CN101413886B - 一种利用等离子体共振光纤传感器检测液体折射率的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的利用等离子体共振光纤传感器检测液体折射率的装置，包括光源，等离子体共振光纤传感器，可调谐液晶滤光器，光电探测器和控制和处理电路，光源发出的光经过等离子体共振光纤传感器，获取有效信息后经过由控制和处理电路控制的可调谐液晶滤光器，被光电探测器探测并进入控制和处理电路处理后，扫描完成后获得被测液体的折射率。本发明装置结构简单，体积轻便，利于小型化，便于携带。该装置响应速度快，可以应用于实时在线检测场合。检测动态范围大，可以广泛用于各种液体折射率的检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测液体折射率的装置，尤其是利用等离子体共振光纤传感器检测液体折射率的装置。
背景技术
表面等离子共振(SPR，Surface Plasmon Resonance)传感技术是一种发生在金属薄层与电介质分界面上的物理光学现象，因其可以用于实时跟踪发生在金属薄层表面与介质折射率变化相关的物理量变化以及生物化学的反应和转换过程，而受到了越来越多的环境工作者的重视。SPR传感器通过激发表面等离子体共振波(SPW，Surface Plasmon Wave)来检测传感界面处样品的折射率变化。当满足共振条件时，由于衰减全反射(ATR，Attenuated Total Reflection)产生共振吸收峰，通过共振角θSPR或共振波长λSPR测定样品折射率，从而获取样品影响折射率的物理量。SPR传感器有棱镜型，光纤型，光栅型等几种，其中光纤型SPR传感器是将一段长5mm左右的光纤的包层剥去，然后在此段纤芯上沉积或蒸镀一层50nm左右的金属膜，为了使波导导模与SPW的相位更好地匹配，通常还要在金属层和纤芯波导层之间加一层适当的缓冲层。
目前利用等离子体共振光纤传感器检测液体折射率，主要有共振角探测法，共振波长探测法等。共振波长检测主要是采用宽带光源或者可调谐光源，使用光谱检测，原理简单。共振波长检测的关键部分是对光谱进行分析，通常是利用一台光谱仪进行波长扫描，然后将数据上传至上位机进行数据分析，这种实现方法需购置一台光谱仪，成本太高，使用不灵活，还需要专门的配套软件进行数据采集和处理；也可以利用其他的光谱扫描的方法，比如利用光栅或者棱镜等进行分光检测，这种对光路的要求比较严格，仍然需要利用上位机进行数据处理。
利用可调谐滤光器亦可以用来光谱扫描。可调谐滤光器运用非常广泛，如光纤通讯、天文、遥感测量等。目前经常使用的可调谐滤光器有：可调谐液晶滤光器、马赫-曾德尔光纤干涉仪、光纤布拉格光栅、声光调制滤光片等。可调谐液晶滤光器是利用了液晶的双折射现象，通过对液晶分子的电压调制，改变其有效折射率，从而使其具有波长选择性，具有体积小，易于控制，动态范围大等优点。可调谐液晶滤光器中的向列型液晶分子的光轴在电压的驱动下，将沿电场的方向重新定向，改变其有效折射率，并随着施加的电压不同，液晶的有效折射率也将不同。未加电压时，光束进入可调谐液晶滤光器后，O光和E光都将在器件内部的法-珀的腔中产生法-珀效应，由于液晶分子对两支光的折射率不同，透过的中心波长也将不同，但是，加上电压后，O光的透过中心波长没有变化，E光的透过波长就随着电压改变，从而实现调谐的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速、实时、方便的利用等离子体共振光纤传感器检测液体折射率的装置。
本发明的利用等离子体共振光纤传感器检测液体折射率的装置包括光源，等离子体共振光纤传感器，可调谐液晶滤光器，光电探测器和控制和处理电路，等离子体共振光纤传感器的输入端经光纤与光源相连，等离子体共振光纤传感器的输出端经光纤与可调谐液晶滤光器的输入端相连，可调谐液晶滤光器的输出端经光纤与光电探测器的输入端相连，可调谐液晶滤光器的控制端与控制和处理电路的扫描信号输出端相连，控制和处理电路的光功率信号输入端和光电探测器的输出端相连。
本发明中，光源可以是宽带光源或者是可调谐光纤激光器。
本发明中，等离子共振光纤传感器可以是单模光纤等离子体共振传感器或者是光子晶体光纤等离子体共振传感器。
本发明中，光电探测器是将光信号转换成电信号的光电管，光电倍增管，光电二极管，雪崩光电二极管，PIN管或光电晶体管等器件。
本发明中，控制和处理电路包括CPU，D/A转换模块，A/D转换模块，信号放大模块和显示模块，为了实现与上位机的数据传输，可添加通信模块。
工作原理如下：
将等离子体共振光纤传感器放入被测液体中，由控制和处理电路的扫描信号输出端输出扫描电压，控制可调谐液晶滤光器的透射波长，这时可调谐液晶滤光器只允许输入光信号中的波长等于透射波长的信号分量透过，光电探测器探测该透射波长的光功率，将光功率信号转换成电信号输给控制和处理电路，在一次扫描完成后，控制和处理电路根据所获取的透射波长和光功率数值，分析获得等离子体共振波长，计算出被测液体的折射率。
本发明的有益效果在于：
本发明的利用等离子体共振光纤传感器检测液体折射率的装置结构简单，体积轻便，利于小型化，便于携带。该装置响应速度快，可以应用于实时在线检测场合。检测动态范围大，可以广泛用于各种液体折射率的检测。
附图说明
图1是利用等离子体共振光纤传感器检测液体折射率的装置的构成示意图，1为光源，2为等离子体共振光纤传感器，3为可调谐液晶滤光器，4为光电探测器，5为控制和处理电路；
