CN103827643B - 用于倏逝波光纤光学传感器的头部 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于传感器的头部（500），其中传感器包括两段光纤，该两段光纤使红外光在至少一个红外波长传播并向外侧生成用于检测外部媒介的红外特征的倏逝波，所述头部（500）包括：-形成弯曲部分（15）的光纤，该弯曲部分（15）用于连接两段光纤，并用于与外部媒介接触，以检测与沿光纤传播的倏逝波的传播相干扰的红外特征；以及-用于保护弯曲部分（15）免受外部机械应力并且保证位于外部媒介与所述弯曲部（15）之间的接触区域（30）的装置（504、506）。

Description

用于倏逝波光纤光学传感器的头部
本发明涉及用于传感器的头部，其中传感器包括使红外光能够在至少一个红外波长传播并向外侧生成用于检测外部媒介的红外特征的倏逝波的光纤。本发明还涉及具有这种头部的传感器以及使用这种传感器的光谱测定系统。
在过去几年中，光纤的发展已使得用于实施具体的红外光谱测定技术的传感器得到发展，其独创性涉及当光纤中具有红外光流通过时在光纤的外部表面上存在行进的倏逝波。这些传感器的原理为在光纤中发射红外波。该红外波在光纤内沿光纤传播；当外部媒介与该光纤接触时，波的传播被外部媒介干扰，以使得波的某些波长由外部媒介吸收。然后，这足以比较发射的波的红外谱与接收的波的红外谱，以推断被吸收的波长，以及因此推断外部媒介中包含的物质。
在现有技术中，该技术被称为术语FEWS（英文为FibreEvanescentWaveSpectrometry（光纤倏逝波光谱测定法））。该技术的优点在于，偏置光谱仪的红外信号至分析站而不是相反的，首先允许实时现场分析；其次，通过取样避免歪曲结果。
FEWS技术可用于的多个领域如医学或食品，以分析在光纤外部的液态、固态或者气态媒介中的化学或生物物质。
图1示出了通常用于实施FEWS技术的倏逝波光纤光学传感器10的示例。
传感器10包括一个（或甚至更多）倏逝波光纤。下文中，将考虑传感器10具有一个的传感器的情况，但这并不是对本发明的范围进行限制。
传感器10具有保护套24、连接件20和头部22。
保护套24具有穿过其中的光纤，光纤包括两段光纤11和12，以及弯曲部分，其中两段光纤11和12的功能为将红外波从发射点导引至接收点，弯曲部分15用于连接两个光纤段11和12。
弯曲部分15安装在头部22上并可成多种形式。例如，其可成弯头或蜿蜒形式，或成具有一个或多个转弯的任何卷绕形式。图1高度示意性示出了弯曲部分15成包括多个转弯的卷绕形式。
该弯曲部分15可与两段11和12在连接件200处断开。头部22包括连接件20的一部分，连接件20的该一部分适于插至连接件20的存在于传感器10的保护套24上另一部分上。然后，在例如在传感器10的使用过程中该部分受损的情况下，可容易地替换传感器10的头部22。
因此，两段光纤11和12容纳在保护套24中，并且弯曲部分15至少部分地突出超过保护套24。该弯曲部分15旨在与外部媒介接触，以检测与沿着光纤传播的倏逝波的传播相干扰的红外特征。
可由多种材料尤其是玻璃制造倏逝波光纤，玻璃提供红外域中的光谱窗，具体是约从40cm-1延伸至5000cm-1的中红外域、或者约10cm-1至400cm-1的远红外域。该倏逝波光纤具有数百或甚至数十微米的直径。该直径沿光纤不必是恒定的，并且光纤的某些部分可具有更小的直径，具体是在弯曲部分15处。
硫系玻璃（Chalcogenideglass）是用于制造这种光纤的材料中的一种。具体基于硫、硒和/或碲的这些玻璃的一个优点在于，其允许红外中宽波长范围的光通过，利用例如传统的氧化玻璃就不是这样的情况。此外，材料的玻化性质使其能够制造光纤。最后，该材料的化学键的性质使其具有疏水性，当其在如生物样本的富含水的媒介中被用作传感器时这是有利的。
然而，倏逝波光纤光学传感器具有使用具有相对小直径的玻璃纤维的缺点。
因为传感器的敏感部分必须与被研究的媒介直接接触，所以被研究的媒介必须是无遮蔽的并暴露至外部元件。由于所使用材料的相对易碎性以及这些光纤的小直径，因此使弯曲部分15遭受破坏。然后，当前的解决方法是在损坏的情况下更换弯曲部分15，这涉及到这些传感器的长期维护成本，而长期维护成本将非常高。
本发明所解决的问题是提出一种头部，其增大倏逝波光纤光学传感器的光纤的弯曲部分15的机械强度。
