CN105352554B - 一种光纤光栅pH/温度传感器及制备方法和探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅pH/温度传感器，包括一段光纤，在所述光纤的纤芯上间隔设置有用于参考对比的第一长周期光纤光栅和用于检测的第二长周期光纤光栅，在第二长周期光纤光栅处的光纤外包层部位设有水凝胶涂覆层；通过水凝胶涂覆层在待监测介质中会随水质的情况发生溶涨，对所包裹的第二长周期光纤光栅产生轴向应力，从而相应的影响第二长周期光纤光栅中传输光的透射波长发生变化，根据这些变化对比关系，获得传感数据。本发明测量范围宽，可同时检测多个参数，能够长期在线监测并更易于安置在被测环境中。

Description

一种光纤光栅pH/温度传感器及制备方法和探测系统

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种长周期光纤光栅pH/温度传感器，同时还涉及该传感器的制备方法和包含该传感器的探测系统。

背景技术

pH值测量和控制在生物化学、环境科学、临床医学、工业和农业生产等领域尤为重要，比如在农业生产中,许多植物有喜好酸性或碱性土壤的行为，在水产养殖中，水质pH值对生物生存环境影响重大，在环境应用领域，酸雨检测主要是通过检测溶液的pH值来实现的。

对于pH值的测量，在没有发明pH传感器之前，都是使用手工测量方法实现的。主要的测量手段有pH试纸、pH指示剂和pH计，大多是依靠现场取样，再进行下一步的检验，过程复杂，效率较低。这些方法虽然操作简单、成本低，但是都只能定性检测，而且在某些生产工业上，比如说食品、医疗等，不允许将pH指示剂加入到溶液中，因此具有一定的局限性。随之，上世纪80年代，随着光纤的特性不断被挖掘，科学家设计了光纤pH值传感器，这种化学传感器抗电磁干扰，安全性和可靠性高，其传感机理是在光纤内，以pH敏感的化学物质为敏感部分,利用光波作为换能媒体，组成光纤pH值传感器。

光纤pH传感器由于其体积小、响应快、稳定性好和测量精度高，特别适用于生物医学领域和在线分析，但也存在一定的局限性，即容易受周围光纤干扰、指示剂受光照射后易分解并产生光漂白现象等。而光纤光栅传感器不但能克服光纤pH传感器的不足，而且由于调制方式为波长调制的光纤光栅在进行波长调制的时候，不会受到光源功率的干扰或者光纤形变的干扰而引起系统损耗，这使它具备了高稳定性和可靠性。因此，基于光纤光栅传感器的pH值测量方法逐渐受到学者们的关注，推进了继光纤pH传感器之后的pH值测量传感器研究的进程。光纤光栅由于抗电磁性、灵敏性、工艺成熟和成本低廉等优势成为了物理传感检测领域的主要检测工具。

温度是用来表征物体冷热程度的物理量,在工业和科学研究领域中属于较为重要的参数。其中，环境温度是表示环境冷热程度的物理量，可以具体体现为日温、气候等。气候变化既是大自然的变化规律，同时也受人类活动的影响，一直以来都是全球变化研究的核心问题和重要内容。

虽然使用温度计进行测量的传统方法的可靠性和安全性高，但是效率和精确度具有一定的局限性。由此，电学传感器弥补了其不足之处，电学传感器多用于地下温度的测量，具有成本低、精度高、工艺成熟等特点。电学传感器是使用了光敏电阻、热敏电阻等敏感元件来实现传感的目的，比如光电、湿度和温度传感器等。

然而电学传感器也存在一定的应用难题，如易受到雷雨天气的影响、易受电磁环境的干扰等。针对这些问题，光纤光栅的防电磁干扰性、防爆性、耐腐蚀等特性使其在许多工程领域有着其独特的应用价值，这极大地弥补了电学传感器的缺陷。并且，光纤光栅本身除了有应变特性，也具有温度特性。除非采取温度补偿或者封装结构等方法，其温度特性一般是存在的。运用光纤光栅进行温度传感不仅简单易行，而且根据材料的不同而改变其响应灵敏度，具有较大的灵活性，这都是其他温度传感器或者测试仪无法达到的程度。目前，基于光纤光栅的温度传感器也正是温度传感领域的热点之一，针对其进行的研究进程也在不断的推进之中。

