光纤式全光谱水质传感器光学探头[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 112198124 A(43)申请公布日 2021.01.08

(21)申请号 202011096711.5(22)申请日 2020.10.14

(66)本国优先权数据

201911121442.0 2019.11.15 CN

(71)申请人 北京微芯区块链与边缘计算研究院地址 100084 北京市海淀区丹棱街1号互联

网金融中心19层(72)发明人 董祥明　王宇　王顺平　索腾飞　(74)专利代理机构 北京路浩知识产权代理有限

公司 11002

代理人 周琦(51)Int.Cl.

G01N 21/25(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图1页

CN 112198124 A(54)发明名称

光纤式全光谱水质传感器光学探头(57)摘要

本发明涉及水质监测设备技术领域，提供了一种光纤式全光谱水质传感器光学探头，包括：设有盲槽的本体，本体的内部设有平行布置的测量通道和参比通道，测量通道贯穿盲槽布置；测量通道的进口处设有准直透镜，出口处设有耦合透镜；光纤分束器的输入端用于接收光源提供的光束；光纤分束器的第一输出端发出的测量光依次经过准直透镜和耦合透镜后，进入光纤耦合器的第一输入端；位于参比通道内的光纤分束器的第二输出端发出的参比光进入光纤耦合器的第二输入端；光纤耦合器的输出端发出的光束进入光谱仪。该光纤式全光谱水质传感器光学探头，测量光和参比光稳定输出，保证了零点标定的一致性，提高了传感器的稳定性和实用性。

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权　利　要　求　书

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1.一种光纤式全光谱水质传感器光学探头，其特征在于，包括：光源、光谱仪、光纤分束器、光纤耦合器以及设有盲槽的本体，所述本体的内部设置有平行布置的测量通道和参比通道，所述测量通道贯穿所述盲槽布置；所述测量通道的进口处安装有准直透镜，出口处安装有耦合透镜；

所述光纤分束器的输入端用于接收所述光源提供的光束；所述光纤分束器的第一输出端发出的测量光依次经过所述准直透镜和所述耦合透镜后，进入所述光纤耦合器的第一输入端；位于所述参比通道内的所述光纤分束器的第二输出端发出的参比光进入所述光纤耦合器的第二输入端；所述光纤耦合器的输出端发出的光束进入所述光谱仪。

2.根据权利要求1所述的光纤式全光谱水质传感器光学探头，其特征在于，所述光纤分束器上设置有用于控制所述测量光和所述参比光传输顺序的光学开关。

3.根据权利要求1所述的光纤式全光谱水质传感器光学探头，其特征在于，所述光纤分束器按照多种预设比例对测量光和参比光的强度进行分配。

4.根据权利要求1所述的光纤式全光谱水质传感器光学探头，其特征在于，所述准直透镜和所述耦合透镜均采用石英或者蓝宝石透镜。

5.根据权利要求1所述的光纤式全光谱水质传感器光学探头，其特征在于，所述参比光通过光纤传输。

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说　明　书

光纤式全光谱水质传感器光学探头

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技术领域

[0001]本发明涉及水质监测设备技术领域，特别涉及一种光纤式全光谱水质传感器光学探头。

背景技术

[0002]全光谱水质在线监测装置，可同时监测COD、温度、TOC、BOD、O3、浊度、有机物(苯类)、硝氮等各类型污染物参数，并没有产生二次污染排放，已被广泛的应用到水质监测中。[0003]全光谱水质传感器的关键技术是需要宽光谱光源按照一定比例进行分光，确保两束光强度稳定交替输出，从而确保零点标定的准确性。同时，需要尽可能简化结构，实现系统的小型化。但是，现有的全光谱水质传感器存在零点标定不准确和结构复杂的问题。发明内容[0004](一)要解决的技术问题

[0005]鉴于上述技术缺陷和应用需求，本申请提出一种光纤式全光谱水质传感器光学探头，以解决现有的全光谱水质传感器存在的结构复杂的问题。[0006](二)技术方案

[0007]为解决上述问题，本发明提供一种光纤式全光谱水质传感器光学探头，包括：光源、光谱仪、光纤分束器、光纤耦合器以及设有盲槽的本体，所述本体的内部设置有平行布置的测量通道和参比通道，所述测量通道贯穿所述盲槽布置；所述测量通道的进口处安装有准直透镜，出口处安装有耦合透镜；

