CN105300421A - 电磁耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电磁耦合器，包括：波导，具有第一和第二末端，以及至少一个电磁源，产生电磁波；其中，所述波导被配置成在所述电磁波在第一末端和第二末端之间的区域入射在所述波导上时引导所述电磁波的一部分。

Description

电磁耦合器
本发明申请是申请日为2010年2月1日、申请号为201080006532.6(国际申请号为PCT/US2010/022715)以及发明名称为“侧向照射式多点、多参数光纤传感器”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明所提出的光纤传感器是基于光谱学技术研制而成。具体而言，该光纤传感器通过测量光散射、光吸收、比色值、受激激发荧光以及磷光的变化，对外界待探测物质进行测量。
背景技术
基于光谱学技术的光纤传感器可以多种裁量的检测，例如应力、压力、温度、化学物质、浊度、色彩和其他性质。这些传感器通常分为两大类：光极传感器和分布式传感器。
光极传感器为最简单的光纤传感器。它由位于光纤远端的指示剂和位于光纤近端的激发光源与检测器组成。激发光沿光纤传输，同指示剂发生相互作用后，产生一个光谱信号(荧光、磷光、比色和/或吸收光信号)。该光谱信号传回致光纤的近端，到达检测器。检测器采集的光谱信号直接反应待检物质的参数变化。在光极传感器的结构中，唯一的感应点位于光纤的远端，光纤本身作为光的传输通道，将光信号从光源传至指示剂继而传回。
在分布式传感中，整条光纤或光纤的某段区域，可以既作为光信号传输的通道，同时也作为传感器。光纤的包层作为对待测物质敏感区域，可以采用单层或相互间隔的多层结构。无论采用包层结构，这些敏感区域或感应区域，在被激发光照射下，会构成了一个多点、准分布式的传感器。当需要进行分布式多点检测时，分布式传感器只需一条光纤，而光极传感器则须多条光纤。因此，分布式传感器的优势在于其能够利用单根光纤进行空间中的多点检测。
分布式光纤传感器的感应点可采用两种方式接收探测光：轴向探测以及横向探测。其中，横向探测被认为是较为优秀的探测模式。
轴向探测是光纤传感器常用的探测方法。在轴向探测中，探测光由光纤的一端沿轴向入射，光场的渐逝场同周围的包层发生相互作用。包层在吸收了渐逝场区域中的探测光后，产生的吸收光、散射光或荧光激发光信号，这些光信号在光纤的任一一端进行检测。
这种基于轴向探测的激发方式有不足之处。例如，激发光的渐逝场与包层之间的相互作用很弱，产生的信号需要昂贵的仪器设备(如大功率电源)通过复杂的检测手段以及很长的光纤来进行检测。此外，这种轴向入光的方式决定了光源与光纤之间需要精准的轴向耦合。
施瓦贝克(Schwabacher)等人的专利，《一维光纤阵列》国际刊号WO2001/71316('316)(美国专利号7,244,572，2007年7月7日发布)，展示了一种沿光纤线形排列的化学传感器阵列，阵列中的每个感应点位可感应某种化学物质。相邻的感应点位由高度惰性的区域(如包层)分隔开来。惰性区域的最小长度为250cm。专利'316同时描述了轴向和横向两种激发方法。而轴向激发被认为是较好的模式。
专利'316推荐使用窄带激光脉冲作为激发光，轴向入射进入光纤。光纤上的每个感应点位惰性物质分开至上述的最小间隔。依据专利'316中的参数设置，此长度间隔用来避免相邻感应点位的荧光激发光产生重叠。光源(如激光器、激光二极管、气体激光器、染料激光器、固体激光器、发光二极管等)产生的激发光轴向入射进入光纤，而后被传送至感应点。
在几个甚至数百个感应点中，确定具体发生相互作用的感应点，需要测量激发脉冲光与返回光信号间的时间延迟，并与每个感应点同光源之间的距离进行比对。此项测量过程需要使用示波器、光电倍增管等仪器对时间、距离以及波长进行精确地测量。在检测上百个样品时，这种设计还需要极长的光纤，进而增加了整个系统的尺寸以及操作复杂度。此外，高精度仪器的使用也大幅提高了系统的成本。
激发光也可以由一条或多条激发光纤导入检测光纤的感应点。每一个感应点都配有一根激发光纤。激发光从轴向入射进入到激发光纤，通过激发光纤的传输，从横向入射进入检测光纤上的感应点。
另一种装置要求使用分光器将激发光横向导入致每个感应点。分光技术需用到昂贵的高能激光，且经过多个分光器后，激发光分配至每个感应点时，其强度也会衰减。
在另一种装置中，激发(或发光)光纤沿着轴向分隔成多个不同区域。每个区域的包层被去掉，并将裸露的纤芯区域放置在检测光纤的感应点附近。这种结构可以使得激发光的渐逝场横向入射至感应点处。这样做的缺点在于激发光纤的渐逝场非常微弱，因此到达检测光纤感应点的能量很少。其他使用轴向或横向激发的方法也被提讨论过，然而这些方法大都缺乏性价比。
尽管专利'316提出的这些方法具有一定的可操作性，但它们均受限于操作复杂、成本高、设计结构强度弱等缺点。惰性区域与感应点相互间隔的结构中，只有感应点处得包层可被去除，惰性区域的包层则必须被保留。对包层进行如此的操作也增加了批量生产的成本和复杂度，限制了自动化生产的可能性。
此外，此种传感器在工业生产使用中需要使用到昂贵的仪器，如光时域反射器(OTDR)。光时域反射器的成本约在3000美元或以上，它的使用大幅地提高了任何一种需要轴向激发技术的成本。并且，光时域反射器适用的波长范围有限，限制了传感器所能使用的试剂种类。现有系统的另一个缺点在于光时域反射器检测的信号易受到来自于光导材料的意外弯折和不规则形状而引起的干扰。这种干扰会改变光纤的折射率，进而产生误差。另外，现有的技术缺乏精确空间分辨率，目前的空间分辨率大约在10cm数量级，因此空间分辨率仍有待提高。
