CN103439293B - 一种锥区微孔单模玻璃光纤液体折射率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤传感的技术领域，具体涉及一种基于锥区微孔结构的玻璃光纤液体折射率传感装置。结构有光源模块（1）、光纤传感探头（2）、光电探测器（3）和控制与处理电路（4）；光纤传感探头（2）是在锥形单模光纤的等腰区开有柱状的横向穿透光纤的密封微孔。光源发出的光经过光纤传感探头后，将携带光纤传感探头（2）处周围液体的折射率信息，经光电探测器探测后转变为电信号，并送入控制与处理电路（4）进行处理，可获得被测液体的折射率。本发明拉锥光纤由常规工艺拉制，锥区微孔采用飞秒激光加工，与传统拉锥光纤传感器相比，具有机械强度高、测量灵敏度高、易于加工等优点。

Description

一种锥区微孔单模玻璃光纤液体折射率传感器
技术领域
本发明属于光纤传感的技术领域，具体涉及一种基于锥区微孔结构的玻璃光纤液体折射率传感装置。
背景技术
随着科学技术的发展，液体折射率的测量对于很多领域具有重要的意义，比如化学中的溶液浓度测量、生物化学中细菌生长的实时监测、环境监测中水质检验等都需要对液体折射率进行测量，甚至在饮料工业方面也需要检测液体折射率。
光纤因其质轻、光信号损耗小、传输容量大等特点使其在液体折射率测量中得到了重要的应用。实现液体折射率测量的光纤传感技术主要有光纤光栅传感器、光纤镀膜传感器、F-P腔传感器和拉锥光纤传感器等。而在各种光纤传感器中，拉锥光纤传感器因其容易加工、测量灵敏等优点被广泛应用于液体折射率的测量。液体折射率测量的灵敏度主要取决于锥区光纤的尺度，锥区光纤的长度越长，直径越细，液体折射率的测量就越灵敏。为了获得较高的测量精度，锥形光纤需要拉制成又细又长的细丝，但过于细长的光纤极易折断，因而限制了拉锥光纤传感器的实用化以及液体折射率测量灵敏度的进一步提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有拉锥光纤传感器的不足，提供一种测量灵敏度高、机械强度较大、实用化的液体折射率传感器。它利用光纤锥区的微孔结构来实现纤芯与包层的功率转移，避免了需要通过细长的锥区来增加芯包之间功率转换的目的，因而利用常规拉制光纤工艺及飞秒激光加工技术就可实现。
上述的要解决的技术问题通过以下的技术方案实现：
一种锥区微孔单模玻璃光纤液体折射率传感器，结构有光源模块1、光纤传感探头2、光电探测器3和控制与处理电路4，光纤传感探头2的输入端经光纤与光源模块1的光输出端相连，光纤传感探头2输出端经光纤与光电探测器3的输入端相连，光电探测器3的输出端与控制与处理电路4的输入端相连；其特征在于：所述的光纤传感探头2是由锥形单模光纤构成，在锥形单模光纤的等腰区开有一个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，微孔需要密封。
所述的密封，可以是在微孔的两端密封，使密封后的微孔在光纤的拉锥区形成一封闭空气微腔。可以使用704硅胶密封。
锥区微孔单模玻璃光纤液体折射率传感器中的光纤传感探头2的参数如下：
（1）所述的单模光纤，符合ITU-TG.652规范。
（2）所述的锥形单模光纤，其锥区直径小于50微米。
（3）所述的微孔可以处于等腰区的任意位置，处于等腰区和锥区交界处效果最佳，微孔直径小于25微米。
本发明中，所述的光源模块1为C波段的半导体光源（半导体激光器或半导体发光二极管等模块），利用信号源发出一定频率的方波信号，通过驱动电路实现光源的直接调制，所述的驱动电路可参见《光纤通信原理与系统》，第四版，张明德等编著，东南大学出版社，117-120页。
本发明中，所述的光纤传感探头2，是由具有微孔结构的单模拉锥光纤构成，拉锥光纤可通过光纤熔接机、火焰加热或CO2激光器进行拉制；微孔结构是利用飞秒激光在拉锥光纤的锥形区进行加工制成，所形成的柱状微孔穿透光纤并且轴向垂直于光纤中心轴，微孔需要密封。加工好的单模光纤传感探头2可以固定在基板上，以免外界环境变化导致光纤探头变形产生测量误差。
本发明中，所述的光电探测器3，是接收光信号并把光信号转换为电信号的光电管、光电倍增管或光电二极管等常见器件。
本发明中，所述的控制与处理电路4，具体结构包括信号放大模块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的输入端与单片机7的第二IO口相连，通信模块9与单片机7的串行或并行通信端口相连；其中信号放大模块5选用OP184运算放大器芯片，A/D转换模块6选用AD7685芯片，单片机7选用STM32F103单片机，显示模块8选用OCMJ4X8C-3液晶，通信模块9选用MAX232串口芯片。
利用本发明一种锥区微孔单模玻璃光纤液体折射率传感器可精确便捷地测量液体的折射率，具体方法包括以下步骤：
（1）将待测液体滴在光纤传感探头2的锥区，或者将光纤传感探头2浸入待测液体。
（2）利用驱动电路控制半导体光源发出方波，经过光纤传感探头2后，由光电探测器3将检测到的光信号转变成电信号并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，对照标准的液体折射率与光功率关系曲线，就可以给出待测液体的折射率。
本发明的“一种锥区微孔单模玻璃光纤液体折射率传感器”有以下有益效果：利用光纤传感探头锥区部分的微孔来增强光纤纤芯和包层中的功率转移，而不需要通过细长的拉锥光纤来增强芯包的功率转换，这样的好处在于：
1、光纤的拉锥区长度比较短（数百微米）、锥区直径适中（数十微米），因而增强了光纤传感探头的机械强度。
2、与同样拉锥尺度的光纤探头相比，测量灵敏度显著提高，测量灵敏度高达70dB/RIU（见图4）。
3、可以充分利用常规拉锥光纤的工艺进行光纤传感头的加工。
附图说明：
图1是本发明的整体结构框图，其中1为光源模块，2为光纤传感探头，3为光电探测器，4为控制与处理电路。
图2是本发明所述的光纤传感探头2的结构示意图。
图3是一种控制与处理电路4的结构框图，其中5为信号放大模块，6为A/D转换模块（模拟/数字转换模块），7为单片机（CPU），8为显示模块，9为通信模块。
图4是本发明所测量的液体折射率与光功率损耗的关系曲线。其中所用的光纤传感探头2的参数为，锥区长度600微米、锥区直径30微米、微孔直径8微米、微孔处于等腰区和锥区交界处。
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
参照图1，本发明的锥区微孔单模玻璃光纤液体折射率传感器的结构，包括光源模块1，带微孔的锥形单模玻璃光纤传感探头2，光电探测器3，控制与处理电路4。带微孔结构的锥形单模光纤传感探头2的输入端经单模玻璃光纤与带尾纤的光源模块1相连，带微孔的锥形单模光纤传感探头2的输出端经单模玻璃光纤与带尾纤的光电探测器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的输入端相连。
光源模块1是由C波段的半导体光源、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。
参见图2，光纤传感探头2是由锥形单模光纤（即拉锥光纤）构成，在锥形单模光纤的等腰区开有一个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，使用704硅胶密封微孔两端使其在光纤的拉锥区形成一空气微腔。
控制与处理电路4的结构如图3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的输入端相连，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的串行或并行通信端口相连。其中信号放大模块5选用OP184运算放大器芯片，A/D转换模块6选用AD7685芯片，单片机7选用STM32F103单片机，显示模块8选用OCMJ4X8C-3液晶，通信模块9选用MAX232串口芯片。
实施例2本发明装置的工作方式
经内调制后的光源辐射光经尾纤进入光纤传感探头2和光电探测器3，光电探测器3所接收的光功率与光纤探头周围介质的折射率相关。当光纤传感探头2的锥形区浸入待测液体时，如果待测液体的折射率大，光纤探头中的功率损耗就会增加；如果待测液体的折射率变小，光纤探头中的功率损耗就会减小。也就是说光电探测器3探测到的光功率随待测液体折射率的变化而变化。由光电探测器3进行光电转换后得到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单片机7，单片机7计算出相应的液体折射率，最后通过显示模块8给出实际液体折射率的测量值。在所述的光纤传感探头2的参数为锥区长度600微米、锥区直径30微米、微孔直径8微米、微孔处于等腰区和锥区交界处条件下，光电探测器3探测到的光功率损耗随待测液体折射率的变化而变化的关系曲线，如图4所示。