为此，本发明提出了一种用于传感器的头部，其中传感器包括两段光纤，这两段光纤用于使红外光在至少一个红外波长传播并向外侧生成用于检测外部媒介的红外特征的倏逝波，所述头部包括：
形成弯曲部分的光纤，所述弯曲部分旨在连接两段光纤（11、12）并与外部媒介接触，以检测与沿光纤传播的倏逝波的传播相干扰的红外特征；以及
旨在保护弯曲部分免受外部机械应力并且保证位于外部媒介与弯曲部分之间的接触区域的装置。
根据第一实施方式，当外部媒介为固态时，头部还包括旨在将力从弯曲部分施加到接触区域处的外部媒介上的装置。
有利地，光纤的弯曲部分包括转弯，并且用于施加力的装置为在转弯中滑动的轴。
有利地，轴的曲率半径比转弯的曲率半径小10%，并且轴的曲率半径被设计成防止光纤的任何切变。
有利地，用于保护弯曲部分的装置包括U形夹，上述轴被设置成穿过该U形夹。
根据第二实施方式，当外部媒介为液态时，旨在保护弯曲部分的装置包括第一板和第二板，弯曲部分位于第一板与第二板之间，第一板包括旨在允许液态外部媒介在板之间的流动的流道。
有利地，上述第二板包括柱，并且光纤的弯曲部分包括卷绕在柱周围的转弯。
有利地，上述柱定位成面对流道的开口。
有利地，每个板具有两个突起，每个突起被设计成与另一板上的突起相对，并且弯曲部分的一个端部容纳在每对突起之间。
根据一种变型，至少一个板包括可被加工以在两个不同方向上形成支承表面的肋状件。
根据另一种变型，每对突起包括可被加工以在两个不同方向上形成支承表面的肋状件和面。
本发明还提出了一种传感器，其包括：
-保护套，包围两段光纤，这两段光纤使得红外光能够在至少一个红外波长上传播并向外侧生成用于检测外部媒介的红外特征的倏逝波；
-根据前面的实施方式的头部；以及
-连接件，将头部固定至保护套上。
本发明还提出了一种光谱测定系统，其包括：根据前面的实施方式的传感器。
结合附图，通过阅读以下示例性实施方式的描述，本发明的上述特征以及其他特征将更清楚显现，在附图中：
图1示出了倏逝波光纤光学传感器的示例；
图2示意性示出了使用倏逝波光纤的偏移光谱测定系统；
图3和图4示出了根据本发明第一实施方式的用于保护旨在与外部媒介接触的光纤的弯曲部分的头部；
图5和图6示出了根据本发明另一实施方式的头部；
图7和图8示出了根据本发明的用于传感器的头部的布置细节；
图9和图10示出了根据本发明的用于传感器的另一头部的布置细节。
图2的系统旨在实施如引言部分描述的FEWS技术。该系统包括传感器10，传感器10包括参照图1描述的倏逝波光纤。具体地，该传感器10包括至少一个光纤，该至少一个光纤用于使红外光在至少一个红外波长传播并向外侧生成用于检测外部媒介的红外特征的倏逝波。光纤在其长度上包括：用于导引红外波的两段光纤11和12，以及用于连接这两个光纤段的弯曲部分15。弯曲部分15旨在与外部媒介接触，以检测与沿光纤传播的倏逝波的传播相干扰的红外特征。为此，弯曲部分15例如被浸入在包括待分析液体的样本的试样中。
该系统还包括光谱仪SPEC，其通过集线器与传感器10的光纤的第一端26连接，以发射红外波长信号。
传感器10的光纤的第二端部28通过集线器与红外检测器DET连接，以接收通过光纤段11和光纤段12以及弯曲部分15从第一端部26发射至第二端部28的红外信号。检测器DET与放大器AMP连接，放大器AMP用于通过检测器DET接收的信号。被放大的信号然后被发送至光谱仪SPEC，光谱仪SPEC包括信号处理单元UT（或与信号处理单元UT相关），信号处理单元UT用于比较在第二端部28处接收到的红外信号的光谱与在第一端部26处发射的红外信号的光谱。这种比较使得能够评估由样本或更一般地说由位于传感器10的弯曲部分15上的外部媒介贡献的干扰。
在本发明的背景下，利用如下所述的根据本发明的传感器100（也就是说，具有特殊头部）实施光谱测定系统。
图3示出了头部300的立体图，以及正视图、侧视图和俯视图。头部300携带光纤的弯曲部分15，并包括：用于将力从弯曲部分15施加到接触区域30处的外部媒介S（在这种情况下外部媒介S为固态，如人体组织）的装置；以及用于保护光纤的弯曲部分15免受外部机械应力并保证位于外部媒介与光纤的弯曲部分15之间的接触区域（图4中的30）的装置。
在图3的情况下，用于施加力的装置包括轴302。图4示出了施加力的原理。当操作者通过保护套24握持传感器100并通过施加轻微的压力使光纤的弯曲部分15与外部媒介接触时，轴302将该力传递至光纤的弯曲部分15，这里由竖直箭头来表示。光纤的该弯曲部分15然后在轴302与媒介S之间受压力作用，因此增大了通过媒介S的物质对在光纤中循环的流动的某些波长的吸收，倏逝波区域位于光纤外侧数微米的周边中。