现在关于pH光纤光栅传感器的研究在国内外已取得初步进展，但是都存在明显的不足，pH值范围也普遍未达到全面覆盖，并且部分研究方案仍处于理论仿真阶段。在实验方案中，灵敏度较高的方案线性范围很窄，线性范围较大的方案灵敏度很低，难以实用化。从工艺制作的角度看，实现多层包覆的复杂结构和制备薄膜的工艺难度较高，并且效果也不显著。目前真正可以实现在被测环境中测量pH的光纤光栅传感器几乎没有或者说性能较差，同时检测pH和温度的光纤光栅传感器至今也没有实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤光栅pH/温度传感器，测量范围宽，可同时检测多个参数，能够长期在线监测并更易于安置在被测环境中。

本发明的另一个目的在于提供一种光纤光栅pH/温度传感器的制备方法。

本发明的又一个目的在于提供一种包含光纤光栅pH/温度传感器的探测系统。

本发明的第一个目的可以通过以下技术措施来实现：一种光纤光栅pH/温度传感器，包括一段光纤，在所述光纤的纤芯上间隔设置有用于参考对比的第一长周期光纤光栅和用于检测的第二长周期光纤光栅，在第二长周期光纤光栅处的光纤外包层部位设有水凝胶涂覆层；通过水凝胶涂覆层在待监测介质中会随水质的情况发生溶涨，对所包裹的第二长周期光纤光栅产生轴向应力，从而相应的影响第二长周期光纤光栅中传输光的透射波长发生变化，根据这些变化对比关系，获得传感数据。

作为本发明的进一步优化，所述水凝胶覆层为螺旋状涂覆层。

作为本发明的进一步优化，在所述光纤的两端设有防护层。

本发明的第二个目的可通过以下技术措施来实现：一种所述光纤光栅pH/温度传感器的制备方法，先将设置有第二长周期光纤光栅的光纤部位放置于显微镜载玻片上并滴入敏感型水凝胶，使所述的光纤部位浸泡于水凝胶中；然后使用紫外光源照射载玻片上的水凝胶，当其逐渐变为乳白色粘稠状时，开始缓缓旋转光纤，持续照射直至溶液完全凝结成胶状物并包覆在所述的光纤部位上，形成水凝胶涂覆层。

更进一步的，先在所述第二长周期光纤光栅的光纤部位的一端滴入敏感型水凝胶浸泡；然后使用紫外光源照射水凝胶，当其逐渐变为乳白色粘稠状时，将所述光纤旋转5～15°后停止旋转，持续照射以使水凝胶充分从液态转化为乳胶态再到晶莹透明胶状；从所述第二长周期光纤光栅的光纤部位的一端到另一端，依次重复上述步骤，形成不间断螺旋状的水凝胶涂敷层；持续照射直至溶液完全凝结成胶状物并包覆在光纤上。

本发明的第三个目的可通过以下技术措施来实现：一种包含所述光纤光栅pH/温度传感器的探测系统，其特征在于，包括宽谱光源，光栅解调设备，耦合器和至少两个所述长周期光纤光栅pH/温度传感器，宽谱光源输出光经耦合器传输到互相连接的各个长周期光纤光栅pH/温度传感器，传感器的检测信号光再经耦合器回传到光栅解调设备解调后输出，用于输送到外接水质监测中心显示检测数据。

本发明所述各个长周期光纤光栅pH/温度传感器以波分复用的方式在一根光纤中串联在一起。

本发明所述各个长周期光纤光栅pH/温度传感器以空分复用的方式并联在一起。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

1、本发明可实现pH值从0～14的测量(这是目前光纤光栅pH传感器所没有的测量范围)，通过水凝胶材料以及螺旋涂敷工艺，使得该材料在不同pH值都有较大的轴向应力，从而保持较高的灵敏度。

2、本发明通过对两个衰减峰做对比，不仅可以测量出温度的变化(通过与原始光栅做对比)，还可以去除pH传感器中温度变化对其的影响，从而准确的测量出由于pH导致的波长变化量，再测出pH值。

