光纤耦合器、另一个光纤外部接头和外部的探测器连接。

各个智能凝胶传感单元中的一个布拉格光栅均布置在一根光纤上，光纤引出两端经各自端的光纤耦合器和一个光纤外部接头连接。

同一光纤上的各个布拉格光栅的中心波长不同。

包括多个传感模块，多个传感模块层叠布置或者阵列布置。

本发明通过不同参数敏感型智能凝胶传感单元与待测水溶液进行耦合转化为机械能，并采用柔性机构作为弹性元件传递应变至布拉格光栅引起中心波长变化；其次在柔性机构表面对称布置有两个不同中心波长的布拉格光栅，可利用差动原理有效解决温度和应变交叉敏感问题，实现温度自补偿。

本发明具有的有益效果是：

本发明通过不同参数敏感型智能凝胶传感单元与待测水溶液进行耦合转化为机械能，并采用柔性机构作为弹性元件传递应变至布拉格光栅引起中心波长的变化，可实现恶劣环境下水溶液温度、pH、盐度和电导率等多参数的同时监测，提升传感网络的采集效率，同时提供回复力使传感器归零，便于下次直接测量，降低操作成本。

本发明在柔性机构表面对称布置有两个不同中心波长的布拉格光栅，可利用差动原理有效解决温度和应变交叉敏感问题，实现温度自补偿。

本发明在智能凝胶传感单元的过滤支撑网中部开设有凹槽以形成空腔，用于贮存待测水溶液，可增大智能凝胶与待测水溶液的接触面积，加快系统响应时间，提升传感器监测效率。

本发明采用了模块化设计，传感器整体结构紧凑，尺寸小巧，可实现恶劣环境下水溶液多参数的同时监测，提升传感网络的采集效率，可根据实际需求对其进行模块化阵列组合实现对测量参数指标的灵活调整。

本发明基于光纤传感原理，便于组成分布式监测系统，实现对大范围水域水质的长期稳定监测，最终可为环境水质的快速准确分析提供强有力的支持。

附图说明

图1是本发明模块化多参数水质监测光纤光栅传感器三维结构剖视图。

图2是本发明外观结构示意图。

图3是本发明内部结构示意图。

图4是本发明基座内部腔室剖面示意图。

图5是本发明智能凝胶传感单元激活前状态示意图。

图6是本发明智能凝胶传感单元激活后状态示意图。

图7是本发明柔性机构侧面结构示意图。

图8是本发明模块化阵列组合示意图。

图中：

1、基座，111、柔性机构，1111、外螺纹，112a、第一布拉格光栅，112b、第二布拉格光栅，113、直线活塞，1131、凸棱边，115、过滤支撑网，1151、凹棱边，116、第一溶液贮存腔室，126、第二溶液贮存腔室，136、第三溶液贮存腔室，146、第四溶液贮存腔室，11、第一智能凝胶传感单元，12、第二智能凝胶传感单元，13、第三智能凝胶传感单元，14、第四智能凝胶传感单元，114、第一智能凝胶组，124、第二智能凝胶组，134、第三智能凝胶组，144、第四智能凝胶组；

15a、第一贯通孔，15b、第二贯通孔，15c、第三贯通孔，15d、第四贯通孔，16、基座溶液灌入腔，17、待测水溶液；

2、封盖，21、封盖溶液灌入孔；

3、光纤，31、光纤耦合器，32、光纤外部接头；

4、固定螺钉，41、螺钉配合孔；

5、阵列组合模块，5A、第一传感模块，5B、第二传感模块；

1A、第一模块基座，11A、第一模块第一智能凝胶传感单元，12A、第一模块第二智能凝胶传感单元，13A、第一模块第三智能凝胶传感单元，14A、第一模块第四智能凝胶传感单元，2A、第一模块封盖；

1B、第二模块基座，11B、第二模块第一智能凝胶传感单元，12B、第二模块第二智能凝胶传感单元，13B、第二模块第三智能凝胶传感单元，14B、第二模块第四智能凝胶传感单元，2B、第二模块封盖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，包括至少一个传感模块，每个传感模块从外部到内部依次包括封盖2、基座1和光纤3；如图4所示，基座1顶面的中心开设基座溶液灌入腔16，基座溶液灌入腔16周围的基座1顶面开设多个孔槽作为溶液贮存腔室，每个溶液贮存腔室均经各自的贯通孔和基座溶液灌入腔16连通；基座1顶面上设置封盖2将基座溶液灌入腔16和溶液贮存腔室盖住，基座溶液灌入腔16正上方的封盖2设置用于将待测水溶液灌入基座溶液灌入腔16的通孔作为封盖溶液灌入孔21；基座1和封盖2之间通过周围布置的固定螺钉4固定连接。