可存在除轴302以外的机械组件，只要这些装置能够将由操作者作用的力传递至光纤的弯曲部分15，然后使光纤的弯曲部分15与外部媒介S接触。
根据具体的实施方式，光纤的弯曲部分15包括转弯，以及轴302在该转弯内滑动。光纤的弯曲部分15在转弯中的卷绕增大了光纤与外部媒介接触的表面积。
优选地，轴302的曲率半径R1比转弯的半径R2小10%，并且轴302的曲率半径R1被设计成防止光纤的任何切变。
因为其免除了差异膨胀的问题，所以该实施方式是有利的。
根据图3，用于保护光纤的弯曲部分15的装置为具有贯穿轴302的U形夹304。轴302延伸通过U形夹304并在转弯内滑动。显然也可使用其他形式的具有贯穿轴的U形夹。U形夹304还可包括连接件20的一部分。而该连接件20的其他部分被固定至例如套24，光纤段11和12容纳在套24中。
U形夹304因此形成用于传感器100的头部22，并且该U形夹304能够可移除地与套24连接，以使得在发生故障的情况下替换传感器100的该头部22。
图5示出了根据本发明的头部500的正视图、俯视图和侧视图，图6示出了头部500在外部媒介（在这种情况下外部媒介为液态）的流动中的使用原理。
因为与当光纤被浸泡在媒介中时通常的浸渍相比，外部媒介在光纤的弯曲部分15上方的流动提供了光纤与该媒介的物质更好的浸渍，所以该实施方式是特别有利的。
传感器100的头部500包括用于提供光纤的弯曲部分15与外部媒介的流动的接触的装置。
光纤的弯曲部分15包括卷绕在头部500的柱502周围的转弯，其中柱502相对于液体的流动保持在固定位置。光纤的弯曲部分15在转弯中的卷绕增加了光纤与外部媒介接触的表面积。
优选地，柱502的曲率半径R1比转弯的半径R2小10%，并且柱502的该曲率半径R1被设计成防止光纤的任何切变。
因为其免除了差异膨胀的问题，所以该实施方式是有利的。
头部500包括用于保护光纤的弯曲部分15免受外部机械应力并保证位于外部媒介与光纤的弯曲部分15之间的接触区域30的装置。
用于保护光纤的弯曲部分15的装置此处由两个板504和506表示。板504包括使液体能够在两个板504与506之间流动（两个弧形箭头表示该流动）的流道508；另一个板506包括柱502。两个板504和506相对于彼此被保持就位，以使得柱502定位成面对流道508的开口。
除本文中示出的形式外，板504和506可具有其他形式。
板504和506还可包括连接件20的一部分。该连接件的另一部分被固定至保护套24。因此，这些板504和506形成可移动的传感器100的头部500。
本文通过示例的方式，给出了用于保护旨在与外部媒介接触的光纤的弯曲部分的装置的实施方式，这些实施方式绝不是以任何方式对限制本发明的范围进行限制。可设想这些装置的任何其他变型实施方式，而且可设想任何其他机械组件，只要这些机械组件保护光纤的该弯曲部分免受外部机械应力并且保证位于外部媒介与光纤的上述弯曲部分之间的接触区域。具体地，当外部媒介为气态时，可由出现在该弯曲的光纤部分上的穿孔的管表示这些装置。
图7和图8示出了当被定位成与连接件20和保护套24成线以形成根据本发明的传感器100时的头部500。并未示出用于固定头部500的装置，并且其可以采用任何合适的形式。在本实施方式中，弯曲部分15的端部设置在头部500的同一面上。
图9和图10示出了当被定位成与连接件20和保护套24成线以形成根据本发明的传感器100时的根据另一实施方式的头部900。并未示出用于固定头部500的装置，并且其可采用任何合适的形式。头部900还具有流道508和柱502，但是弯曲部分15的端部在直径方向上相反。
弯曲部分15的每个端部被容纳在包括两个突起的鞋状件702、902中，每个突起从板504和板506之一突起。弯曲部分15的端部因此位于两个突起之间，每个突起从板504和板506之一突起。每个板504、506具有两个突起，每个突起被设计成与另一板506、504上的突起相对，弯曲部分15的一个端部容纳在每对突起之间。
每个鞋状件702、902的面能够被加工，以产生良好的接触表面并在与对应段11、12的连结部分产生良好的红外光传播，其中通过每个鞋状件702、902的该面能够接近弯曲部分15的端部。