尽管侧向照射感应点能够产生较强的信号，并体现出较高的优越性，以往的技术并没有能够展现出这项优势以及其它的特点。在使用恰当时，侧向照射可用于探测感应光纤上非常微小的区域，从而达到很高的空间分辨率，进而增加沿光纤轴向分布的感应点的数量。例如，一段5cm的感应光纤，在空间分辨率达到5mm时，可分布十个感应点，构成高密度的光纤检测点阵列。高空间分辨率在温度和/或化学物质浓度检测时显得尤为重要。检测混凝土结构中的氯离子也是一个需要光纤具备轴向高密度检测点阵列的例子。以往的方法均未能提供一个基于简单照射技术的低成本、高稳定性的分布式传感器。更重要的是，以往人们并没有利用一个包层中无化学指示剂的光纤传感器通过侧向照射的方式进行传感检测。
以往这些技术的缺陷和/或问题都亟待解决。理想的体系应具备，但不局限于如下特点:
a.一种能够提供高空间分辨率的低成本探测光源。使得空间分辨率达到5mm的数量级或更小，并能够准确的聚焦于待测区域。
b.一种能够利用市场现有低成本原件进行自动化组装并生产的经济型光纤传感器。
c.一种能够灵活应用于红外光、可见光和紫外光范围的传感器材。
d.一种高稳定性、高可靠性、易于光耦合且不受弯折和环境光等外界因素干扰的传感器材。
e.一种可被用于检测多种被测变量的通用设计。
f.一种具有高能量输出且高性价比的探测光源，用于为基于荧光和吸收光的光纤传感器提供入射光，且信号易于被检测。
g.一种模块化设计且易于随着技术发展进行升级的检测体系。
h.一种不需固定于光纤表面的化学指示剂亦可进行待测物质检测的检测系统。
发明内容
本发明成功地解决了上述以往技术带来的不足之处。本发明提出了一款无需化学指示剂的、具有良好的可逆性、高稳定性、低成本以及高空间分辨率的分布性光纤传感器。该光纤传感器可被用于红外光、可见光以及紫外光在内的整个电磁场波长范围。本发明中使用的光源具有高光强度、高性价比等特点，在感应点处产生较强的信号，易于被检测。本发明可以使用不同波长光的光源，方便测量不同的待检参数。同时，该发明所提出的光源、传感器以及控制软件程序均可持续升级。
本发明的首选装置由一根具有多处区域纤芯裸露的光纤、一个探测或激发光源、一个供电电源、一个检测器、一个信号处理器和一个显示器构成。探测或激发光源与检测光纤上的感应点之间存在直接的光场交换。光源既可以在感应点附近，也可与之相距较远的位置。例如探测光可为一距离检测光纤数米的准直光束，前提是它能够照射到检测光想上的感应点。该检测光纤可被用于检测包括环境色彩、浊度、荧光、吸收光、化学物质浓度、折射率和任何其他与光学相关的，且与上述变量成单调函数关系的环境变量。
一光源发出的探测光从外侧以某一角度照射本发明所提出的光纤传感器。在被探测光照射区域中的待测介质中与探测光纤中的感应点之间发生相互作用，改变探测光的特性并产生一个与待测介质相关的光信号。该光信号耦合进入探测光纤的纤芯，并传至探测光纤末端一个与光纤轴向相连的检测器。该检测器将光强度信号转化为电信号并送至信号处理器。待与环境变量(色彩、浊度、折射率、化学物质浓度等)相关联后，将得到的定量信息送往显示器显像。
光纤纤芯周围的部分或整个区域都能对待检环境变量和/或化学物质作出感应。这点与埃加隆(Egalon)之前发表的设计(美国专利号7,473,906)不同，本发明不要求使用任何感应掺杂物，并且制造出的检测光纤具有可逆性，最终回归到一个强度参照的信号。
在首选的装置中，探测光源为一紫外光发光二极管(UVLED)。该光源放置在与光纤相邻放置，用于照亮其感应点。应当指出的是，尽管其它类型的照射光源也可被使用，使用紫外发光二极管有如下优点。第一，紫外光发光二极管是一种成本低、操作方便易得的激发光源，降低了产品的造价。第二，近年来，发光二极管技术得到大幅度的提升，在提高其发光强度的同时缩小了尺寸，从而提供了窄带高强度的探测光。第三，紫外光发光二极管与检测光纤之间的的临近放置增加了产生光信号的强度，使得使用成本较低的检测器，如硅光电检测器，成为可能。最后，发光二极管的小尺寸使其分布于将沿光纤包层轴向的众多狭窄区域内，并分别照亮各个区域的感应点，提高了独立感应点的数量以及空间分辨率。同时，这种结构也为准确定位待检物质的位置提供可行性，从而能够以很高的分辨率展现被测变量沿光纤轴向的空间变化分布。
另一推荐的装置包括了一个反射器。该反射器安装在检测器对侧、光纤的第二末端118处。使用该反射器可以将反向传播模逆转回检测器，从而增加检测光信号强度。
在又另一种推荐的装置包括一根具有锥形纤芯的检测光纤。其锥形的纤芯结构改变了从检测光纤感应点至检测器这段区域的光纤纤芯形状。纤芯形状从检测器到感应点之间进行发散。同传统圆柱性普通光纤纤芯的设计相比，这种光纤纤芯的设计能够限制更多的光进入光纤纤芯。使用锥形纤芯的检测光纤时，那些原本会离开光纤纤芯的光被耦合成为低传输损耗的束缚模，并能传输至更远的长度。这种锥形光纤可由一配备了锥形玻璃坯的光纤拉丝塔制造，或者也可由手工塑型而成。
在又另一种装置中，多个光源沿一条纤芯裸露的检测光纤呈线形排列，其中每个光源相继地、同时地或者独立地以一定角度向检测光纤的纤芯发出探测光。光源阵列的长度很大程度上决定于光纤上感应点区域的长度。这一排列可以被用于提高光信号的强度。
在又另一装置中，一根照射光纤可以用来替代发光二极管，并实现照射检测光纤的各个区段。这些照射光纤在制造过程中，其内部沿轴向嵌入了多个绝缘镜面。每个镜面以45度角放置，分别使某一个波长λi的光在照射光纤中以束缚模形式射向检测光纤侧面。这些波长均处在检测光纤周围待测介质的吸收光谱范围内。通过改变照射光的波长，我们可以探测检测光纤轴向上已知的不同位置，从而制造出一个高分布式的检测体系。
