CN104034698A - 便携式可更换的光纤spr传感器探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式可更换的光纤SPR传感器探头，该传感器探头包括光纤接口、针头及探测光纤，所述光纤接口前端为光纤、后端为外部设备接口；所述针头由两段套管即前端套管和后端套管构成，所述后端套管套装于所述光纤接口的前端部，所述光纤接口前端的光纤深入至所述前端套管中；所述探测光纤的连接端插设于所述前端套管内部，所述前端套管限位固定所述探测光纤，以使所述探测光纤连接端的切面与所述光纤接口前端的光纤切面对齐接触。本发明的优点是，该传感器探头使用通用型针头和探测光纤，成本低，制备过程简单，可实现量产化；探头上的探测光纤更换方便，通过不同条件的镀膜和修饰，可形成传感器探头组，方便进行多元化的即时实地测量。

Description

便携式可更换的光纤SPR传感器探头

技术领域

本发明属于表面等离子波传感器技术领域，具体涉及一种便携式可更换的光纤SPR传感器探头。

背景技术

表面等离子波共振（Surface Plasma Resonance，SPR）技术是近年来迅速发展起来的用于测量样品折射率变化以监测样品成分和浓度的一项技术，可以在SPR传感器芯片/探头上修饰敏感层使得传感器只对某种物质敏感，以起到在污水或空气中监测特定污染物浓度的目的，并且具有灵敏度较高、成本较低等优点。SPR传感器分为角度、波长、强度和相位调制四种，传统的棱镜SPR传感器通常使用角度调制，由于带有转动部件，故不方便携带。而光纤SPR传感器因为具有测量机构简单、传感部分体积小、抗电磁干扰能力强，可以实时动态监测、远程遥测，以及SPR 信号不易受到外界因素影响等优点受到了广泛的关注。其中又以波长调制型的光纤SPR传感器最为方便，其主要是由光源、Y型光纤、光谱仪和探头组成，不仅携带方便，而且只需将探头插入待测液体或气体中即可完成测量，操作方便。然而，一般的光纤SPR传感器（如申请公布号为CN 102252999 A的专利）的探头在镀膜/修饰后只能进行单一项目的测量，如需测量其他项目，则需要更换探头的光纤和光纤接口，光纤接口与光纤的耦合对接技术难度较大，无论是自行对接还是购买成品都需要较高的成本，难以实现量产。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种便携式可更换的光纤SPR传感器探头，该传感器探头通过在光纤接口套接一可更换的针头，便于插接不同的探测光纤，以在低成本的情况下更换探测光纤对不同项目进行测量。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种便携式可更换的光纤SPR传感器探头，其特征在于所述传感器探头包括光纤接口、针头以及探测光纤，所述光纤接口的前端为光纤、后端为外部设备接口；所述针头由不同管径的两段套管即前端套管和后端套管连接构成，所述后端套管套装于所述光纤接口的前端部，所述光纤接口前端的光纤深入至所述前端套管中；所述探测光纤的连接端插设于所述前端套管内部，所述前端套管的限位固定所述探测光纤，以使所述探测光纤连接端的切面与所述光纤接口前端的光纤切面对齐接触，其中所述切面均为抛光切面。

所述探测光纤与所述光纤接口上的光纤为同一规格。

所述探测光纤的长度大于所述前端套管的长度。

所述探测光纤的连接端具有外包层，所述外包层长度不小于所述前端套管的长度，所述探测光纤的剩余裸露段上镀有金属膜，在所述探测光纤的前端切面上沉积有一层金属膜作为微反射镜。

所述探测光纤上的外包层外径与所述前端套管内径相适配。

本发明的优点是，该传感器探头使用通用型针头和探测光纤，成本较低，制备过程简单，可实现量产化；且探头上的探测光纤更换方便，通过不同条件的镀膜和修饰，可形成传感器探头组，方便进行多元化的即时实地测量。

附图说明

图1为本发明中传感器探头的结构示意图；

图2为本发明中的探测光纤的结构示意图；

图3为本发明中光纤传感器系统示意图；

图4为本发明中传感器探头测得的不同浓度酒精的SPR共振光谱图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-4，图中标记1-11分别为：探测光纤1、针头2、光纤接口3、前端套管4、后端套管5、金属膜6、外包层7、表面等离子体波8、金属膜9、光纤10、接口11。

实施例：本实施例利用SPR效应，以及光在光纤中的传播原理，制作出一种便携式、可方便进行拆卸和更换的光纤SPR传感器探头。

如图1、2所示，光纤SPR传感器探头由探测光纤1、光纤接口3以及连接两者的针头2组成，针头2为具有多段不同管径的套管，即前端套管4和后端套管5，两者为一体连接结构；后端套管5套接固定于光纤接口3上，且后端套管5的尺寸与光纤接口3的尺寸相匹配，光纤接口3具体由位于前端的光纤10和位于后端的sma905接口11构成，光纤10深入至前端套管4中；探测光纤1插设于针头2的前端套管4中，两者尺寸相互匹配，在前端套管4的限位固定下，探测光纤1的后端切面同光纤接口3上的光纤10的切面对齐接触，实现光纤切面之间的良好对接，同时两者的切面均经过抛光处理，故光线可顺利穿过光纤10与探测光纤1的接触面到达探测光纤1中；探测光纤1的长度大于针头2的前端套管4的长度，使探测光纤1的前端部露于针头2之外便于深入待测液体进行探测。

