CN104251847A - 一种荧光法光纤传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种荧光法光纤传感系统，包括LED光源、耦合透镜、短波通滤光片、传输光纤、荧光感应材料、光电探测器，所述LED光源发出的光通过所述耦合透镜耦合到所述传输光纤的输入端，所述短波通滤光片放置在所述耦合透镜和所述传输光纤之间，并与所述耦合透镜的中心轴线成大约45度角，所述荧光感应材料直接设置在所述 传输光纤的输出端面上，在所述传输光纤的输出端输出的光照射到所述荧光感应材料上，发出的荧光被所述传输光纤的输出端接收，通过测定所接收到的荧光的强弱可以检测作用于所述荧光感应材料上的物质的浓度等物理或化学参数。所述传输光纤的输出端面可以是平面的、或斜面的、或弧形的、或其他形状。

Description

一种荧光法光纤传感系统
技术领域
本发明属于光电传感领域，特别是一种利用不同物质对荧光光谱的影响效应，和采用光纤作为光信号媒介来实现对物质的物理或化学性能探测的荧光法光纤传感系统。 
  
背景技术
荧光法传感原理是把能发荧光的分子与一个能够识别某一个检测参数的分子通过化学方法连接到一起形成用于传感的荧光感应材料。通常将荧光感应材料涂在一个透明材料上，用一个具有一定带宽的光源透过透明材料去激发荧光感应材料使其产生一定的荧光，当被检测物存在于被检测的样品时，通过被检测物与识别分子相互作用，引起荧光的淬灭或增强。荧光强度就与被测物质的浓度有关。通过测定荧光强度就能够算出被测物质的含量。由于现代光纤技术的发展，使得光在光纤中的传输的损耗大大降低，因此，采用光纤来传输传感光信号可以实现远距离的传感检测。另外，光纤还有体积小，重量轻，光信号不受电磁干扰，耐腐蚀和高温等优点，因此，特别适用于窄小空间和恶劣环境中的传感检测。 
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用单一传输光纤既作为光源又作为被激发的荧光的传输光纤，并将荧光感应材料直接设置在传输光纤的一个端面上，使得传感系统的结构简单，传感头的尺寸小，特别适用于窄小空间的传感检测。将所述传输光纤的输出端面设置成平面、或斜面、或弧形、或其他形状用以改变荧光感应材料的感光面积以及激发光的传输特性和从荧光感应材料产生的荧光在传输光纤中的传输特性,从而提高传感系统的性能。由于光纤的低损耗特点，可以实现远距离的传感检测。 
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案实现的： 
一种荧光法光纤传感系统，包括LED光源、耦合透镜、短波通滤光片、传输光纤、荧光感应材料、光电探测器，所述LED光源发出的光通过所述耦合透镜耦合到所述传输光纤的输入端，所述短波通滤光片放置在所述耦合透镜和所述传输光纤之间，并与所述耦合透镜的中心轴线成大约45度角，所述荧光感应材料直接设置在所述传输光纤的输出端面上，在所述传输光纤的输出端输出的光照射到所述荧光感应材料上，发出的荧光被所述传输光纤的输出端接收，并由该光纤的输入端输出后，被所述短波通滤光片反射，并由所述光电探测器接收，通过测定所接收到的荧光的强弱可以检测作用于所述荧光感应材料上的物质的浓度等物理或化学参数，所述传输光纤的输出端面是平面的、或斜面的、或弧形的、或其他形状。
而且，所述LED光源的中心波长比荧光感应材料所发出的荧光波长短。 
而且，所述短波通滤光片对所述LED光源发出的光具有高透过率；所述短波通滤光片对所述荧光感应材料发出的荧光具有高反射率。 
而且，所述传输光纤是一种单模或多模光纤。 
而且，所述光电探测器与所述荧光感应材料发出的荧光光谱具有基本相同的光谱范围。 
本发明的优点和有益效果为： 
1. 本荧光法光纤传感系统采用单一传输光纤既作为光源又作为被激发的荧光的传输光纤，并将荧光感应材料直接设置在传输光纤的一个端面上，使得传感系统的结构简单，传感头的尺寸小，特别适用于窄小空间和远距离的传感检测。将所述传输光纤的输出端面设置成平面、或斜面、或弧形、或其他形状可以改变荧光感应材料的感光面积和/或改变从荧光感应材料产生的荧光在传输光纤中的传输特性,从而提高传感系统的性能。
2.本荧光法光纤传感系统，结构简洁，尺寸小，设计合理，成本低。 
附图说明
图1为本发明的示意图； 
图2为LED光源的输出光谱示意图；
图3为荧光感应材料所发出的荧光光谱示意图；
图4为短波通滤光片的透射光谱示意图；
图5为传输光纤的输出端面的三种不同形状。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。 
图1为本发明的一个示意图，LED光源2发出的光束4由耦合透镜6聚焦，透过短波通滤波器10，耦合到传输光纤14的输入端口12中，并在传输光纤12的输出端口16输出后，成为照射到直接设置在传输光纤12的输出端口16表面的荧光感应材料18上的激发光，使其产生荧光，荧光感应材料18产生的荧光是一种发散的光，其部分反射荧光被传输光纤12的输出端口16接收，并由端口12输出，经短波通滤波器10反射后被光电探测器22接收。由于荧光感应材料18直接设置在传输光纤12的输出端口16的表面，只需要覆盖光纤的输出端面，因此，传感头的尺寸很小。传输光纤14根据需要，可以采用多模或单模光纤。由于传输光纤14的输出端面的不同形状会影响荧光感应材料覆盖在光纤输出端面上面积，以及从输出端口16的输出的激发光的输出特性和荧光在传输光纤12中的传输特性，从而，影响传感系统的性能。因此，根据不同的应用，可以通过将输出端口16设置成不同的表面形状，提高传感系统的性能。图5显示了三种常见的光纤端面的形状，包括平面，斜面和弧形表面。也可以根据需要，设置成其他形状。在传输光纤的通光端面上镀增透模可以降低激发光和荧光的反射和透射损耗。通常将短波通滤波器10设置成与耦合透镜6的轴线成大约45度角。从端口12发出的荧光光束是一种发散的光，经短波通滤波器10反射后，荧光光束20也是一种发散的光，因此，光电探测器22的接收面积以及光电探测器22与短波通滤波器10的距离都会影响光电探测器22接收到的荧光强度。因此，应尽量将光电探测器22放置在紧靠短波通滤波器10的位置，并且选择接收面积比较大的光电探测器，有利于增强接收到的荧光强度。图2是一个中心波长为lp，光谱的半宽度为Dlp 的LED光源2的光谱示意图.通常LED光源的输出光谱比半导体激光器的输出光谱要宽得多，光谱的半宽度Dlp可从几纳米到几十纳米，输出的发散角也很大，必须要用耦合透镜才能有效地将LED光源的光束耦合到光纤中。图3是采用荧光法传感系统中的荧光光谱示意图.对于不同的荧光感应材料，荧光光谱的半宽度Dlf 为几十到几百纳米，中心波长  lf 要比用于激发荧光的光源的中心波长lp长几十到几百纳米。图4是短波通滤光片10的透射光谱示意图。短波通滤光片10的功能就是要使得光束8能够全部透过，而使得由端口12发出的荧光光束能够全部反射。 
在实际应用中，由于滤光片10本身的光学插入损耗，经滤光片10透过的光和反射光都会有一些损耗。另外，滤光片10本身从全透到全反射有一个波长变化的梯度，以及光源2的光谱宽度和荧光光谱的宽度，部分荧光可能会透过滤波片，部分光源2的光可能会被反射，这些是实际设计滤光片10时应该考虑的几个因素。 
本发明的创新点为：采用单一传输光纤既作为光源又作为被激发的荧光的传输光纤，并将荧光感应材料直接设置在传输光纤的一个端面上，使得传感系统的结构简单，传感头的尺寸小，特别适用于窄小空间的传感检测。可以根据不同的应用，通过将传输光纤的输出端口设置成不同的表面形状，提高传感系统的性能。由于光纤的低损耗特点，可以实现远距离的传感检测。 