在此设计中，一个宽带光源发射出的光将通过一个单色器，此单色器可扫描滤波，并任意选择检测光纤周围介质吸收光谱中某一波长的光波。当单色器被调节至某一波长λi时，只有对应于该波长的绝缘镜面将光反射至检测光纤。而检测光纤被照射的位置与此绝缘镜面的位置也存在着对应关系。该过程也同样适用于其它波长。
又另一装置采用了一个有源光纤。该有源光纤纤芯中可掺杂了一种能够放大来自感应点光信号的增益物质。这一装置与光纤放大器的工作原理类似。相应地，来自感应点的信号被耦合进入光纤纤芯。经过感应点的光激发了有源光纤里的增益介质，使原始信号得以放大。此放大后的信号再被传至检测器。这一方案适用于较长距离的光纤传感设计。
本发明与上述所提及的可供替换的其它装置适用于基于荧光，光吸收或光散射技术进行的测量。例如，水溶液中叶绿素的浓度可由其被紫外光源激发的荧光所测定。液体中某物质的浓度可通过引发一个显色反应再由比色法测定。某种化学物质亦可通过采用与其化学光谱中比对多个具有不同波长峰值的光源进行定性。浊度的测定则可以由任何波长的光侧向照射光纤，再测量整体光的强度而得到。
本发明旨在大幅提高以及拓展埃加隆(Egalon)之前所发表的专利(美国专利号7,473,906)中设计性能。同时，通过横向放置光源，如紫外发光二极管、可见发光二极管，使其靠近或远离感应光纤的感应区，从而进一步地改进该光纤传感器系统。这样的设计增加了整体光信号的强度，降低了制造成本和操作复杂性，并且通过使用小体积的发光二极管达到了高空间分辨率，从而精确地定位检测点。
附图说明
图1a为本发明的工作原理示意图，用来说明当其待测参数为荧光或磷光时的分布式检测能力。在这张图中，位于右侧的探测光源(100)正在探测一个检测光纤周围的待检介质(98)中的待测物(93)。这条市面上可购买的光纤，在位于光源对应的感应点(92)处得一段或多段包层已被除去。
图1b为本发明的工作原理示意图，用来说明当其待测物为荧光或磷光时的分布式检测能力。在这张图中，位于左侧的探测光源(100')正在探测一处位于光源对应的检测位点(92')内介质中的待测物(93')。
图1c为本发明的工作原理示意图，用来说明光纤纤芯(106)位于待测物(93)与探测光源(100)之间。
图2a为本发明的工作原理示意图，用来说明使用吸收光或散射光时的分布式检测能力。在这张图中，待测物(93)位于探测光源(100)与光纤纤芯(106)之间。
图2b为本发明的工作原理示意图，用来说明使用吸收光或散射光时的分布式检测能力。在这张图中，光纤纤芯(106)位于探测光源(100)与待测物(93)之间。
图3a为使用该光纤传感器测量的硝酸钠浓度同测量信号的对比图。
图3b为适用该光纤传感器测量的钾离子浓度同测量信号的对应比图。该曲线也为浊度测定曲线。
图4a示意如何利用图2a和2b中的光纤传感器来测定某一液面的高度，或不同流体间界面的高度。其中的流体可为液体或气体。这里界面处的液面位置(176)高于众多感应点(92)中的一个(92a)。
图4b示意如何利用图2a和2b中的光纤传感器来测定某一液面的高度。这里界面处的液面位置(176)低于众多感应点(92)中的一个。
图5a为感应检测光纤(98')的替代装置。整根光纤携带其原有的包层(116)。
图5b为感应检测光纤(98')的替代装置。光纤原有的包层外带有一层具有反应性或感应性的涂层(99)。
图6a为原始光纤(96)的侧视图。
图6b为一段包层116及保护层101被除去的检测光纤的侧视图。
图6c为本发明中检测光纤替代装置的侧视图，示意位于检测光纤(98)第二末端处的反射器(122)。
图7为本发明中检测光纤替代装置的侧视图，示意锥形的光纤纤芯(107)。
图8为本发明中检测光纤替代装置的侧视图，示意发光二极管(100a)的线性阵列(138)。
图9为本发明中检测光纤(98)替代装置的侧视图，示意两个发光二极管(100a和100a')同时照射两个不同的感应点(92)。
图10a为具有45度角远端面的照射光纤的工作示意图。探测光源(100)发出的光沿轴向射入。
图10b为具有45度角远端面的照射光纤的工作示意图。探测光源(100,100',100")发出的光由侧向入射，构成单一光纤上的Nx1耦合器装置。
图11a为配有数个长周期布拉格(Bragg)光栅的照射光纤的工作示意图。光沿轴向射入。
图11b为配有数个长周期布拉格(Bragg)光栅的照射光纤的工作示意图。光由侧向入射至检测光纤，构成单一光纤上的Nx1耦合器装置。
图12a为内部嵌有多个绝缘镜面180的照射光纤的工作示意图。光沿轴向入射。
图12b为内部嵌有多个绝缘镜面180的照射光纤的工作示意图。光由侧向入射至检测光纤，构成单一光纤上的Nx1耦合器装置。
图13为本发明中检测系统的示意图。
具体实施方式
本发明最理想的运行模式具体说明如下。该说明描述广泛，不具有任何限制，目的在于展示本发明所提及几个装置的普遍工作原理。下列具体的描述与其后的附图均旨在展示本发明的首选方案，并不代表本发明可被制作和/或使用的唯一模式。同时，该说明也包括对本发明功能的描述以及制作和使用本发明的具体步骤。需要明确指出的是，在不背离本发明精神的前提下，相同或相近的功能或步骤也可由的其他不同的装置完成。