如图2所示，探测光纤1的连接段具有外包层7，外包层7的长度略大于前端套管4的长度，探测光纤1的其余部分为裸露光纤，在裸露光纤部分镀上一层50nm厚的金属膜6，并在其前端切面上沉积一层500nm厚的金属膜9作为微反射镜。需要说明的是，探测光纤1与光纤10必须是同一规格的，包括芯径、外包层直径、折射率、数值孔径、工作范围都必须保持一致；且探测光纤1和光纤10上的外包层外径应与针头2的前端套管4相适配，即外包层外径应略小于前端套管4内径，以方便使探测光纤1同光纤10对接并被夹紧限位，两者对接的好坏直接影响光强损耗的大小；光纤接口3前端的光纤10长度应足够长，以便其插入针头2的前端套管4中。

如图3所示，光纤SPR传感器探头安装于光纤传感器系统中，该光纤传感器系统包括一个光源（带有一个偏振片插槽、300 nm至1500 nm波长范围）、一个Y型光纤（600微米芯径、数值孔径0.37，折射率1.46，多模，阶跃型，工作范围300-1200nm）、一个光纤SPR传感器探头（横截面镀银膜300nm，侧面镀银膜50 nm）、一个光谱仪、和一台计算机；其中光纤SPR传感器探头与Y型光纤的一端连接，而Y型光纤的另两端则分别与光源和光谱仪连接，光谱仪与计算机连接。

如图1、2、3所示，该光纤传感器系统的工作步骤为：

（1）白光从光源出来通过偏振片变成偏振光，之后被耦合至Y型光纤，通过光纤传导至光纤SPR传感器探头；

（2）传导至光纤SPR传感器探头后，光线顺利穿过光纤接口3与探测光纤1的接触面到达探测光纤1中，进而在探测光纤1的前端镀膜处产生SPR现象，并在探测光纤1顶端镜面反射并返回光纤接口3中；需要说明的是，光线在其中传播时，若倏逝波的水平波矢与金属膜6的表面等离子体波8的波矢相匹配，则会产生等离子体波共振效应，使反射光的光强在这一时刻达到最小，因此接收到反射光后在光谱仪上就形成了一个凹谷；

（3）发生等离子体共振之后被反射至Y型光纤，然后被传导至光谱仪进行光谱分析，计算机收集结果。

镀金属膜6的作用是产生表面等离子体共振现象，当入射光从光纤传过来的时候，某个特定波长的光会与金属-环境介质表面的等离子体波产生共振，这个特定波长的光将被吸收；当光被反射经光谱仪和计算机分析后就可以观察到在该波长处出现一个共振吸收峰。该特定波长的位置就取决于环境介质的折射率，这就是SPR传感器的测量原理。而金属膜6的厚度、长度和镀膜质量，是决定传感器质量的重要因素。

为了验证本实施例中装置的有效性，利用光纤传感器系统中的光纤SPR传感器探头对不同浓度的酒精进行浓度检测，检测结果如图4所示，横轴为波长（单位nm），竖轴为光强。

在本实施例中，该光纤SPR传感器探头之所以选择通用型针头，是因为其价格低廉，并且内径刚好与光纤外径吻合，可实现光纤切面之间良好的对接，从而免去了繁琐的光纤对接校准过程；这样既可以实现探头的量产化，测量的便携化，又不影响传感器的灵敏度和正常使用；且该探头更换方便，通过不同条件的镀膜和修饰，可以形成探头组，方便进行多元化的即时实地测量，可实地即时测量污水、空气中各种污染物的浓度。

Claims (5)

1.一种便携式可更换的光纤SPR传感器探头，其特征在于所述传感器探头包括光纤接口、针头以及探测光纤，所述光纤接口的前端为光纤、后端为外部设备接口；所述针头由不同管径的两段套管即前端套管和后端套管连接构成，所述后端套管套装于所述光纤接口的前端部，所述光纤接口前端的光纤深入至所述前端套管中；所述探测光纤的连接端插设于所述前端套管内部，所述前端套管的限位固定所述探测光纤，以使所述探测光纤连接端的切面与所述光纤接口前端的光纤切面对齐接触，其中所述切面均为抛光切面。

2.根据权利要求1所述的一种便携式可更换的光纤SPR传感器探头，其特征在于所述探测光纤与所述光纤接口上的光纤为同一规格。

3.根据权利要求1所述的一种便携式可更换的光纤SPR传感器探头，其特征在于所述探测光纤的长度大于所述前端套管的长度。

4.根据权利要求1所述的一种便携式可更换的光纤SPR传感器探头，其特征在于所述探测光纤的连接端具有外包层，所述外包层长度不小于所述前端套管的长度，所述探测光纤的剩余裸露段上镀有金属膜，在所述探测光纤的前端切面上沉积有一层金属膜作为微反射镜。

5.根据权利要求4所述的一种便携式可更换的光纤SPR传感器探头，其特征在于所述探测光纤上的外包层外径与所述前端套管内径相适配。