3、本发明较传统pH光纤传感器稳定及可靠，不会受到光源功率的干扰或者光纤形变的干扰而引起系统损耗。

附图说明

图1是光纤光栅pH/温度传感器原理结构示意图；

图2是在图1中设置涂覆层的原理结构示意图；

图3是图2所示光纤光栅pH/温度传感器测试原理图；

图4是本发明采用时分复用探测系统原理框图；

图5是本发明采用空分复用探测系统原理框图

图中标记分别表示

1-第一长周期光纤光栅 2-第二长周期光纤光栅 3-光纤 4-纤芯 5-防护层 6-水凝胶涂覆层 7-宽谱光源 8-光谱分析仪 9-传输光纤 10-长周期光纤光栅pH/温度传感器11-pH溶液 12-水质监测中心 13-光栅解调设备 14-耦合器 15-光开关阵列 16-计算机处理中心

具体实施方式

为本发明将智能水凝胶(pH值和温度敏感型)涂覆在长周期光纤光栅上实现光纤纤光栅pH值和温度传感，原理背景阐述如下：

长周期光纤光栅是一种光纤无源器件，其耦合机理是使前向传输的纤芯倒模与同向传播的各阶次包层模之间发生耦合，从而在传输谱中形成相对应的多个损耗峰，其周期为几十至几百微米。长周期光纤光栅LPG是将纤芯导模能量耦合至同向传输的包层模，由耦合模理论可知，对于均匀的非倾斜单模LPG，只存在纤芯基模(HE₁₁)与一阶各次包层模(HE_1n/EH_1n)的耦合，因而有长周期光纤光栅的谐振波长：

其中，为纤芯导模有效折射率，为包层模有效折射率。该式表明了LPFG的透射波长与光栅周期及模式有效折射率的关系,也为LPFG在外界因素作用下耦合波长的响应特性提供了理论依据，温度会改变有效折射率，轴向应力作用会影响光纤周期，即其中任何一项都将引起透射波长的漂移。

当长周期光纤光栅受到外界应力时，谐振波长会由于应变而发生变化，根据上式，可以得到其应变灵敏度：

由于所以上式第一项为1。根据材料的光弹系数的定义则上式可以化为

上式中，ξ_c0和ξ_c1分别为光纤的纤芯和包层有效折射率的光弹系数。可以看出，轴向应变力的变化将改变光纤光栅其他参数的变化从而导致波长的变化。

本发明中感知温度与pH值的敏感材料为智能水凝胶，智能水凝胶是一种可以对外界环境很微小的刺激而发生显著敏感性反应的水凝胶。刺激变量可以是pH值、温度、离子强度、光、渗透压、化学溶液等。水凝胶具有交联结构，可以在水溶液中发生溶胀且保持不被溶解。

在上述原理背景下，本发明的结构实施例如图1、2所示，一种光纤光栅pH/温度传感器，包括一段光纤3，在光纤的纤芯4上间隔设置有用于参考对比的第一长周期光纤光栅1和用于检测的第二长周期光纤光栅2(两光纤光栅中心波长可选为1550nm)，在第二长周期光纤光栅2处的光纤3外包层部位包裹有水凝胶涂覆层6；通过水凝胶涂覆层在待监测介质中会随水质的情况发生溶涨，对所包裹的第二长周期光纤光栅产生轴向应力，从而相应的影响第二长周期光纤光栅中传输光的透射波长发生变化，根据这些变化对比关系，获得传感数据。为了能获得更好的轴向应力，水凝胶覆层涂为螺旋状涂覆层，同时在光纤3的两端设有防护层5。

本发明中感知pH值的敏感材料为智能水凝胶，智能水凝胶是一种可以对外界环境很微小的刺激而发生显著敏感性反应的水凝胶。这些水凝胶可以从市售获得，现有智能水凝胶是以海藻酸钠和N-异丙基丙烯酰胺为原料共聚制备pH值敏感性的水凝胶，原料为N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)；N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(NMBA)；过硫酸铵(APS)；N,N,N’,N’-四甲基乙二胺(TMEDA)；海藻酸钠(SA)。

本发明中所用的水凝胶也可以用现有的方法自制而得，如水凝胶可以通过以下制备获得：取0.49gN-异丙基丙烯酰胺，0.03g海藻酸钠和0.01g交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，在45℃真空干燥12小时后，将其溶于2ml去离子水中，并进行磁力搅拌，在25℃下充分反应6小时，之后再加入0.01g引发剂过硫酸铵，通过磁力搅拌器，搅拌12小时后静置备用。

