CN105486639A - 一种锥形光纤液体折射率传感检测平台及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锥形光纤液体折射率传感检测平台及其使用方法，属于光纤传感领域。它将锥形光纤置于凹槽内，两端分别用可调节的固定片固定。其中两个固定压片为基础固定，另两个固定压片为加强固定，固定压片施加给锥形光纤的应力可分别通过结构的下方的螺旋测微仪来校准，可移动装置上的凹洞内嵌入玻璃器皿，玻璃器皿上部内侧有水准线，待测液体可置于其中，传感部分悬空与液体充分接触。所使用的锥形光纤可以组合成光锥，不但具有光学纤维面板集光性能好、分辨率高、无失真地传递图像等特点外，而且可以提供一种放大的或缩小的，无畸变的图像传输，因此可以满足不同规格图像输入、输出的需要，操作过程简单，可快速实现多次采样。

Description

一种锥形光纤液体折射率传感检测平台及其使用方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种锥形光纤液体折射率传感检测平台及其使用方法。

背景技术

随着社会和科学技术的不断发展，人民的生活质量和生活要求也不断地提高，人类赖以生存的环境问题也越来越受到重视。人们对污染的控制、对饮食、医药和工业用液的质量检测都提出了更多、更高的要求。对液体的检测包括多个参数，例如液体的成分、折射率、浓度、表面张力、浑浊度、pH值以及粘度等等。针对这些液体参数的检测日趋重要，这些液体特征参数的测量分析在石油、化工、制药、食品以及环境监测等行业中有着广泛的应用，开发高效可靠的液体检测技术具有重要的经济和社会效益。对液体成分进行检测的方法有很多种，除了传统的物理化学方法外，还有分光光度测量、液相色谱等方法也被广泛应用，但这些液体检测的方法多数功能比较单一，检测效率低，且成本较高。光纤传感技术的出现给液体测试带来了更多简单的途径。

在现有的液体检测平台中，每检测一种液体，操作较复杂，检测速度慢，效率较低，不适用于快速检测多种液体。在光纤光栅传感器的实际应用中，温度和应变的交叉敏感问题是光纤光栅本身固有的问题，一般来讲，应变和温度往往同时存在，由于应变和温度均能引起光纤光栅的中心波长偏移，即存在温度和应变的交叉敏感问题，会给检测带来误差。现有的液体检测平台中，温度和应变的交叉敏感问题较为严重，灵敏度也较低。

中国发明专利，公布号：CN104266972A，公布日：2015.01.07，公开了一种光纤式液体折射率检测池的制作方法，属于折射率检测设备领域，目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构简单，能有效提高光路稳定性和测量信号准确性的光纤式液体折射率检测池及其制作方法。该光纤式液体折射率检测池包括：池体、光纤槽、检测池、待测液进液通道、蒸馏水进液通道和排液通道。其特点是：三个点胶针的一端分别插入待测液进液通道、蒸馏水进液通道和排液通道，另一端外接泵管可与注射器相连。设计采用聚二甲基硅氧烷制作光纤式液体折射率检测池，PDMS是一种硅橡胶，具有成本低，设计灵活，制作工艺简单且可通过模具浇铸进行大批量生产等特点。其不足之处在于：1)该发明采用注射器将待测液体注入检测池中，每检测一种液体，均需要更换一次注射器，较为繁琐；2)待测液体和蒸馏水的排放，需要在排液通道侧抽拉注射器，操作繁琐；3)光纤槽的细长结构长期使用容易清洗不干净影响测量结果；4)检测池制作过程复杂，温度要求较高(70度)，持续时间较长，成本高；5)检测过程中未考虑温度的影响，检测结果误差较大；6)检测池内无水准线，无法保证每次检测时注入的待测液体的量相同，光纤所受到的应力也将不同，影响检测结果；7)用熔融的石蜡固定光纤，检测完成后，光纤将无法完整取出，可重复利用性差；8)该发明光纤槽的设置，在注入待测液体时，液体可能会通过光纤槽流出。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