如图3所示，每个溶液贮存腔室中均安装一个带有布拉格光栅的智能凝胶传感单元，各个智能凝胶传感单元的布拉格光栅均通过光纤3连接，光纤3经光纤耦合器31引出连接到外部的探测器和光源。

如图5和图6所示，每个智能凝胶传感单元包括了智能凝胶组、柔性机构111、直线活塞113、第一布拉格光栅112a、第二布拉格光栅112b、过滤支撑网115；过滤支撑网115紧贴于溶液贮存腔室的内周面，过滤支撑网115内的溶液贮存腔室底部填充有智能凝胶组，智能凝胶组上面设置柔性机构111和直线活塞113；

如图7所示，柔性机构111整体从上到下依次分为上部矩形块、中部扭转块和下部圆形块，上部矩形块经中部扭转块和下部圆形块连接成一体，上部矩形块嵌装入封盖2底面的凹槽中，由封盖2对应凹槽固定，限制上部矩形块旋转；中部扭转块设置有两个对称相背的侧面，两个较大侧面分别布置有第一布拉格光栅112a和第二布拉格光栅112b，并第一布拉格光栅112a和第二布拉格光栅112b呈对称分布；下部圆形块外圈布置有外螺纹1111，通过外螺纹1111与直线活塞113螺纹连接形成螺纹副，直线活塞113外周和过滤支撑网115内壁之间密封连接且仅可沿轴向相对移动，直线活塞113底面和智能凝胶组接触，仅过滤支撑网115下方的过滤支撑网115开设过滤孔洞。

下部圆形块与直线活塞113之间的螺纹连接的螺纹升角大于当量摩擦角。

直线活塞113外周面设有多个沿轴向方向的凸棱边1131，过滤支撑网115内壁设有分别和各个凸棱边1131对应嵌装的多个沿轴向方向的凹棱边1151，每个凸棱边1131嵌装入各自对应的凹棱边1151中，使得直线活塞113被周向限位无法旋转，只能沿轴向移动。

不同智能凝胶传感单元中的智能凝胶组不同，针对不同水质相关参数敏感，适用于不同的水质相关参数。

智能凝胶传感单元中的智能凝胶组适用于温度、电导率、溶解氧饱和度、溶解氧、pH、氧化还原电位、硝酸盐、氯化物、盐度、电场等水质相关参数中的一种参数检测。

过滤支撑网115为刚性结构，用于限制智能凝胶组的凝胶径向扩展，下部开有孔洞，允许待测水溶液17进入与智能凝胶组中的凝胶发生耦合反应。过滤支撑网115在中部开设凹槽以形成空腔，用于贮存待测水溶液17以增大第一智能凝胶组和待测水溶液17的接触面积，提高系统响应时间。

第一布拉格光栅112a和第二布拉格光栅112b除中心波长不一致外，保持其他参数一致，且均为柔性，与柔性机构111的中部扭转块两个较大侧面紧密贴合，并随着柔性机构111的扭转，随之产生相应的应变变化，利用差动法即可解决温度和应变交叉敏感问题，实现温度自补偿。

在位于同一中部扭转块的第一布拉格光栅112a和第二布拉格光栅112b的两个布拉格光栅传输过光信号后，探测获得两路光信号的波长漂移量，代入以下公式同时获得应变和温度的大小。

当2个中心波长分别为λ1、λ2的布拉格光栅受温度和应变作用时，建立应变和温度的大小和中心波长的关系如下矩阵：

其中，

Δλ

Δλ

α

α

α

α

ε---------待测应变值；

ΔT-------测量环境温度变化量。

其中的

通过预先的标定实验测得矩阵中的参数值和波长漂移量，即可求得应变和温度的大小。

具体实施中，布拉格光栅中心反射波长的差设置为足够大，表现出不同的应变和温度响应特性，使得2个布拉格光栅中心反射波长的变化独立无关，进而提高检测灵敏度。波长差越大表现出越不同的应变和温度响应特性。

本发明中两个布拉格光栅平行对称地布设于结构上下表面，是利用不同中心反射波长的布拉格光栅对温度和应变响应的不同，实现对应变和温度的同时测量，求解真实的应变和温度。

各个智能凝胶传感单元的布拉格光栅均设置在一根光纤3上，光纤3一端经一个光纤耦合器31、一个光纤外部接头32和外部的光源连接，光纤3另一端经另一个光纤耦合器31、另一个光纤外部接头32和外部的探测器连接。