由于光纤半径小，较为纤细，再加上其表面较为光滑，要将水凝胶涂覆上光纤光栅，是很难于成功粘附其上的。为了使水凝胶能够更好地吸附在光纤光栅上面，本实施例中光纤光栅pH/温度传感器制备过程如下：先将设置有第二长周期光纤光栅的光纤部位放置于通用的显微镜载玻片上，这有利于均匀受力和均匀涂覆；并滴入敏感型水凝胶，使所述的光纤部位浸泡于水凝胶中；然后使用紫外光源照射载玻片上的水凝胶，当其逐渐变为乳白色粘稠状时，开始缓缓旋转光纤，持续照射直至溶液完全凝结成胶状物并包覆在所述的光纤部位上，形成水凝胶涂覆层。

为了获得更好的轴向应力，将水凝胶覆层涂为螺旋状，过程如下：

将光纤中长周期光纤光栅部分放置在显微镜载玻片上，这有利于均匀受力和均匀涂覆；先在第二长周期光纤光栅的光纤部位的一端滴入敏感型水凝胶浸泡，用胶头滴管吸入约0.2～0.3ml的备用敏感型水凝胶，滴至光纤光栅所在的载玻片上，使其浸泡5分钟左右。然后使用型号为USHIO SP-7的紫外光源照射载玻片上的水凝胶，约1～2分钟后，当其逐渐变为乳白色粘稠状时，将光纤旋转5～15°后停止旋转，持续照射以使水凝胶充分从液态转化为乳胶态再到晶莹透明胶状。接着重复上述滴入敏感型水凝胶浸泡、紫外光源照射、旋转等步骤，从第二长周期光纤光栅的光纤部位的一端到另一端，依次循环持续照射直至溶液完全凝结成胶状物并包覆在光纤光栅的光纤包层部位上，此时水凝胶紧密地包覆在光纤光栅上。通过上述螺旋前进式涂敷，形成一个不间断螺旋状的水凝胶涂敷层结构，每一圈水凝胶在发生溶胀时会相互作用，对光纤光栅产生更好的轴向应力，从而明显影响透射波长。

如图3所示，用上述制作好的长周期光纤光栅pH/温度传感器用于实测溶液的pH、温度。将长周期光纤光栅pH/温度传感器的一端经传输光纤9连接宽谱光源7，另一端透射端连接光谱仪8，传输光纤9用光纤熔接机连接在传感器两端，组成整个传感器测试光路；将上述传感器放置到水溶液中，等待水凝胶充分吸水；观察光谱仪中初始谱线的位置，衰减峰的位置，待稳定后，记录各项数据。将传感器置于不同pH值的水溶液中，通过光谱仪测试得到针对不同pH值的透射波长，并记录数据，即长周期光纤光栅2的数据，同时记录下相对应时刻长周期光纤光栅1的数据。由于长周期光纤光栅1没有涂覆其他材料，所以其透射谱中衰减峰的变化即为此时温度的变化，而长周期光纤光栅2的透射谱除了包含pH值得变化外还包括温度的变化，此时只要做简单的常规处理即可分离出pH值变化所对应的衰减峰变化。

通常单个传感器只对某一区域进行测量，但在实际的工程应用中，需要测量的区域往往是百米以上级别的范围，并需要同时测量多个参量。因此，采用多个本发明传感器，并利用光纤光栅波长编码的特点，结合通信系统中的复用技术，实现一根光纤中串联多个本发明传感器或并联多根含发明传感器的光纤，最终将多个传感器数据汇集到一个光纤光栅解调设备和数据处理中心，从而可以组成庞大的传感网络，达到一个实时，大范围检测的目的，实现大范围水域的水质状况监测等。

如图4所示，本发明中包含上述传感器的探测系统，包括宽谱光源7，光栅解调设备13，耦合器14和n个长周期光纤光栅pH/温度传感器，各个长周期光纤光栅pH/温度传感器以波分复用(WDM)的方式在一根光纤中串联在一起。宽谱光源7输出光经耦合器14传输到互相连接的各个长周期光纤光栅pH/温度传感器，传感器的检测信号光再经耦合器回传到光栅解调设备解调后输出，用于输送到外接水质监测中心显示检测数据。