针对现有技术的液体检测平台一次检测一种液体操作较复杂的问题，本发明提供了一种锥形光纤液体折射率传感检测平台及其使用方法，它解决了温度和应变的交叉敏感问题，一次性能够针对多种液体进行检测，快速高效的实现了液体检测。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

一种锥形光纤液体折射率传感检测平台，包括面包板、基座、可移动装置和透明器皿，基座包括固定基座I和固定基座II，面包板上设有固定基座I和固定基座II，固定基座I和固定基座II上均设有固定压片，在固定基座I和固定基座II之间设有可移动装置，可移动装置上打通一个凹洞，透明器皿放置在凹洞内，固定基座I、固定基座II和可移动装置上均设有一个螺旋测微仪。

优选地，固定基座I和固定基座II之间的距离小于等于15cm。

优选地，固定基座I和固定基座II上分别设有两个固定压片。

优选地，固定压片上设有固定压片凹槽。

优选地，透明器皿包括上半部分和下半部分，上半部分和下半部分通过卡扣连接，上半部分内侧刻有水准线，且在上半部分的顶端和下半部分的底端均设有一可动活塞。

优选地，下半部分开口处对称开有两个槽，槽的宽度与固定压片凹槽的宽度相同。

优选地，基座采用热膨胀系数为-5.2*10-6的温度补偿复合材料。

优选地，凹洞的尺寸与下半部分的尺寸相匹配，即下半部分能够固定嵌入凹洞内即可。

一种锥形光纤液体折射率传感检测平台的使用方法，其步骤为：

A、选择一块面包板，固定基座I和固定基座II均放置在面包板上；

B、在可移动装置上打通一个凹洞，将透明器皿的下半部分嵌进去，固定不动，下半部分上的可动活塞关闭；

C、使用螺旋测微仪调整固定基座I和固定基座II之间的距离小于等于15cm；

D、将锥形光纤两个自由端分别固定在固定基座I和固定基座II内侧的两个固定压片上，再用另外两个固定压片进一步加强固定锥形光纤；在测量前移动固定基座I和固定基座II之间的距离，以改变施加在锥形光纤上的应变，在测量开始后，将固定基座I和固定基座II固定不动；

E、使用螺旋测微仪调整可移动装置的位置，将锥形光纤嵌进下半部分的槽中，盖上透明器皿的上半部分，用卡扣将上半部分和下半部分连接起来，将可移动装置固定不动。

F、打开透明器皿上半部分顶端的可动活塞，注入待测液体至内侧水准线，进行检测，检测完待测液体的参数后，打开下半部分底端的可动活塞，排放出液体，关闭活塞，再从上半部分顶端的可动活塞注入清水进行清洗，打开下半部分底端的可动活塞，排放出清水；

G、步骤F中，每针对一种液体的数据检测完成后，锥形光纤上的信号会通过光纤连接器传送到光谱仪上，光谱仪检测出液体的折射率；

H、重复步骤F、G进行多种液体的检测。

优选地，检测液体参数的试验温度为25度。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1)、本发明透明器皿上的可动活塞的设置，便于在检测过程中，对锥形光纤进行及时的清洗，更加高效的对待测液体进行检测；因此，本平台操作过程简单，可快速实现多次采样，实用性较强，便于清洗；

2)、本发明检测液体参数的试验温度为25度，这样做的原因是由于锥形光纤对温度非常敏感，温度的变化会影响检测结果，在试验中选择在恒温条件(一般在室温25度左右)下进行对液体的检测，能够较好的获取理想的结果，极大地减小了锥形光纤对温度的敏感性；

3)、本发明固定基座I和固定基座II内侧的两个固定压片固定锥形光纤的两个自由端，固定基座I和固定基座II上外侧的两个固定压片用于加强固定锥形光纤，可根据需要选择其中两个或四个固定压片，保证受力均匀，减小应力因素对锥形光纤的液体检测的交叉敏感的影响；