图1a为检测光纤98的示意图。相应地，照射光源100从外侧以某一角度照射检测光纤98上的一个检测点92。探测光源100的发射光的波长能够使位于检测点92处的待检物93激发出荧光或磷光。当被探测光源100照射时(照射光方向如箭头所示)，位于光纤纤芯106附近的待检物93产生的荧光光信号104以泄漏模和束缚模的形式被耦合进入光纤纤芯106。探测光源100与电源114相连。电源114为与光纤纤芯进行光场传递的探测光源100供电。
被耦合进入入光纤纤芯106的荧光104a被传输至检测器108，该检测器是一个硅基光电检测器。它将荧光104a的光强度信号转化为电信号。该电信号沿光电检测器电缆112传至一个信号处理器110，如光强度计。信号处理器110将该电信号放大并将光强度值显示出来。信号处理器110读出的强度值而后被转化为光纤纤芯106附近待检物93的浓度信息。
为了达到高分布式传感，探测检测光纤98上的另一个检测点92'也进行测量(见图1b)，探测光源100'可由电源114单独另行启动，用以探测光源100'附近的第二个检测位点92'。
该装置既可以用于当待检物93位于探测光源100与光纤纤芯106之间的情况(图1a和1b)，也可以用于当待检物位于光纤纤芯另一侧的情况(图1c)，亦或是待检物整体或部分环绕检测光纤的情况。
上述装置的一个实际应用例子为检测水溶液(作为检测位点92中的待测介质)中叶绿素(待检物93)的浓度。在此应用中，叶绿素在被具有适当波长的探测光源100照射时会产生荧光。该荧光作为光信号104被耦合为光纤纤芯中，其强度值可用来评估光纤纤芯周围叶绿素的浓度。
如图2a和2b所示，相似的方法可被用在基于光吸收、比色和光散射的光纤传感器。相应地，照射光源100从外侧以某一角度照射检测光纤98上的一个检测点92。探测光源100发射光的波长能够被检测位点92附近的待检物93吸收或散射。探测光源100与电源114相连。电源114为与光纤纤芯进行光场传递的探测光源100供电。
待检物93溶解在检测点92附近的介质中，当被探测光源100照射时(照射光如箭头所示)，待检物93会吸收探测光源发出的光。剩余的探测光则被耦合到光纤纤芯106中，形成以泄漏模和束缚模为传输形式的光信号104，并传至检测器108。检测器108读出一个与待检物浓度相关的光强度值。
如图2a和2b所示，溶解在光纤检测点92附近的待检物93也可与某化学试剂发生显色反应。当被探测光源100照射时(照射光如箭头所示)，位于光纤纤芯106周围检测点92处的待测介质会吸收探测光源100发出的光。剩余的探测光则被耦合到光纤纤芯106中，形成以泄漏模和束缚模为传输形式的光信号104，并传至检测器。检测器读出一个与待检物浓度相关的光强度值。
又如图2a和2b所示，检测点92附近待测介质中的颗粒可以散射由探测光源100发出的照射光(如箭头所示)。散射光被耦合到光纤纤芯106中，形成以泄漏模和束缚模为传输形式的光信号104，并传至检测器。检测器读出一个与待检物性质(如浊度)相关的光强度值。
在上述的每种情形中，探测光源100发出的光经待测的环境参量改变后，被耦合到光纤纤芯106中，形成以泄漏模和束缚模为传输形式的光信号104，并传至检测器108，检测器为一个硅基光电探测器。它将接收光的强度信号转化为输出的电信号。该电信号沿光电检测器电缆112传至一个信号处理器110，如光强度计。信号处理器110将该电信号放大并将光强度显示出来。信号处理器110读出的强度值而后被转化为检测光纤98附近的化学物质浓度或某存在于初始介质中未反应物质的浓度。与之前的情况相同，由另一光源100'对另一检测位点92'的探测可以实现分布式传感。同样地，如图2a所示，该装置既可以用于当待检物93或反应介质位于探测光源100与光纤纤芯106之间的情况，也可以用于当待检物或反应介质位于光纤纤芯另一侧的情况，如图2b所示。
图2a和2b所示的装置可作为比色计，用来检测不同的化学物质，例如可以作为浊度计测量浊度，也可作为折射仪检测仪测量某一指定液体的液面高度。
显色反应可以用于检测包括pH值，铁、硝酸根、磷酸根、胺离子浓度在内的众多参数。其中一个例子为美国马里兰州切斯特顿(Chesterton)市的拉莫特(LaMotte)公司生产的磷酸根检验试剂盒，3466(Phosphatetestkit,3466)。使用该试剂盒时，当一粒显色试剂片溶解于水样中时，水样显示出不同的颜色，通过对颜色的比对可以确定水样中化学物质的浓度。在本发明中，当位于检测点92内含有待测物93的溶液与显色试剂片发生显色反应后，该溶液与光纤纤芯106相接触。在被白光光源100b或其他任何合适的具有不同波长的光源由侧向照射时，吸收光被耦合入光纤纤芯，其强度被检测器108测定。
另一个例子为上述拉莫特(LaMotte)公司生产的硝酸根检验试剂盒，3473(Phosphatetestkit,3473)。使用该试剂盒时，当一粒硝酸根显色试剂片溶解于水样中。同样地，水样品显示出不同的颜色，经白光照射后光耦合进入光纤，其光强度用来测量化学物质的浓度。用本发明提出的光纤传感器所测量的硝酸钠浓度与测量信号强度的关系如图3a所示。通过对50组数据(N＝50，数据点个数)进行线性拟合，得到了线性相关度高达0.9868(R＝0.9868)的线性关系。当使用皮尔逊相关系数r(PearsonCorrelationCoefficientr)临界值(CriticalValue)方法进行分析，线性相关系数高于99％。
