CN102809548B - 一种微孔阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种微孔阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感装置属于光纤传感的技术领域。结构有光源模块(1)、多模光纤传感器(2)、光电探测器(3)和控制与处理电路(4)；多模光纤传感器(2)是由阶跃多模聚合物光纤的一段构成，在该段光纤上开有柱状的横向穿透光纤的微孔，微孔的轴线与光纤的中心轴垂直相交。多模光纤传感器(2)可以是单微孔的结构，也可以是微孔轴向相互平行或/和相互垂直的多微孔的结构。本发明能迅速得到待测液体输出光功率数据，提高了液体折射率的测量范围和精确度，对液体折射率的测量线性度好，具有很好的实用价值；并且具有制作方便、操作简单、传感系统成本低廉等优点。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感的技术领域，具体涉及一种基于微孔结构的聚合物光纤液体折射率传感装置。
背景技术
目前国内外应用在生物、化学、环境领域的液体折射率光纤传感器，大部分都是基于石英光纤的液体折射率传感器，包括光纤光栅传感器、F-P腔传感器、光纤SPR传感器等多种。但它们都存在一些诸如测量的非线性和测量范围小等缺点，且其制作工艺要求很高，决定了石英光纤传感器的生产成本难以降低。
现有的液体折射率聚合物光纤传感器，结构包括光源模块、光纤传感器、光电探测器、控制与处理电路等几个部分。2012年6月答辩的吉林大学硕士学位论文《双锥型塑料光纤液体折射率传感器》公开的塑料光纤液体折射率传感器结构如图1所示，光源模块为调制的半导体光源，光纤传感器是被拉直的一段塑料光纤，光电探测器即光电检测器，控制与处理电路为数字示波器。该塑料光纤液体折射率传感器的液体折射率检测范围在1.333～1.41，灵敏度为18dB/RIU，参见图2的双锥形塑料光纤传输损耗与液体折射率的关系曲线，图2即是该硕士学位论文的图4.12。该塑料光纤液体折射率传感器同样限制于测量的非线性和测量范围小等弱点。因此研制线性好和测量范围大的光纤传感器具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的液体折射率传感器的测量非线性和测量范围小等弱点，公开一种微孔结构的阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感器，达到测量液体折射率的范围大，且具有高灵敏度的目的。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：
一种微孔阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感装置，结构有光源模块1、光纤传感器、光电探测器3和控制与处理电路4，光纤传感器的输入端经聚合物光纤与光源模块1相连，光纤传感器输出端经聚合物光纤与光电探测器3相连，光电探测器3与控制与处理电路4相连；其特征是，所述的聚合物光纤，是阶跃多模聚合物光纤；所述的光纤传感器，是多模光纤传感器2，由阶跃多模聚合物光纤的一段构成，在该段光纤上开有柱状的横向穿透光纤的微孔，微孔的轴线与光纤的中心轴垂直相交。
基于微孔阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感装置，各类型阶跃多模聚合物光纤及多模光纤传感器2的参数如下：
(1)所用阶跃多模聚合物光纤为各种标准尺寸的塑料光纤，光纤外直径可分别为0.25mm、0.50mm、0.75mm、1.00mm、2.00mm、3.00mm等各种标准尺寸。
(2)所述的多模光纤传感器2由具有微孔结构的阶跃折射率多模塑料光纤构成，微孔的高度为小于光纤的直径、微孔的直径约为10微米至2.6毫米之间。
(3)传感器类型一：多模光纤传感器2可以是单微孔的结构。
(4)传感器类型二：多模光纤传感器2可以是2～10个多微孔的结构，孔的间距不限。多微孔的结构更详细的可以是，
(5)相邻微孔的轴线相互平行或相邻微孔的轴线相互垂直的微孔结构，孔的间距不限。
(6)相邻微孔的轴线相互平行和相互垂直的混合微孔结构，孔的间距不限。
本发明中，所述的光源模块1，是利用信号源发出一定频率的方波信号，通过驱动电路控制半导体发光二极管(或半导体激光器)的电流实现光源的直接调制。
本发明中，所述的多模光纤传感器2，是单微孔或多微孔的多模聚合物光纤传感器，它们是利用微型数控机床和三维精密移动平台加工的多模聚合物光纤传感器，柱状微孔的轴向垂直于光纤的中心轴。并可以将加工好的多模光纤传感器2固定在基板上，以免外界的环境变化导致光纤形变而产生误差。