[0008]所述光纤分束器的输入端用于接收所述光源提供的光束；所述光纤分束器的第一输出端发出的测量光依次经过所述准直透镜和所述耦合透镜后，进入所述光纤耦合器的第一输入端；位于所述参比通道内的所述光纤分束器的第二输出端发出的参比光进入所述光纤耦合器的第二输入端；所述光纤耦合器的输出端发出的光束进入所述光谱仪。[0009]其中，所述光纤分束器上设置有用于控制所述测量光和所述参比光传输顺序的光学开关。

[0010]其中，所述光纤分束器按照多种预设比例对测量光和参比光的强度进行分配。[0011]其中，所述准直透镜和所述耦合透镜均采用石英或者蓝宝石透镜。[0012]其中，所述参比光通过光纤传输。[0013](三)有益效果

[0014]本发明提供的光纤式全光谱水质传感器光学探头，光源发出的光束通过1×2的光纤分束器分成一定比例的两束光，两束光分别命名为测量光和参比光，首先是测量光通过准直透镜，实现在测量通道的远距离传输，最后通过耦合透镜，耦合到光纤耦合器的一个支路里，进入到光谱仪实现测量；其次再是参比光通过位于参比通道的光纤，直接与光纤耦合器的另一个分支相连接进入到光谱仪，从而实现对参比光的测量。与传统光纤分束方法的不同在于，本发明实施例提供的光纤式全光谱水质传感器光学探头，在接收端采用了2×1

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的光纤耦合器，光纤耦合器直接与光谱仪相连，这样就避免了双探头的使用，降低了技术难度和成本；光纤分光的引入使得测量光和参比光具有稳定的输出，这就保证了零点标定的一致性，提高了传感器的稳定性和实用性。此外，可以控制光纤分束器的分光比例，来实现参比光和测量光强度比例的精确控制，无需利用衰减片进行调节，这样可以简化系统结构和增加系统稳定性。

附图说明

[0015]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0016]图1是本发明实施例提供的光纤式全光谱水质传感器光学探头的结构示意图；[0017]其中，1、光源；2、光学开关；3、光纤分束器；4、准直透镜；5、测量通道；6、参比通道；7、耦合透镜；8、光纤耦合器；9、光谱仪。具体实施方式

[0018]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。[0019]图1是本发明实施例提供的光纤式全光谱水质传感器光学探头的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的光纤式全光谱水质传感器光学探头，包括：光源1、光谱仪9、光纤分束器3、光纤耦合器8以及设有盲槽的本体，本体的内部设置有平行布置的测量通道5和参比通道6，测量通道5贯穿盲槽布置；测量通道5的进口处安装有准直透镜4，测量通道5的出口处安装有耦合透镜7；

[0020]光纤分束器3的输入端用于接收光源1提供的光束；光纤分束器3的第一输出端发出的测量光依次经过准直透镜4和耦合透镜7后，进入光纤耦合器8的第一输入端；位于参比通道6内的光纤分束器3的第二输出端发出的参比光进入光纤耦合器8的第二输入端；光纤耦合器8的输出端发出的光束进入光谱仪9。[0021]需要说明的是，设置于本体上的盲槽用于放置待检测的水样，测量通道5贯穿盲槽布置，即测量通道5包括第一测量通道和第二测量通道，第一测量通道位于盲槽的左侧，第一测量通道的右侧靠近盲槽布置，第一测量通道的右侧与盲槽的相接处设置有一个光学玻璃片，通过设置该光学玻璃片防止盲槽内的待检测的水样进入第一测量通道；第二测量通道位于盲槽的右侧，第二测量通道的左侧靠近盲槽布置，第二测量通道的左侧与盲槽的相接处设置有另一个光学玻璃片，通过设置该光学玻璃片防止盲槽内的待检测的水样进入第二测量通道。其中，第一测量通道的左侧设置有准直透镜4，第二测量通道的右侧设置有耦合透镜7。

[0022]在本发明实施例中，光源1发出的光束通过1×2的光纤分束器3分成一定比例的两束光，两束光分别命名为测量光和参比光，首先是测量光通过准直透镜4，实现在测量通道5

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的远距离传输，最后通过耦合透镜7，耦合到光纤耦合器8的一个支路里，进入到光谱仪9实现测量；其次再是参比光通过位于参比通道6的光纤，直接与光纤耦合器8的另一个分支相连接进入到光谱仪9，从而实现对参比光的测量。与传统光纤分束方法的不同在于，本发明实施例提供的光纤式全光谱水质传感器光学探头，在接收端采用了2×1的光纤耦合器8，光纤耦合器8直接与光谱仪9相连，这样就避免了双探头的使用，降低了技术难度和成本；光纤分光的引入使得测量光和参比光具有稳定的输出，这就保证了零点标定的一致性，提高了系统的稳定性和实用性。