图2是控制和处理电路的一种实施电路示意图，6为D/A转换模块，7为CPU，8为A/D转换模块，9为信号放大模块，10为显示模块，11为通信模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1，利用等离子体共振光纤传感器检测液体折射率的装置包括光源1，等离子体共振光纤传感器2，可调谐液晶滤光器3，光电探测器4和控制处理电路5。等离子体共振光纤传感器2的输入端经光纤与光源1相连，等离子体共振光纤传感器2的输出端经光纤与可调谐液晶滤光器3的输入端相连，可调谐液晶滤光器3的输出端经光纤与光电探测器4的输入端相连，可调谐液晶滤光器3的控制端与控制处理电路5的扫描信号输出端相连，控制处理电路5的光功率信号输入端和光电探测器4的输出端相连。
当等离子体共振光纤传感器置于被测液体中时，由于发生了等离子共振效应，当发生等离子共振时入射光波波矢的平行分量Kx与等离子波波矢KSPW相等，根据Maxwell方程和金属的复介电性，有：
式中：K0＝ω/c，为自由空间波矢，c和ω分别为光在真空中的速度和角频率；εm和εs为金属膜和样品的复介电常数；n0为波导折射率，θ0为光波入射角；λ为入射光波波长。改变入射光波长可使KSPW＝Kx，从而满足等离子共振条件。当某一光波长λSPR入射发生SPR效应，表面等离子波(SPW)被激发，其特征就是反射光强的大幅减弱。
控制和处理电路如图3所示，它包括D/A转换模块6，CPU 7，A/D转换模块8，信号放大模块9，显示模块10和通信模块11，信号放大模块9的输入端作为控制和处理电路5的光功率信号输入端，信号放大模块9的输出端与A/D转换模块8的输入端连接，A/D转换模块8的输出端连接CPU 7的第一IO口，D/A转换模块6的输出端作为控制和处理电路5的扫描信号的输出端，D/A转换模块6的输入端和CPU 7的第二IO口连接，显示模块10连接到CPU7的第三IO口，通信模块11连接到CPU的串行或者并行通信端口。其中CPU可为MSP430F149单片机，A/D转换模块可为AD5531芯片，D/A转换模块可为ICL7315芯片，显示为七段数码管。
系统开始工作后，CPU根据一个波长范围(比如400至750nm的光谱范围)以一定的步长，扫描该范围中的波长值λ，计算对应的控制信号量，并发出控制信号，经过D/A转换模块转换成模拟信号，输给可调谐液晶滤光器的控制端，使得可调谐液晶滤光器的透射波长为λ，光电探测器探测可调谐液晶滤光器输出光的光功率值，并将探测结果输入信号放大模块9，信号放大模块将该光功率信号放大并输出至A/D转换模块。A/D转换模块将放大的光功率信号转换成数字信号输入CPU。CPU将透射波长和输入的光功率信号值存储起来，然后进行下一个波长扫描。当扫描完成后，CPU分析所存储的透射波长和光功率值，分析出发生等离子体的共振波长数值，计算出相应的折射率，最后通过显示模块显示，如有需要可以通过通信模块11上传至上位机。
为了正确检测到共振波长，光源的谱宽、可调谐液晶滤光器的波长调谐范围、光电探测器的光谱响应范围需覆盖等离子体共振光纤传感器置于待测液体中时可能发生的等离子体共振的波长范围。
为了提高装置的检测精度，可选择窄带宽的可调谐液晶滤光器，或减小扫描的波长步长，或提高D/A转换模块和A/D转换模块的位数。
Claims (5)
1.一种利用等离子体共振光纤传感器检测液体折射率的装置，其特征在于包括光源(1)，等离子体共振光纤传感器(2)，可调谐液晶滤光器(3)，光电探测器(4)和控制和处理电路(5)，等离子体共振光纤传感器(2)的输入端经光纤与光源(1)相连，等离子体共振光纤传感器(2)的输出端经光纤与可调谐液晶滤光器(3)的输入端相连，可调谐液晶滤光器(3)的输出端经光纤与光电探测器(4)的输入端相连，可调谐液晶滤光器(3)的控制端与控制和处理电路(5)的扫描信号输出端相连，控制和处理电路(5)的光功率信号输入端和光电探测器(4)的输出端相连，控制和处理电路(5)包括D/A转换模块(6)，CPU(7)，A/D转换模块(8)，信号放大模块(9)，显示模块(10)和通信模块(11)，信号放大模块(9)的输入端作为控制和处理电路(5)的光功率信号输入端，信号放大模块(9)的输出端与A/D转换模块(8)的输入端连接，A/D转换模块(8)的输出端连接CPU(7)的第一IO口，D/A转换模块(6)的输出端作为控制和处理电路(5)的扫描信号的输出端，D/A转换模块(6)的输入端和CPU(7)的第二IO口连接，显示模块(10)连接到CPU7的第三IO口，通信模块(11)连接到CPU的串行或者并行通信端口。
2.根据权利要求1所述的检测液体折射率的装置，其特征在于，光源(1)是宽带光源或者是可调谐光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的检测液体折射率的装置，其特征在于，等离子共振光纤传感器(2)是单模光纤等离子体共振传感器或者是光子晶体光纤等离子体共振传感器。
4.根据权利要求1所述的检测液体折射率的装置，其特征在于，光电探测器(4)是将光信号转换成电信号的光电管，光电倍增管，光电二极管，雪崩光电二极管，PIN管或光电晶体管。
5.根据权利要求1所述的检测液体折射率的装置，其特征在于，CPU为MSP430F149单片机，A/D转换模块为AD5531芯片，D/A转换模块为ICL7315芯片，显示为七段数码管。
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