作为浊度计的传感器装置如图2b所示。图3b为使用该装置测量得到的数据。在此应用中，依照四苯硼钠法并使用四苯硼钠(TPB)试剂配置成已知浓度的钾离子溶液作为浊度测量的样本。8毫升按照1:5比例稀释的不同浓度的氯化钾(KCl)溶液与两滴含有金属抑制剂的氢氧化钠试剂和0.05克四苯硼钠混合。钾离子与四苯硼钠反应后，检测点92处的溶液变浑浊。该溶液在与光纤纤芯106接触，并受到白光光源100b的照射。探测光在被检测点92处的样品散射后，经过耦合进入光纤纤芯106，其强度由检测器108a进行测量。用本发明提出的光纤传感器所测量的钾离子浓度与测量信号强度的关系如图3b所示。值得注意的是，待测的原溶液介质因四苯硼钠的加入而变浑浊，且混浊程度随原溶液中的钾离子浓度升高而增大。溶液的散射光信号也因此增强。对该图进行6个数据点的线性拟合，得到高达0.96的线性相关度(R＝0.96)。对应的钾离子浓度分别为50,100,200,300以及400ppm。当使用皮尔逊相关系数r(PearsonCorrelationCoefficientr)临界值(CriticalValue)方法进行分析，线性相关系数高于99％(表A-6，特里奥拉(Triola)，2007)(见M.F.特里奥拉(M.F.Triola)，《统计学基础》，第10版，皮尔逊(Pearson)/爱迪生·韦斯利出版社(AddisonWesley)，2007)。该实验经过数次重复验证，均得到相似的线性相关系数。另一种测试该浊度计的方法是通过使用浊度标准物，如使用从美国科罗拉多州拉夫兰(Loveland)市哈希(Hach)公司生产的的“福尔马肼校准试剂盒”(2008-2009年产品目录)。
图2a与2b所示的装置也可用作低成本的折射率测量仪，用来检测某一容器中的液面高度。例如，图2b中位于检测点92内的待测介质可为汽油、水或空气。假设当检测点92周围为空气时，检测器108读出的强度值为989个单位，当检测点周围是水时，强度值为500个单位。图4a和4b示意了该传感器作为液面高度仪的原理图。图4a和4b展示了置于容器172中的检测光纤98，光纤浸没于液体174中，液体界面为176。液体上方为空气178。检测光纤98与线性发光二极管阵列138相连。与探测光源100相对应的检测点浸没于液体174之下时，图4a中检测器108的测量值与读数器111的读数均小于图4b中的两个相应读数。该结果说明较大的测量结果表示检测点在液面以上，而较小的测量结果表示检测点在液面以下。其它检测点具有同样的确定液面高度的功能。
上述装置的另一种设计如图5a所示。在此设计中，检测光纤98'的包层被保留下来(即未被去除)，光纤被待测介质环绕，探测光源100从外侧照射检测点92。该装置不需要去除光纤的包层，从而简化了传感器的制造工序。同样，带有包层的光纤也可以与外附的反应涂层99共同使用(见图5b)。此反应涂层含有一种对待测物质敏感的指示剂。
需要指出的是，在本发明所述的装置中，除了图5b以外的所有光纤传感器均不需要在光纤表面使用化学指示剂。其结构同埃加隆较早时间申请的专利(美国专利号7,473,906)相比，本发明所涉及的装置更为简单。
图1、2、5和8中所示装置中的探测光源，可以用含有多个单独芯片的发光二极管光源作为替换。这些发光二极管的波长由不同的芯片来控制，具有利用三种不同的波长对同一个检测点进行测量的功能，使之适用于多参数的检测。
在上述的所有装置中，检测光纤98可选择不同的制造方法。最简单的方法是从市场购买光纤96a(见图6a)，包括光纤纤芯106、外层保护层101和光纤包层116。如图6b所示，光纤上的某些区域的外层保护层101与光纤包层116被有选择性的去除，以便进行待检物的检测(如硝酸根)。市面上有多种具有类似功能的并可供选择的光纤96a，如玻璃和塑料光纤。尽管具有其它光纤纤芯直径的光纤也可得到准确的测量结果，具有较大光纤纤芯直径的光纤，光纤纤芯106直径在1mm到1.5mm，能够为检测光纤98提供较强的光信号，有利于检测。然而，光纤纤芯直径的大小并无具体参数要求。
检测光纤98是基于光纤96制作而成，其中包括一根具有以玻璃材质为纤芯的光纤106a(例如图6a)、塑料包层116a和塑料外层保护层101a。这是通过去除检测点处的塑料薄层以及外层保护层(见图6a)来完成的。塑料包层116a以及保护层101可以通过化学方法、机械方法(使用刀片)去除，也可以利用高温通过灼烧去除。无论使用何种方法，光纤的玻璃纤芯106a都将被裸露在外，即如图6b所示的光纤检测点92周围的裸露区域。尽管该图只示意了一个裸露的区域，即检测点92，光纤上的其它区域也可以做相同的操作，甚至在需要的情况下整条光纤纤芯106都可以裸露在外。
市场上的商用塑料光纤也可以用来制造本发明提出的光纤传感器，如日本东京东丽(Toray)的PBFU-FB1000(为东丽株式会社(TorayIndustries,Inc.)的注册商标)。这种光纤只包括塑料纤芯与包层，无外层保护层。依照D.F.莫山特(D.F.Merchant)，P.J.思古利(P.J.Scully)和N.F.施密特(N.F.Schmitt)在1999年的《传感器与传动装置》期刊第76卷，第365页至371页的《高分子光纤的化学锥塑》一文中提供的步骤，包层可用丙酮除去。
如图6c所示的另一装置中的检测光纤98上，有一个反射器122，放置在检测器108对侧的第二末端118处。反向传输模124被反射器反射后，向位于光纤第一末端120的检测器108传输，从而增加了荧光、吸收光或散射光的信号强度。
