基于分布式光纖傳感的溶液濃度自動監測系統

中國電子科技集團公司第八研究所，安徽合肥 230051

一、前言

濃度是表征介質溶液特征的重要參量之一，濃度測量的必要性日益凸顯，在造紙、化工、制糖、食品、制藥、水體監測等行業有著重要的應用。在以液體為主的生產工藝中有的需要將原料分離，有的需要投入中間原料，在這種生產線上，對溶液濃度的測量與控制變得非常重要，否則產品的質量難以保證，甚至會造成巨大的經濟損失。為了控制生產過程，提高產品的質量和產量，提高經濟效益，進行科學管理，液體濃度的在線監測就顯得尤為重要。

有關測量濃度的方法有很多種，目前技術已經比較成熟并且得到應用的方法有電容法、光電法、超生光柵法、掠入射法等。但是在溶液的監測方面，尤其是在線溶液濃度的監測與控制方面還處于較落后的狀態。在食品、化工、生物、醫藥等方面的試劑生產過程中，需要對多組分的溶液進行定量分析，這就要求對溶液濃度進行實時監測。

光纖傳感技術是伴隨著光纖通信的發展而出現的一門嶄新的技術[1]。與傳統傳感器相比，光纖傳感器有著耐腐蝕，抗電磁干擾，靈敏度高等優點，對于濃度的測量更加實用和精準，有著很好的市場前景和良好的發展趨勢。隨著時代的需要，在高電壓、大噪聲、高溫、強腐蝕性等很多特殊環境下進行濃度測量，基于光纖測濃度更是突顯它的優勢[2-3]。

本文基于對光纖技術的分析，提出了一種基于光纖傳感器的濃度實時智能監測系統，以單片機作為數據處理和系統監測控制部件，以反射結構的光纖探頭作為敏感元件和光纖作為光通路，并能通過合理的軟件算法，實現系統對溶液濃度的分布式實時監測。

二、實時溶液濃度自動監測系統

1、系統組成

實時溶液濃度自動監測系統組成框圖如圖1所示。主要由光纖溶液濃度傳感器、LED光源、光電探測器、單片機、LCD顯示等構成。采用單片機調節LED的工作電流，提高信噪比，提高儀器的抗干擾能力。系統采用單片機控制PWM發光方法，即在每測量一次數據的周期內，LED發光時間固定，同時光信號由光電探測器轉換為電信號，放大后進行取樣保持[4]。一旦采集完成，則單片機進行數據處理，此時LED不發光。由于LED處于占空比較小的PWM發光狀態，使LED工作在物理特性最好的階段，從而保證LED光源穩定的發光，且可延長LED的實際使用壽命。

2、主要元件

（1）光纖溶液濃度傳感器

光纖傳感器是通過被測物理量（例如液體濃度、折射率等）對光纖內傳輸的光進行調制，使傳輸光的強度、相位、頻率或偏振態等特性發生變化，然后對被調制過的光信號進行監測的一類新型傳感器，具有遠程和抗化學腐蝕性。

由光折射和反射的Snell定律可知，當光波入射到兩種媒介的交界面時，反射率與相鄰兩種媒介的折射率（纖芯n1、包層n2）有關。 當包層為待測溶液，即待測溶液的濃度發生變化時，其折射率n2必然發生變化，從而使通過反射回到纖芯的光也發生變化，通過測量接收端光強的大小，就可以得到待測溶液的濃度變化。

光纖溶液濃度傳感器[5]常采用Y型結構，如圖2所示。Y型結構的光纖是由兩束光纖束組成，一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為發送光纖束和接收光纖束。其基本傳感原理是：光從光源耦合到發送光纖束，通過光纖傳輸，射向反射體，再被反射到接收光纖束，最后由光電探測器接收，光電探測器接收到的光強度與反射體溶液濃度、光纖探頭的結構有關。根據工作的原理，再結合溶液濃度監測的要求可知光纖反射型敏感元件是整個實驗裝置的關鍵部件，用光纖熔接器進行熔接制成，以和被測溶液直接接觸的探頭熔融部分作為反射體。

LED發出來的光通過發送光纖束傳輸到光纖探頭，經過光纖探頭發送到待測溶液，有一部分光透過，而其余的光被反射回來。當待測溶液濃度恒定時，透射光強度和反射光強度恒定；當待測溶液的濃度發生變化時，其折射率也發生變化，此時反射回光纖的光強度也發生變化。因此，利用光電探測器測量光纖探頭探測到的反射光強度[6]，通過反射光強度可計算出待測溶液的濃度，從而獲得待測溶液濃度變化的信息。

光纖濃度傳感器的構造如圖3所示。LED光源發出的脈沖光經光纖傳輸后發生到待測液體中，經過光纖探頭探測后，通過接收光纖束傳輸到光電探測器中，光電探測器將光信號轉換為電信號，再通過數據分析處理，得出檢測結果。

光纖傳感器的測量單元安裝在監測待測溶液的現場，光電轉換箱、二次儀表、電源和計算機系統安裝在儀表控制室，兩者之間通過光纜連接，完全做到待測溶液現場無電監測[7]。

（2）光源的選擇

一般所使用的光源是半導體激光器，其發光是利用光的受激輻射原理，耦合效率高、響應速度快，但價格比較高。半導體發光二極管（LED）具有體積小、易于集成、能耗低、輸出功率穩定；從近紅外到可見光以及紫外都有相應波段的產品，波長選擇范圍廣；工作電壓低、功耗小；驅動簡單、使用壽命長、性能穩定可靠、工作壽命長而且發光響應速度快等優點，作為微型化光源受到廣泛的關注。同時可以采用精密的光學及芯片加工技術將某些單元集成在芯片上，使整個光路進一步微型化。