Claims (6)

1.一种锥区微孔单模玻璃光纤液体折射率传感器，结构有光源模块(1)、光纤传感探头(2)、光电探测器(3)和控制与处理电路(4)，光纤传感探头(2)的输入端经光纤与光源模块(1)的光输出端相连，光纤传感探头(2)输出端经光纤与光电探测器(3)的输入端相连，光电探测器(3)的输出端与控制与处理电路(4)的输入端相连；其特征在于：所述的光纤传感探头(2)是由锥形单模光纤构成，在锥形单模光纤的等腰区开有一个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，微孔需要密封；所述的密封，是在微孔的两端密封，使密封后的微孔在光纤的拉锥区形成一封闭空气微腔。
2.根据权利要求1所述的锥区微孔单模玻璃光纤液体折射率传感器，其特征在于所述的单模光纤，符合ITU-TG.652规范。
3.根据权利要求1所述的锥区微孔单模玻璃光纤液体折射率传感器，其特征在于所述的锥形单模光纤，其锥区直径小于50微米。
4.根据权利要求1所述的锥区微孔单模玻璃光纤液体折射率传感器，其特征在于所述的微孔是处于等腰区和锥区交界处的，直径小于25微米。
5.根据权利要求1所述的锥区微孔单模玻璃光纤液体折射率传感器，其特征在于所述的光纤传感探头(2)，固定在基板上。
6.根据权利要求1所述的锥区微孔单模玻璃光纤液体折射率传感器，其特征在于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)的输入端与单片机(7)的第二IO口相连，通信模块(9)与单片机(7)的串行或并行通信端口相连；其中信号放大模块(5)选用OP184运算放大器芯片，A/D转换模块(6)选用AD7685芯片，单片机(7)选用STM32F103单片机，显示模块(8)选用OCMJ4X8C-3液晶，通信模块(9)选用MAX232串口芯片。
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