[0023]在上述实施例的基础上，光纤分束器3上设置有用于控制测量光和参比光传输顺序的光学开关2。

[0024]在本发明实施例中，相对于传统利用斩波器对参比光和测量光的控制方法，利用光学开关2对其进行了改进，不仅能够实现了测量光和参比光的精准控制，同时减少了传统挡片电机的使用，简化了系统结构。此外，光学开关2的使用使得参比光可以直接与光谱仪相连，光无需经过光纤到空间，再由空间到光纤这个繁琐的过程，不仅大大降低了光的损耗，也减少了透镜的使用，降低了成本，增加了系统的稳定性。[0025]在上述实施例的基础上，光纤分束器3按照多种预设比例对测量光和参比光的强度进行分配。

[0026]在本发明实施例中，可以控制光纤分束器3的分光比例，来实现参比光和测量光强度比例的精确控制，可以实现输出光强的定量控制，无需利用衰减片进行调节，这样可以简化系统结构和增加系统稳定性。[0027]在上述实施例的基础上，光源为卤素灯、LED灯或者氙灯。[0028]在本发明实施例中，以光源为氙灯为例进行说明，通过氙灯提供全光谱光源。[0029]可以理解的是，准直透镜4和耦合透镜7均采用石英或者蓝宝石透镜。准直透镜4用于实现测量光的远距离弱衰减传输，耦合透镜7用于实现测量光高效率耦合到光谱仪内部。准直透镜4和耦合透镜7均采用石英或者蓝宝石透镜可以减小紫外可见光的衰减，提高传感器测量灵敏度。

[0030]在上述实施例的基础上，为了提高系统的稳定性，参比光通过光纤传输。[0031]在上述实施例的基础上，本体的形状为长方体，本体采用不锈钢或者工程塑料制成。

[0032]在本发明实施例中，本体的形状大小根据实验时的具体工况来设计，在此不作具体限定。本体采用不锈钢或者工程塑料制成，可以防止本体被待检测的水样进行腐蚀，从而导致本体的结构出现破坏。[0033]需要说明的是，在本实施例中以测量通道和参比通道位于不同高度，测量通道和参比通道均可以为圆形通道，测量通道的直径大于参比通道的直径。[0034]在上述实施例的基础上，本体的一端设置为敞口，敞口的内部放置有光源1。[0035]在本发明实施例中，本体的左侧设置有该敞口，敞口分别可以与测量通道5和参比通道6相连通。敞口的大小可以根据光源1的大小进行设计，在此不作具体限定。[0036]本发明实施例提供的光纤式全光谱水质传感器光学探头，将待测的水样放置于盲槽的内部，光源1发出的光束通过1×2的光纤分束器3分成一定比例的两束光，两束光分别命名为测量光和参比光，通过光纤分束器3上设置的用于控制测量光和参比光传输顺序的

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光学开关2的工作，首先是测量光通过准直透镜4，实现在测量通道5的远距离传输，最后通过耦合透镜7，耦合到光纤耦合器8的一个支路里，进入到光谱仪9实现测量；其次再是参比光通过位于参比通道6的光纤，直接与光纤耦合器8的另一个分支相连接进入到光谱仪9，从而实现对参比光的测量。本发明实施例提供的光纤式全光谱水质传感器光学探头，通过光纤分束器分光可以将光源光斑由线光源转化成点光源，这样排除了光源意外旋转所带来的不稳定性；利用光学开关来控制两个光路的发射顺序，光学开关体积小，并且结构简单优于斩波器，同时光学开关的引入，使得参比光可以直接通光光纤与光谱仪相连，无需进入空间，减少了光的损耗，提高了光学系统的稳定性；利用单准直透镜、单耦合透镜及单探头，降低了成本，增强了系统的稳定性，减小系统的体积，使得传感器更加小型化，降低了成本；可以通过光纤分束器分光的方法，达到解决现有技术中参比光与测量光光强不等增加零点标定难度的问题，并通过光学开关的引入，实现了参比光全光纤的传输，减少了机械电机快门的使用，也增加了系统的稳定性，成倍的缩小了系统的体积，使得结构更加简约，系统更加轻便。

[0037]以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。[0038]最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

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说　明　书　附　图

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图1

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