具体实施中，各个智能凝胶传感单元中的一个布拉格光栅均布置在一根或者两根光纤3上，光纤3引出两端经各自端的光纤耦合器31和一个光纤外部接头32连接，两个光纤外部接头32再经光纤分别连接光源和探测器。

如图8所示，包括多个传感模块，多个传感模块层叠布置或者阵列布置。这样，阵列组合模块5内部包含更多种不同的环境敏感型智能凝胶组，并可以根据实际应用需求进行灵活的自由组合，如温度、电导率、溶解氧饱和度、溶解氧、pH、氧化还原电位、硝酸盐、氯化物等，但又不局限于此。

实施例一

如图1至图7所示为本发明第一实施例提供的一种技术方案：一种单模块多参数水质监测光纤光栅传感器。

从外部到内部依次包括封盖2、基座1、第一智能凝胶传感单元11、第二智能凝胶传感单元12、第三智能凝胶传感单元13、第四智能凝胶传感单元14、光纤3、光纤耦合器31、光纤外部接头32、固定螺钉4，其中封盖2上开设有封盖溶液灌入孔21。

本实施例中，设置四个溶液贮存腔室，四个溶液贮存腔室分别为第一溶液贮存腔室116、第二溶液贮存腔室126、第三溶液贮存腔室136、第四溶液贮存腔室146，第一溶液贮存腔室116、第二溶液贮存腔室126、第三溶液贮存腔室136、第四溶液贮存腔室146分别经第一贯通孔15a、第二贯通孔15b、第三贯通孔15c、第四贯通孔15d均连通到基座溶液灌入腔16；

这样，基座1内部开有基座溶液灌入腔16、第一贯通孔15a、第二贯通孔15b、第三贯通孔15c、第四贯通孔15d以及螺钉配合孔41，并拥有第一溶液贮存腔室116、第二溶液贮存腔室126、第三溶液贮存腔室136、第四溶液贮存腔室146。封盖2开设封盖溶液灌入孔21。

封盖溶液灌入孔21由53个圆孔呈圆周阵列排布，分为沿径向间隔布置的多圈圆孔结构，且外圈到内圈的圆孔个数依次递减。

螺钉配合孔41用于螺纹安装基座1和封盖2之间连接用的固定螺钉4。

基座溶液灌入腔16与封盖溶液灌入孔21相联通，待测水溶液17从外部依次经过封盖溶液灌入孔21和基座溶液灌入腔16进入到基座1内部腔室，然后经第一贯通孔15a、第二贯通孔15b、第三贯通孔15c和第四贯通孔15d分别进入到第一溶液贮存腔室116、第二溶液贮存腔室126、第三溶液贮存腔室136和第四溶液贮存腔室146。

第一溶液贮存腔室116内部装有第一智能凝胶传感单元11；第二溶液贮存腔室126内部装有第二智能凝胶传感单元12；第三溶液贮存腔室136内部装有第三智能凝胶传感单元13；第四溶液贮存腔室146内部装有第四智能凝胶传感单元14；第一智能凝胶传感单元11、第二智能凝胶传感单元12、第三智能凝胶传感单元13、第四智能凝胶传感单元14安装于基座1内部，并呈矩形分布，封盖2通过四颗固定螺钉4与基座1上表面固定连接。

对于第一智能凝胶传感单元11包括柔性机构111、直线活塞113、第一智能凝胶组114、过滤支撑网115；随着第一智能凝胶组114的体积溶胀向上移动，通过螺纹配合使柔性机构111的中间扭转块发生扭转。

具体实施中，直线活塞113安装于柔性机构111与第一智能凝胶组114之间，外圈设计有三条沿圆周均匀分布的凸棱边1131，分别与过滤支撑网115的内部凹棱边1151配合，限制其旋转。

待测水溶液17从封盖溶液灌入孔21进入基座溶液灌入腔16后再分别进入各个溶液贮存腔室中的智能凝胶组接触，智能凝胶组对待测水溶液17敏感产生体积溶胀驱动直线活塞113上升移动，进而经螺纹副驱动柔性机构111的下部圆形块旋转，使得柔性机构111的中部扭转块发生扭转，使得第一布拉格光栅112a和第二布拉格光栅112b发生应变形变，进而影响两个布拉格光栅的中心波长变化产生偏移，进而通过光纤中传输过来的光信号检测各个中心波长的变化偏移。由于各个布拉格光栅的中心波长不同，能够将各个中心波长的变化偏移对应到各个布拉格光栅中，根据布拉格光栅中心波长的变化偏移处理获得对应的温度和应变。