本发明中，所述的光电探测器3，是接收光信号并将光信号转换成电信号的光电管、光电倍增管或光电二极管等器件。
本发明中，所述的控制与处理电路4，包括信号放大模块7、A/D转换模块(数字/模拟转换模块)6、单片机(CPU)7、显示模块8和通信模块9。
液体折射率精确便捷测量方法，包括以下步骤：
(1)将待测液体滴入多模光纤传感器2的微孔，或将多模光纤传感器2浸入待测液体中；
(2)利用驱动电路控制半导体光源发出光波，经过多模光纤传感器2后，由光电探测器3将检测到的光信号变成电信号传送给控制与处理电路4。
(3)控制与处理电路4根据检测到的功率值，比照标准的液体折射率与光透射功率关系图，给出液体折射率。
本发明与现有技术相比具有以下优点：通过液体对光波功率的衰减进行数值分析，实现液体折射率的测量；本发明由于采用阶跃多模聚合物光纤和多模光纤传感器，能迅速得到待测液体导致输出光功率数据，提高了液体折射率的测量范围和精确度，对液体折射率的测量线性度好，灵敏度达到了21.00dB/RIU，所测量的液体折射率范围达到1.333～1.475，具有很好的实用价值；并且它具有制作方便、操作简单、传感系统成本低廉等优点。
附图说明
图1是背景技术的双锥形塑料光纤液体折射率传感器结构示意图。
图2是背景技术的双锥形塑料光纤传输损耗与液体折射率的关系曲线。
图3是本发明的微孔阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感装置的结构框图。其中，1为光源模块，2为多模光纤传感器，3为光电探测器，4为控制与处理电路。
图4是一种控制与处理电路4的框图。其中，5为信号放大模块，6为A/D转换模块(数字/模拟转换模块)，7为单片机(CPU)，8为显示模块，9为通信模块。
图5是本发明的单微孔结构的多模光纤传感器2的微孔处横截面图。
图6是相互平行微孔结构多模光纤传感器2的微孔位置示意图。
图7是相互垂直微孔结构多模光纤传感器2的微孔位置示意图。
图8是相邻微孔相互平行和相互垂直的混合微孔结构多模光纤传感器2的微孔位置示意图。
图9是本发明的一种液体折射率与光透射功率的标准关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1微孔阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感装置的结构
参照图3，本发明的微孔阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感装置的结构，包括光源模块1，微孔结构的多模光纤传感器2，光电探测器3、控制与处理电路4。微孔结构的多模光纤传感器2的输入端经阶跃多模聚合物光纤和光源模块1相连，多模光纤传感器2输出端经阶跃多模聚合物光纤和光电探测器3的输入端相连，光电探测器3的输出端和控制与处理电路4相连。
光源模块1是由半导体发光二极管或半导体激光器、信号发生器和驱动电路构成，且通过驱动电路实现光源的内调制；若以半导体激光器作为光源，则需另外加温度与光功率控制电路。
控制与处理电路4的结构如图4所示，包括信号放大模块5，A/D转换模块6，单片机7，显示模块8和通信模块9。信号放大模块5的输入端作为控制与处理电路4的输入端，信号放大模块5的输出端与A/D转换模块6的输入端连接，A/D转换模块6的输出端与单片机7的第一IO口相连，显示模块8与单片机7的第二IO口相连，通信模块9与单片机7的串行或者并行通信端口相连。其中单片机(CPU)7可选用STC 89C5单片机，A/D转换模块6可选用ADC084芯片，显示模块8可选用OCMJ4X8C-3液晶，通信模块9可选用74LS165移位寄存器。
实施例2不同类型微孔结构的多模光纤传感器2
图5、6、7、8分别给出多模光纤传感器2上的微孔排列位置的示意图。
图5是单微孔的剖面图，在多模光纤传感器2上只有1个微孔；阶跃多模聚合物光纤的中心轴垂直纸面，微孔的轴线在纸面上，两轴垂直相交。
图6是相邻微孔轴线相互平行的排列示意图，各微孔整齐的排成一列。图6给出的3个微孔轴线平行且方向垂直纸面，而阶跃多模聚合物光纤的中心轴平行于纸面，两轴垂直相交。
图7是相邻微孔轴线相互垂直的排列示意图，相当于有两排微孔，两排微孔的轴线相互垂直。图7给出4个水平轴向的微孔和3个竖直轴向的微孔的排列的情况，水平轴向的微孔与竖直轴向的微孔相间排列。