如图7所示的另一装置中，检测光纤98a具有一条锥形拉锥的光纤纤芯107，其纤芯形状在荧光104a在从检测点92传向检测器108的过程中逐渐发散。128为锥形纤芯与包层之间的界面。具有锥形结构的纤芯107能够将更多的光耦合进入光纤纤芯106，从而增加到达检测光纤98的光信号强度。使用锥形光纤纤芯107时，那些原本会离开光纤纤芯106的光被耦合成为低损耗的束缚模，并能传输更长的距离。这种光纤可由一配备锥形玻璃坯的光纤拉丝塔通过匀速提拉制造而成。另一种方法是通过变速提拉一个普通柱状的光纤预制棒来形成所需的拉锥光纤。另外，此光纤也可由通过手工塑形而成。再一种方法是依照上述参考文献中莫山特(Merchant)等人提出的拉锥步骤来制造一根塑料拉锥光纤。
在如图8所示的另一装置中，多个光源，如紫外发光二极管100a，沿检测光纤98呈线性阵列安装于一个光纤支架134上内。每个探测光源100出射光同时照射光纤纤芯106(见图1a、1b、1c、2a、2b、5a和5b)。发光二极管138的阵列长度很大程度上由检测光纤98上的检测点92的长度决定(同见图1a、1b、1c、2a、2b、5a和5b)。这一设计可提高检测光纤98整体光信号强度。光纤接口132为检测光纤98的光纤末端提供保护，防止其断裂，并使得检测光纤98的末端能以固定位置放置于检测器108的附近(见图1a、1b、1c、2a、2b、5a和5b)。通过控制每一个发光二极管100a，可实现某一个具体的检测点92进行探测，从而获得一个高分布式的检测光纤98。
在本发明中，电源114(见图1a、1b、1c、2a、2b、5a和5b)的输出电流不超过发光二极管100a的驱动电流。市场上商用的发光二极管驱动电源可被用作该电源，如SandhouseDesign公司生产的LED-PS(美国弗罗里达州达尼丁(Dunedin)市SandhouseDesign有限责任合资公司)。
图9a为一简易的光谱仪装置示意图，它利用一条带有多个检测点(92,92’,92”,…)的侧向照射光纤98和一个检测器108组成，用来测量检测点92内的待检物93。每个检测位点92由其相应的具有不同波长λi的探测光源(100,100’,…)进行照射。当这些检测位点被逐一照射时，检测器分别读出来自每个发光光源(100)的信号强度。待检物(93)的吸收光谱可以通过测量待检物(93)对于各个不同波长光的吸收强度绘制出来。因此，上述装置可以作为一个低成本的简易光谱仪。该光谱仪的分辨率由每个探测光源(100)的波长带宽Δλi决定。
如图9b所示的另一装置，检测光纤(98)上至少有2个检测点(92)被其相应发光二极管(100a)同时照射。由于不同的发光二极管的工作波长不同，能够利用光纤第一末端(120)的光谱仪(108c)对相应检测点内的待检物进行同时检测。
除了上述的装置以外，还有其他一些具有较高可行性照射方案。例如，OLED(有机发光二极管)可以替换发光二极管100a作为光源。有机发光二极管可以集成在一条带上，同时也可光纤传感器安装于其上。
如图10a所示的装置，照射光纤144横向照射检测光纤98上的检测点92(见图2a和和2b)。在这个设计中，照射光纤144与检测光纤98平行，并为照射光150提供光通道。照射光纤144带有一个约呈45度角的远端反射面148(其它角度亦可)，负责将照射光150反射射向检测光纤98上的检测点。只要能将照射光引导至感应点出，45度以外的任何角度都可使用。在该装置中，照射光由光纤152近端的探测光源100从轴向引入。远端反射面148的位置可以根据检测光纤98上的不同区域的要求进行改变。或者也可以使用多条照射光纤，其中每条照射光纤对检测光纤98上的某一指定位置进行照射。
图10b所示的装置为图10a中所示装置的替代品，其中多个探测光源100,100',100"等从侧向对照射光纤144进行照射。这是一种更优越的设计，因为它允许多个不同的光源对照射光纤144同时进行照射。它也使照射光纤结构得以简化，因为它避免了光源与照射光纤之间的精确对齐，也不要求利用透镜将光聚焦到狭小的光纤近端152。使用该装置时，最好应从一个无包层的区域对照射光纤144进行照射。影响光导入至照射光纤144以及检测光纤98因素是类似的。并且，这里所述的照射光纤144也可以作为一个只需单一光纤的简易Nx1耦合器。
图11a所示的另一装置包括一条带有多个长周期光栅156的照射光纤154。该照射光纤154与检测光纤98平行放置，并通过长周期光栅156对检测光纤上的多个检测点进行照射。每个长周期光栅156都能够将照射光纤154中纤芯束缚模158耦合成为固定波长的辐射模162，且该波长λi属于待检测物的吸收光谱。在该情况下，来自宽带探测光源100的光穿过在检测光纤98的待检测物的吸收光谱内扫描波长的单色器160。当单色器160被调整至某一波长λi时，只有处于同一波长的长周期光栅156能够将光引导至检测光纤98，且照射点的位置与该长周期光栅156的位置相对应。这一操作同样适用于其它波长。图10b中的步骤同样可用于图11a所示的体系，其中探测光源100、100'和100"置于照射光纤的侧向(见图11b)。每个探测光源100、100'和100"的波长对应于照射光纤154中光栅的波长峰值。
另外两种照射光纤的设置方法如图12a和12b所示，它们分别采取轴向和侧向的照射方式。这里，照射光纤157在制造过程中内部嵌入了若干个45度角的绝缘镜面180。每个内嵌的绝缘镜面都设计成能够反射特定波长λi(如λ1、λ2和λ3)，由照射光纤中的束缚模转换为辐射模后，射向检测光纤98上的检测点92。该光纤与带有布拉格(Bragg)光栅的照明光纤有着类似的工作原理，且生产成本较低。这些波长λi均处在检测光纤98周围检测点92中的待检介质的吸收光谱范围内(见图1a、1b和1c)。通过改变入射光的波长，我们可以探测光纤传感器上的多个指定位置，从而得到一个高分布式的传感系统。
图11a和12a所示体系中的单色器可以替换为多个单色光源，如发光二极管和激光。