第一智能凝胶传感单元11中的智能凝胶组114为温度敏感型，随着不同的温度产生不同的溶胀反应；

第二智能凝胶传感单元12中的智能凝胶组124为pH敏感型，随着不同的pH产生不同的溶胀反应；

第三智能凝胶传感单元13中的智能凝胶组134为盐度敏感型，随着不同的盐度产生不同的溶胀反应；

第四智能凝胶传感单元14中的智能凝胶组144为电场敏感型，随着不同的电场产生不同的溶胀反应。

第二智能凝胶传感单元12、第三智能凝胶传感单元13和第四智能凝胶传感单元14除各自智能凝胶组对应的敏感型不同之外，其他结构和组成与第一智能凝胶传感单元11的描述保持一致。

过滤支撑网115为刚性结构，用于限制第一智能凝胶组114的凝胶径向扩展，下部开有孔洞，允许待测水溶液17进入与第一智能凝胶组114中的凝胶发生耦合反应，并在中部开设凹槽以形成空腔116，用于贮存待测水溶液17以增大第一智能凝胶组114和待测水溶液17的接触面积，提高系统响应时间。

实施例二

图8所示为本发明第二实施例提供的一种技术方案：一种多模块多参数水质监测光纤光栅传感器，可由实施例一中所描述的单模块构成多模块组合。

如图8所示，本实施例中的阵列组合模块5共有两个模块，分别是第一模块5A和第二模块5B，其中第一模块5A和第二模块5B内部结构和元件与实施例一中的单模块描述类似。

第一传感模块5A是由第一模块基座1A和第一模块封盖2A，第一模块基座内设置第一模块第一智能凝胶传感单元11A、第一模块第二智能凝胶传感单元12A、第一模块第三智能凝胶传感单元13A和第一模块第四智能凝胶传感单元的四个智能凝胶传感单元14A。

第二传感模块5B是由第二模块基座1B和第二模块封盖2B，第二模块基座内设置第二模块第一智能凝胶传感单元11B、第二模块第二智能凝胶传感单元12B、第二模块第三智能凝胶传感单元13B和第二模块第四智能凝胶传感单元的四个智能凝胶传感单元14B。

其中，第一模块封盖2A与实施例一中描述的封盖2结构一致，第一模块基座1A的基座溶液灌入腔16在本实施例中被设计为通孔形式，以便于在组成阵列组合模块5时，能使待测水溶液17顺利进入第二模块5B的内部。

同样地，第二模块封盖2B在本实施例中也被设计为通孔形式，以便于待测水溶液17顺利进入第二模块基座1B内部，而第二模块基座1B的结构与实施例一中的基座1结构保持一致。因此，在阵列组合模块5中，待测水溶液17将从第一模块封盖2A的封盖溶液灌入孔21依次经过第一模块基座1A的基座溶液灌入腔16、第二模块封盖2B的封盖溶液灌入孔2最终进入到第二模块基座1B的内部，同时待测水溶液17将分别与第一模块第一智能凝胶传感单元11A、第一模块第二智能凝胶传感单元12A、第一模块第三智能凝胶传感单元13A、第一模块第四智能凝胶传感单元14A、第二模块第一智能凝胶传感单元11B、第二模块第二智能凝胶传感单元12B、第二模块第三智能凝胶传感单元13B、第二模块第四智能凝胶传感单元14B内部的敏感型智能凝胶组发生耦合反应，以达到测量8种不同的水质参数指标的目的。

其中8种不同的水质参数指标对应于8种不同的环境敏感型智能凝胶组，并可以根据实际应用需求进行灵活的自由组合，比如温度、电导率、溶解氧饱和度、溶解氧、pH、氧化还原电位、硝酸盐、氯化物这8种测量参数指标，当然本发明不局限于此，还可将浊度、氨氮、氟化物等多种测量参数指标加入自由组合。

此外，还可根据实际应用需求将阵列组合的模块进一步增加至3个、4个或者更多来同时监测更多的水质参数指标，以便于更好地掌握水质的健康状况。

由此实施可见，本发明实现了模块化设计，结构紧凑、尺寸小巧，可实现恶劣环境下水溶液温度、pH、盐度和电导率等多参数的同时监测，提升传感网络的采集效率，还可根据实际需求对其进行模块化阵列组合实现对测量参数指标的灵活调整，为环境水质的快速准确分析提供有力支持。

需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。