图8是相邻微孔轴线相互平行和相互垂直的混合微孔结构的排列示意图，在两个水平轴向的微孔之间可以有0～4个竖直轴向的微孔。图8给出的是在2个水平轴向的微孔之间有1个或0个竖直轴向的微孔，而在2个竖直轴向的微孔之间有2个水平轴向的微孔。
当微孔的个数为0或1时，待测液体进入多模光纤传感器2较少，影响折射率的检测灵敏度；当微孔的个数太多时，在多模光纤传感器2传输的光会有较多的损失也影响折射率的检测灵敏度，甚至探测不到光信号。本发明优选微孔的个数为2～5个混合微孔结构。
图9给出具有2个轴向相互垂直的微孔的多模光纤传感器2的液体折射率与光透射功率的标准关系曲线。
实施例3本发明装置的工作方式
经内调制后的光源辐射光经过阶跃多模聚合物光纤进入多模光纤传感器2(即，光纤微孔区)和光电探测器3，当多模光纤传感器2的微孔置入待测液体时，多模光纤传感器2处的光波功率的大小与微孔中介质(待测液体)的折射率相关，当微孔内注入的液体折射率较大时，光纤中传输的光功率损耗就会较少，探测到的光纤中的光波功率随微孔内液体折射率的增大而增大；当微孔内注入的待液体折射率较小时，光纤中多模光纤传感器2处传输的光波功率衰减就会较大，导致光电探测器接收到的光波功率随微孔内液体折射率的减小而减小。由光电探测器3实施光电变换后的电信号经信号放大模块5放大并输入至A/D转换模块6，A/D转换模块6将放大的信号转换成数字信号输入到单片机(CPU)7，计算出相应的液体折射率，最后通过显示模块8显示。
本发明能够测量液体折射率的关键在于：阶跃多模聚合物光纤经过打微孔后，光经过微孔时，滴定不同的液体或不同浓度的同一液体后，相对于不同的折射率，光功率损耗呈线性变化。这种基于微孔结构的光纤传感器操作简单、线性度好、测量范围大、灵敏度高，可实现液体折射率在1.333～1.475范围内的测量，且灵敏度达到21.00dB/RIU，具有很高的应用价值。
Claims (7)
1.一种微孔阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感装置，结构有光源模块(1)、光纤传感器、光电探测器(3)和控制与处理电路(4)，光纤传感器的输入端经聚合物光纤与光源模块(1)相连，光纤传感器输出端经聚合物光纤与光电探测器(3)相连，光电探测器(3)与控制与处理电路(4)相连；其特征是，所述的聚合物光纤，是阶跃多模聚合物光纤；所述的光纤传感器，是多模光纤传感器(2)，由阶跃多模聚合物光纤的一段构成，在该段光纤上开有柱状的横向穿透光纤的微孔，微孔的轴线与光纤的中心轴垂直相交。
2.根据权利要求1所述的微孔阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感装置，其特征是，所述的微孔，直径为10微米至2.6毫米之间。
3.根据权利要求1或2所述的微孔阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感装置，其特征是，所述的多模光纤传感器(2)，是单微孔的结构。
4.根据权利要求1或2所述的微孔阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感装置，其特征是，所述的多模光纤传感器(2)，相邻微孔的轴线相互平行或相邻微孔的轴线相互垂直的微孔结构。
5.根据权利要求1或2所述的微孔阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感装置，其特征是，所述的多模光纤传感器(2)，相邻微孔的轴线相互平行和相互垂直的混合微孔结构。
6.根据权利要求1或2所述的微孔阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感装置，其特征是，所述的多模光纤传感器(2)，固定在基板上。
7.根据权利要求1或2所述的微孔阶跃多模聚合物光纤液体折射率传感装置，其特征是，所述的控制与处理电路(4)，包括信号放大模块(5)，A/D转换模块(6)，单片机(7)，显示模块(8)和通信模块(9)；信号放大模块(5)的输入端作为控制与处理电路(4)的输入端，信号放大模块(5)的输出端与A/D转换模块(6)的输入端连接，A/D转换模块(6)的输出端与单片机(7)的第一IO口相连，显示模块(8)与单片机(7)的第二IO口相连，通信模块(9)与单片机(7)的串行或者并行通信端口相连；其中单片机(7)选用STC89C5单片机，A/D转换模块(6)选用ADC084芯片，显示模块(8)选用OCMJ4X8C-3液晶，通信模块(9)选用74LS165移位寄存器。
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