具体使用中，可以沿着监控水域的监测点铺设一系列的本发明传感器，即基于长周期光纤光栅的pH/温度传感器LPG1、LPG2…LPGn…，对应的中心波长分别为λ1、λ2…λn…，这些传感器中的光栅通过一根光纤串联起来，宽谱光源7从一端射入。根据LPG传感器原理，如果LPG没有受到应力作用则会在其中心波长处返回一个对应的中心波长的衰减峰(如图4中实线波形)，因而连续宽带光传输到LPG1时会产生一个波长为λ1波长的衰减峰，其余波长的光则会透射而过继续往前传输。同理，透射光传输到LPG2时则会有λ2波长的衰减峰，一直传输到最后一个LPG。显然地，这些透射光同时也在同一根光纤中进行传输，最后经耦合器进入解调设备进行波长的解调。当LPG传感器受到应力作用时，透射光的中心波长便会产生一定的偏移(即频偏，如图4中虚线波形)，输出端的光栅解调设备根据这一偏移量可得出应力的大小以及方向。光栅解调设备将应力状况数据传输给外接的水质监测中心，监测中心通过分析得出相关PH值和温度等水质数据。

上述串联的各个LPG传感器的中心波长不能超出宽谱光源7的波长范围，以及互不相同且带宽不重叠，从而有效地防止码间干扰。

上述探测系统中的传感器也可以空分复用的方式并联在一起。空分复用(SDM)技术是将多条带有LPG传感器的传输光纤并联在一起，并对不同传输信道的LPG传感器进行空间编码，实现多个光通路的复用。如图5所示，空分复用技术通过光开关阵列15实现各通道的光信号的选通，使得各传感器相互独立地工作，各传感器的中心波长也无须不同，光开关阵列15要求有高速的光开关阵列的控制速度，由计算机处理中心16来控制光开关阵列的切换；同时计算机处理中心16也将光栅解调设备输出应力状况数据传输给外接的水质监测中心，监测中心通过分析得出相关PH值和温度等水质数据。

另外，还可将空分复用的LPG光纤光栅传感器与波分复用、时分复用技术结合，组成波空或时空混合复用传感网络等，可大大增加对水质监测系统的感测容量。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非因此局限本发明的专利范围，故凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光纤光栅pH/温度传感器，包括一段光纤，其特征在于：在所述光纤的纤芯上间隔设置有用于参考对比的第一长周期光纤光栅和用于检测的第二长周期光纤光栅，在第二长周期光纤光栅处的光纤外包层部位设有水凝胶涂覆层；通过水凝胶涂覆层在待监测介质中会随水质的情况发生溶涨，对所包裹的第二长周期光纤光栅产生轴向应力，从而相应的影响第二长周期光纤光栅中传输光的透射波长发生变化，根据这些变化对比关系，获得传感数据；所述水凝胶覆层为螺旋状涂覆层。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅pH/温度传感器，其特征在于：在所述一段光纤的两端设有防护层。

3.一种权利要求1或2所述的光纤光栅pH/温度传感器的制备方法，其特征在于，先将设置有第二长周期光纤光栅的光纤部位放置于显微镜载玻片上并滴入敏感型水凝胶，使所述的光纤部位浸泡于水凝胶中；然后使用紫外光源照射载玻片上的水凝胶，当其逐渐变为乳白色粘稠状时，开始缓缓旋转光纤，持续照射直至溶液完全凝结成胶状物并包覆在所述的光纤部位上，形成水凝胶涂覆层；

先在所述第二长周期光纤光栅的光纤部位的一端滴入敏感型水凝胶浸泡；然后使用紫外光源照射水凝胶，当其逐渐变为乳白色粘稠状时，将所述光纤旋转5～15°后停止旋转，持续照射以使水凝胶充分从液态转化为乳胶态再到晶莹透明胶状；从所述第二长周期光纤光栅的光纤部位的一端到另一端，依次重复上述步骤，形成不间断螺旋状的水凝胶涂敷层；持续照射直至溶液完全凝结成胶状物并包覆在光纤上。

4.一种包含权利要求1或2所述的光纤光栅pH/温度传感器的探测系统，其特征在于，包括宽谱光源，光栅解调设备，耦合器和至少两个所述长周期光纤光栅pH/温度传感器，宽谱光源输出光经耦合器传输到互相连接的各个长周期光纤光栅pH/温度传感器，传感器的检测信号光再经耦合器回传到光栅解调设备解调后输出，用于输送到外接水质监测中心显示检测数据。

5.根据权利要求4所述的探测系统，其特征在于，所述各个长周期光纤光栅pH/温度传感器以波分复用的方式在一根光纤中串联在一起。

6.根据权利要求5所述的探测系统，其特征在于，所述各个长周期光纤光栅pH/温度传感器以空分复用的方式并联在一起。