图13为一检测系统的装置示意图。它包括一个置于光密闭容器109中的硅基光电检测器108b、一条光电检测器电缆112、一个雄性接头164和一个读数器111。雄性接头164与读数器111中的雌性接口168相连接。置于光密闭的容器109中的光电点检测器108a可与图8中所示的光纤接口相连。检测器的导线连接着一条将光电信号传至放大电路的线路。电路放大后的信号强度值由读数器111读取，并在显示器170上显示。若干种市场上可购买的商用检测器系统均可在此处使用，如AEMC仪器公司生产的CA811型光度计(美国马萨诸塞州福克斯堡(Foxborough)市的d.b.a.仪器，Chauvin公司)，滨松(Hamamatsu)公司生产的C10439型光电二极管(滨松光学，K.K.，日本滨松市总部及其下属的美国新泽西州布里奇沃特(Bridgewater)市的滨松公司)，Sandhouse设计公司生产的的SPD-UV/VIS型单点检测器(新泽西洲布里奇沃特市Sandhouse设计公司)。
本发明可以通过多种不同形式应用于，但不局限于，溶液浊度和颜色的检测，溶液中叶绿素浓度的测定以及液面高度的测定等。
根据以上内容，可知本公开包括但不限于以下方案：
1.一个传感系统，包括：
一条检测光纤(98)
具有第一(120)和第二(118)末端，
具有一光纤纤芯(106)，
设计为可装置于含有能够进行化学发光、磷光、荧光、光散射或光吸收的物质的环境，
至少有一处直接与外界环境接触的裸露光纤纤芯(92)作为光纤的感应点，从而使感应光纤能被其所处的光学环境影响；
至少一个探测光源(100)，其发出的探测光能够照射至感应点，并与含有待测介质的环境发生作用，从而改变探测光的性质；
被改变的探测光很大程度上被耦合入上述光纤纤芯，成为光信号(104)。
2.方案1所述的传感系统还包括
一个与上述检测光纤第一末端(120)联结的检测器(108)，用以接收从该检测光纤第一末端(120)传出的光信号，在某一给定波长范围内对光信号强度进行测量，并将光信号强度转化为响应的电信号；
3.方案2所述的传感系统还包括
一个与上述检测器(108)进行数据传输的信号处理器(110)；电信号在此被转化为待测物的一个参数值。
4.方案3所述的传感系统还包括一个与上述信号处理器进行数据传输的显示器，以及一个为上述探测光源、信号处理器和显示器供电的电源(114)。
5.方案3所述的传感系统还包括一个与上述信号处理器进行数据传输的显示器，以及一个为上述探测光源、检测器、信号处理器和显示器供电的电源(114)。
6.如方案1所述的传感系统，其特征在于：
上述检测光纤有至少两段的包层被去除(92)，用来提供至少两个感应位点，其中至少一个光纤纤芯裸露的区域(92)与环境直接接触；
上述探测光源对每个感应位点单独进行照射，每次照射一个；
上述的探测光与每个感应点内的环境发生光学作用并使探测光发生改变，每次这样的改变均在很大程度上受环境中待检介质(93)的影响。
7.如方案1所述的传感系统，其特征在于：
上述检测光纤有至少两段的包层被去除(92)，用来提供至少两个感应点，其中至少一个光纤纤芯裸露的区域(92)与环境直接接触；
上述探测光源同时照射两处或更多的感应点；
上述的探测光与每个感应点内的环境发生光学作用并使探测光发生改变，每次这样的改变均在很大程度上受环境中待检介质(93)的影响。
8.如方案1所述的传感系统，此处的探测光源对每个感应点单独进行照射，每次照射一个感应点；
9.如方案1所述的传感系统，此处的探测光源与上述感应点间可相距任意距离，前提是探测光可以照射到该感应点。
10.如方案1所述的传感系统，此处的感应点处无化学指示剂。
11.如方案1所述的传感系统，此处的检测光纤(98)为一条带有原始包层(116)的光纤。
12.如方案11所述的传感系统，此处检测光纤(98)的原始包层外带有一感应涂层(99)。
13.如方案1所述的传感系统，此处的待检变量可为颜色、浊度、未知物质和折射率其中之一。
14.如方案1所述的传感系统，此处的待检环境位于上述的一处光纤纤芯和其后的光源之间。
15.如方案1所述的传感系统，此处的光纤纤芯被待检环境包围。
16.如方案1所述的传感系统，此处的探测光与待检介质间的光学作用产生光吸收、光散射、荧光、磷光和化学发光这几种现象之一。
17.如方案13所述的传感系统，此处的待检物质与环境间发生化学作用，因而产生环境的颜色变化。
18.如方案1所述的传感系统，此处的感应光纤可以包括一折射率测量仪，用来辨别具有不同折射率的环境。
19.如方案1所述的传感系统，此处的检测光纤能够测定与其接触的液体的液面高度。
20.如方案1所述的传感系统，此处的传感系统为多点式光纤传感器，其中每个感应点能够检测不同的待测参数。
21.如方案1所述的传感系统，此处的传感系统为多点式光纤传感器，其中每个感应点由多个不同波长的光源照射，从而检测多个待检参数。
22.如方案1所述的传感系统，探测光由一条照射光纤引导进入系统，该照射光纤带有多个绝缘镜面(180)，且该照射光纤与感应光纤平行放置，上述绝缘镜面以某一角度照射感应光纤上不同位置的感应位点。此处探测光源将一束探测光引入单色器，该单色器将探测光过滤为某一特定波长的光，此特定波长的探测光由轴向进入照射光纤。该特定波长的探测光继续传输至与其具有相似波长属性的特定的绝缘镜面处，该特定的绝缘镜面将探测光以一定角度引导至感应光纤上的感应点。此处每个绝缘镜面都能将照射光纤中的束缚模核转换为特定波长的辐射模。而此特定波长的辐射模将照射在响应的感应点上。