Claims (5)

1.一种荧光法光纤传感系统，包括LED光源、耦合透镜、短波通滤光片、传输光纤、荧光感应材料、光电探测器，所述LED光源发出的光通过所述耦合透镜耦合到所述传输光纤的输入端，所述短波通滤光片放置在所述耦合透镜和所述传输光纤之间，并与所述耦合透镜的中心轴线成大约45度角，所述荧光感应材料直接设置在所述传输光纤的输出端面上，在所述传输光纤的输出端输出的光照射到所述荧光感应材料上，发出的荧光被所述传输光纤的输出端接收，并由该光纤的输入端输出后，被所述短波通滤光片反射，并由所述光电探测器接收，通过测定所接收到的荧光的强弱可以检测作用于所述荧光感应材料上的物质的浓度等物理或化学，所述传输光纤的输出端面是平面的、或斜面的、或弧形的、或其他形状。
2.根据权利1所述的一种荧光法光纤传感系统，其特征在于：所述LED光源的中心波长比荧光感应材料所发出的荧光波长短。
3.根据权利1所述的一种荧光法光纤传感系统，其特征在于：所述短波通滤光片对所述LED光源发出的光具有高透过率；所述短波通滤光片对所述荧光感应材料发出的荧光具有高反射率。
4.根据权利1所述的一种荧光法光纤传感系统，其特征在于：所述传输光纤是一种单模或多模光纤。
5.根据权利1所述的一种荧光法光纤传感系统，其特征在于：所述光电探测器与所述荧光感应材料发出的荧光光谱具有基本相同的光谱范围。
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