在图7和图8的情况下，通过产生在板504个506的外部表面上的两个肋状件704保证弯曲部分15的端部相对于段11和12的端部的正确定位。肋状件704抵靠连接件20的壁并可被加工成改进定位。因此，没有必要加工每个板504、506的整个表面，而仅加工相关的肋状件704。
在图7和图8中示出的本发明的实施方式中，每个板504、506具有两个肋状件704，但是如果仅一个板（此处为板506）待用于实现相对于连接件20的定位，则仅该板506携带肋状件704。
还通过横向肋状件706提供弯曲部分15的端部相对于段11和12的端部的正确定位，横向肋状件706这里通过两个板504和506的连结部分产生并还可加工成与连接件20的另一壁相接触。
概括地讲，至少一个板504、506包括肋状件704和706，其可加工成在两个不同方向上形成支承表面，以相对于段11和12的端部合适地定位弯曲部分15的端部。
肋状件704、706具有比板504、506的表面小的支承表面，其中肋状件704、706从板504、506突起。
在图9和图10的情况下，通过两个肋状件904提供弯曲部分15的端部相对于段11和12的端部的正确定位。每个肋状件904产生在每个鞋状件902的面上，并且这两个面是共面的。肋状件904抵靠连接件20的壁并可加工成改进定位。
还通过两个面906提供弯曲部分15的端部相对于段11和12的端部的正确定位。每个面906产生在每个鞋状件902的面上，并且这里这两个面是共面的且与携带肋状件904的面垂直。每个面906还可加工成与连接件20的另一壁相接触。
概括地讲，每个鞋状件902（也就是说，每对突起）包括肋状件904和面906，肋状件904和面906可加工成在两个不同方向上形成支承表面，以相对于段11和12的端部合适地定位弯曲部分15的端部。
肋状件904和面906具有比板504、506的表面小的支承表面。

Claims (7)

1.一种用于传感器(100)的头部(500、900)，其中所述传感器(100)包括两段光纤(11、12)，所述两段光纤(11、12)用于使红外光在至少一个红外波长传播并向外侧生成用于检测外部媒介的红外特征的倏逝波，所述头部(500、900)包括：
-形成弯曲部分(15)的光纤，所述弯曲部分(15)旨在连接所述两段光纤(11、12)并与所述外部媒介接触，以检测与沿所述光纤传播的所述倏逝波的传播相干扰的所述红外特征；以及
-旨在保护所述弯曲部分(15)免受外部机械应力并保证位于所述外部媒介与所述弯曲部分(15)之间的接触区域(30)的装置(504、506)，
-旨在保护所述弯曲部分(15)的所述装置(504、506)包括第一板(504)和第二板(506)，所述弯曲部分(15)位于所述第一板(504)与所述第二板(506)之间，所述第一板(504)包括旨在允许液态外部媒介在所述板(504、506)之间的流动的流道(508)，
其特征在于，每个所述板(504、506)具有两个突起，每个所述突起被设计成与位于这两个板中的另一个板(506、504)上的所述突起相对，以及所述弯曲部分(15)的一个端部被容纳在每对所述突起之间。
2.根据权利要求1所述的头部(900)，其特征在于，每对所述突起包括肋状件(904)和面(906)，所述肋状件(904)和所述面(906)可被加工，以在两个不同方向上形成支承表面。
3.根据权利要求1所述的头部(500)，其特征在于，至少一个所述板(504、506)包括可被加工以在两个不同方向上形成支承表面的多个肋状件(704、706)。
4.根据权利要求1所述的头部(500，900)，其特征在于，
所述第二板(506)包括柱(502)，以及
所述光纤的所述弯曲部分(15)包括卷绕在所述柱(502)周围的转弯。
5.根据权利要求4所述的头部(500，900)，其特征在于，所述柱(502)被定位成面对所述流道(508)的开口。
6.一种传感器(100)，包括：
-保护套(24)，包围两段光纤(11、12)，所述两段光纤(11、12)用于使红外光在至少一个红外波长传播并向外侧生成用于检测外部媒介的红外特征的倏逝波；
-根据权利要求1的头部(500、900)；以及
-连接件(20)，将所述头部(500、900)固定在所述保护套(24)上。
7.一种光谱测定系统，其特征在于，所述光谱测定系统包括根据权利要求6的传感器(100)。
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