23.如方案22所述的照射光纤，照射光纤有至少一段包层被去除，该段除去包层的光纤被多个探测光源从侧向照射，来自这些光源的光以束缚模和损耗模的形式被耦合进入照射光纤纤芯，而后传向感应光纤。
24.如方案1所述的传感系统，此处的每个感应点由多个不同波长的光源进行照射，检测同一待测物质。
25.一条照射光纤(144)，包括
一条具有第一(120)和第二(118)末端的光纤；
具有一个光纤纤芯(106)和至少一个裸露的纤芯区域(92)；
至少一个探测光源(100)产生一束探测光，该探测光由侧向照射上述的裸露的纤芯区域，并被耦合进入光纤纤芯中成为照射光(150)。
26.方案25中所述的照射光纤还可以包含一根锥形纤芯(107)，其结构沿着光传输的方向逐渐发散，从而增加该方向传输光的照射量。
27.方案25中所述的照射光纤还可以包含一根锥形纤芯(107)，其结构沿着双向传播的光同时逐渐发散，从而增加双向传输光的照射量。
28.方案25中所述的照射光纤，沿其轴向具有至少一个绝缘镜面(180)和至少一个长周期光栅。其中每个绝缘镜面和长周光栅都能够将某一特定波长范围内的探测光从照射光纤内导出。
29.如方案26所述的照射光纤，沿其轴向具有至少一个绝缘镜面(180)和至少一个长周期光栅。其中每个绝缘镜面和长周光栅都能够将某一特定波长范围内的探测光从照射光纤内导出。
30.如方案27所述的照射光纤，沿光传递的每个方向具有至少一个绝缘镜面(180)和至少一个长周期光栅。其中每个绝缘镜面和长周光栅都能够将某一特定波长范围内的探测光从照射光纤内导出。
31.如方案1中所述的传感系统还可以包含一根锥形纤芯(107)，其结构沿光传输方向逐渐发散，从而增加传输至光纤末端的光信号强度。
32.如方案2中所述的传感系统还可以包含与光纤第二末端(118)存在光传递的第二检测器(108)，用以接收从该第二末端(118)传出的光信号，测量某一给定波长范围内的光信号强度，并将强度值转化为电信号。
33.如方案22中所述的照射光纤，在无单色器的情况下，照射光纤上至少有一处包层被去除，且此除去包层的部分被多个探测光源从侧向照射，照射光以束缚模和泄漏模的形式被耦合进入照射光纤核内，从而对检测光纤进行照射。
34.如方案1中所述的传感系统，该传感系统为一多点光纤传感器，其中每个检测点均由多个光源产生的不同波长的探测光同时照射，从而实现检测多个待检参数。
35.一种检测物质性质的方法：
提供如方案3中描述的装置；
至少一种待测物质放置于至少一个裸露的纤芯区域中；
至少开启照射光源对至少一个裸露的纤芯区域进行照射；
探测并测量由装置输出端输出的光信号；
将测得的光信号与之前测量的、已知物质的性质进行比照，并给出的结果。
需要指出的是，尽管该发明在此以具体装置的形式呈现，在不背离本发明设计理念的前提下，其它形式的装置也可被制造。以上的描述和下面的权利要求定义了本发明的精神与应用范围。在不背离本发明精神的前提下，经验丰富的专家将能够提出更多完善、修饰和增改意见。
编号定义
92检测点,光纤纤芯裸露区域111读数
92a具体某个检测位点112光电检测器电缆
93待检物，待测介质114电源
96原始光纤116光纤包层
96a市场上可购得的商用光纤116a塑料包层
98检测光纤，感应光纤118光纤的第二末端
98a具锥形核的光纤传感器120光纤的第一末端
99反应涂层，感应涂层122反射器
100探测光源124反向传输模
100a发光二极管128锥形核与包层间界面
100b白光光源132光纤接口
101外层保护层134光纤支架
101a塑料保护层138发光二极管线形阵列
104光信号144照射光纤
104a荧光信号148远端反射面
106光纤纤芯，纤芯150照射光
106a玻璃光纤纤芯152光纤近端
107锥形光纤纤芯154带有长周期光栅的照射光纤
108检测器156长周期布拉格光栅
108a光电检测器157内嵌绝缘镜面的照射光纤
108b硅基光电检测器158照明光纤中的束缚模核
108c光谱仪160单色器
109光密闭容器162辐射模
110信号处理器164光电检测器的雄性接头
168读数器的雌性接口176液体界面
170显示器178空气
172容器180内嵌绝缘镜面
174液体

Claims (10)

1.一种电磁耦合器，包括：
波导，具有第一和第二末端，以及
至少一个电磁源，产生电磁波；
其中，所述波导被配置成在所述电磁波在第一末端和第二末端之间的区域入射在所述波导上时引导所述电磁波的一部分。
2.根据权利要求1所述的电磁耦合器，其中所述波导是圆柱裸露纤芯光纤。
3.根据权利要求1所述的电磁耦合器，其中所述波导是锥形波导。
4.根据权利要求3所述的电磁耦合器，其中所述电磁波的一部分从较小直径的区域传播向较大直径的区域。
5.根据权利要求4所述的电磁耦合器，其中所述电磁波的一部分的强度由检测器来确定。
6.根据权利要求5所述的电磁耦合器，其中所述检测器放置在所述波导的任一末端。
7.根据权利要求5所述的电磁耦合器，其中所述检测器被放置在所述波导的具有较大尺寸的末端处，所述放置导致强度更大的可测量信号。
8.根据权利要求1所述的电磁耦合器，其中所述至少一个电磁源包括远程电磁源，且其中所述电磁耦合器用来确定所述远程电磁源是否处于可工作状态。
9.根据权利要求8所述的电磁耦合器，其中所述至少一个电磁源可以由操作员以已知的方式接通和关闭，从而确定哪个源处于可工作状态。
10.根据权利要求1所述的电磁耦合器，其中所述至少一个电磁源用来在所述光纤端面的一个处照射样品。
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