（3）光電探測器的選擇

經過比較多種光電探測器后，選擇雪崩光電二極管（APD）比較合理，因為當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產生所謂的“雪崩”。這種管子現場標定簡單，另外響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快，靈敏度很高的一種光電二極管。理論證明，APD的雪崩增益（響應度）是環境溫度和偏置電壓的函數[8]，其穩定性直接影響了整個實驗裝置的測量靈敏度。為了使 APD 能以恒定的增益工作，通過單片機調節APD的偏置電壓使其隨環境溫度的變化而按一定比例改變，可保持APD增益不變。

（4）單片機

溶液濃度受溫度等因素影響，監測時還要注意外界光的干擾因素、被控制的反饋量等對監測信號的作用，采用單片機可以靈活地編程，實現復雜的監測控制。選用凌陽SPCE061A單片機，具有8通道的10位A/D轉換器，并具有ISP（在系統可編程）/IAP（在應用可編程）。SPCE061A具有兩路PWM輸出功能，利用單片機I/O端口輸出PWM信號即可控制LED，采用軟件生成 PWM 的方法，通過分頻產生4Hz的時基信號，利用時基中斷，改變I/O端口的電平狀態，從而模擬特定占空比的PWM波形，輸出4位可調脈寬比PWM信號。另外采用中斷方式定時，讓定時開啟LED發光電路。為了給LED提供足夠的電流，將PWM信號發給LED驅動芯片[9]，由驅動芯片直接控制驅動LED。

三、分布式光纖傳感實時溶液濃度自動監測系統

分布式光纖傳感實時溶液濃度自動監測系統測量原理框圖如圖4所示，系統采用多個光纖濃度傳感器組網，利用光纖作為信號傳輸通道，可以實時測量多個不同位置的濃度值。測量值同時反饋到監測主機，可以對較大范圍內溶液濃度進行實時監控。

四、軟件設計

根據要處理的信息，編寫的單片機主程序流程如圖5所示。程序開始后，通過初始化，對檢測到的光信號進行歸一化，隨后單片機控制光源向溶液發射光信號，光電探測器檢測反射光信號，并與數據庫中的原始數據進行對比分析，當測量到的光信號超過光強預設值時，系統發出報警信號。

程序中包含定時的常規監測，如果接近監測濃度的臨界值時加大測量頻率，這樣間斷測量和連續測量相結合，既滿足實時測量的要求，又有利于提高LED 和光電探測器的使用壽命。監測部分程序的關鍵是采用合理的算法。根據待測溶液濃度控制的特點，設定多個測量點[10]，根據溶液濃度、溫度對溶液的影響、溶液中顆粒的散射、外界光的干擾因素等，調節算法的權重，得到合適的計算參數。

五、系統性能測試

（1）誤差范圍

在室溫條件（25℃）下，使用高精度電子天平稱量，依次配制1%、2%、3%、4%、5%....10%的10種不同濃度的NaCl溶液，測量不同濃度NaCl溶液折射率，如圖6所示。利用光纖溶液傳感器檢測不同濃度的NaCl溶液，得出光強度與信號隨NaCl溶液濃度變化曲線，如圖7所示。為了減小外界因素的干擾（如機械振動、空氣擾動等），實際測量取5次測量的平均值。

從圖可以看出，NaCl溶液折射率與溶液濃度變化曲線呈正相關，其相關系數為0.9981，檢測到的光強度與NaCl溶液濃度呈負相關，其相關系數為0.9979。由圖7數據可知，系統測量誤差不大于0.7%。由于光強度與溶液濃度之間的高度相關，因此可以通過檢測光強度信號計算出溶液濃度。通過建立不同溫度及流速條件下的溶液濃度數據庫，可以實時得出待測溶液濃度。

（2）檢測靈敏度

在室溫條件（25℃）下，采用高精度電子天平稱量，依次配制3組不同濃度的NaCl溶液，如表1所示。利用光纖溶液傳感器檢測不同濃度的NaCl溶液，得出光強度隨NaCl溶液濃度變化曲線，實驗值取5次測量的平均值。

表1 不同濃度NaCl溶液檢測誤差

從表1可知，光纖溶液傳感器對濃度梯度為1%的溶液誤差小于0.7%，對濃度梯度為0.1%的溶液誤差小于1.5%，對濃度梯度為0.01%的溶液，檢測結果出現較大誤差。因此，光纖溶液傳感器對NaCl溶液的檢測靈敏度為0.1%。

六、總結

分布式光纖傳感智能濃度測量系統將單個光纖溶液傳感器分布式組網，以單個光纖傳感器為敏感元件，構建了一個溶液濃度實時測量系統。通過對NaCl溶液進行檢測，得出系統的濃度檢測靈敏度為0.1%，在1%濃度梯度下，其誤差范圍不大于0.7%。系統操作方便、實用性強。通過光來檢測和傳輸信息，因而現場可以不用電信號，靈敏度高、響應速度快、動態范圍大，可適用于遠距離遙感，便于推廣使用。利用光纖傳感器具有很強的抗干擾能力、耐高溫、耐腐蝕的優點，及以光纖作為信息傳輸的通道，構建溶液監測的多測量點網絡系統，以LED作為光源，節約設備生產成本及使用成本。在造紙、化工、制糖、食品、制藥、水污染監測、石油化工等行業有著重要的應用前景。