4)、本发明的检测平台，选用锥形光纤进行液体的检测，该光纤尺寸小、制作工艺简单，对温度、压力、折射率等具有较高的灵敏度；操作过程简单，可快速实现多组采样，实验步骤大大简化；制作成本较低，在恒温的条件下，可移动塑料装置凹槽的设计可以较好地减小液压因素对锥形光纤的液体检测的交叉敏感。

附图说明

图1是锥形光纤液体折射率传感检测平台立体图；

图2是透明器皿示意图；

图3是透明器皿下半部分示意图；

图4是固定压片打开示意图。

图中的标号名称：1、面包板；2、固定基座I；3、固定基座II；4、可移动装置；5、锥形光纤；6、固定压片；7、螺旋测微仪；8、凹洞；9、器皿下半部分；10、卡扣；11、透明器皿；12、槽；13、固定压片凹槽。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1-4，一种锥形光纤液体折射率传感检测平台，包括面包板1、基座、可移动装置4，面包板1为固体铝制面包板，基座包括固定基座I2和固定基座II3，基座采用热膨胀系数为-5.2*10-6的温度补偿复合材料。

一般用于实验设计的板子有两种：万用板和面包板，其中万用板需要焊接，且固定后无法移动器件，不适宜本平台装置；而使用面包板，就可以随意的插入或拔出器件，非常适合组装、调试和训练。

面包板1上设有固定基座I2和固定基座II3，固定基座I2和固定基座II3之间的距离小于等于15cm，在固定锥形光纤5时，可移动装置4根据需求进行调整。固定基座I2和固定基座II3上均设有固定压片6，固定基座I2和固定基座II3上分别设有两个固定压片6，如图1所示，固定基座I2和固定基座II3内侧的两个固定压片6固定锥形光纤的两个自由端，固定基座I2和固定基座II3上外侧的两个固定压片6用于加强固定锥形光纤5，可根据需要选择使用其中两个或四个固定压片6，保证受力均匀，减小应力因素对锥形光纤5的液体检测的交叉敏感的影响。

固定压片6上设有固定压片凹槽13，固定压片凹槽13的宽度与锥形光纤5的直径相匹配，锥形光纤5能够放置在固定压片凹槽13内，能容纳锥形光纤5即可，本实施例中固定压片凹槽13的宽度选为150um。

在固定基座I2和固定基座II3之间设有可移动装置4，可移动装置4的材料一般选用工程塑料PA(聚酰胺)俗称尼龙，具有很高的机械强度，软化点高，耐热，摩擦系数低，耐磨损，具有自润滑性，吸震性和消音性，耐油，耐弱酸，耐碱和一般溶剂，电绝缘性好。

可移动装置4上打通一直径为5cm的凹洞8，凹洞8的尺寸与下半部分9的尺寸相匹配，即下半部分9能够固定嵌入凹洞8内即可，选择其他数值也可以。盛放待测液体的透明器皿11的下半部分9嵌在其中，固定不动，待测液体放置于透明器皿11中。用于控制待测液体的量，透明器皿11上半部分内侧刻有水准线，可动活塞的设置，便于液体的注入和排放，可重复多次使用，实用性较强。本发明透明器皿11上的可动活塞的设置，便于在检测过程中，对锥形光纤5进行及时的清洗，更加高效的对待测液体进行检测；因此，本平台操作过程简单，可快速实现多次采样，实用性较强，便于清洗。

上半部分和下半部分9通过卡扣10，紧密缝合，器皿形状、大小不定，尺寸与凹洞8尺寸相匹配即可。

固定基座I2、固定基座II3和可移动装置4上均设有一个螺旋测微仪7，可根据测量要求精准地调节固定基座I2和固定基座II3之间的位置，以及可移动装置4的位置，螺旋测微仪7的调整可以改变加在锥形光纤5上的应力，不同的调整，锥形光纤5上的应力不一样，在基座与可移动装置4位置确定后，锥形光纤5固定好后，整个检测过程中均不再移动，防止应力的变化。

一种锥形光纤液体折射率传感检测平台的使用方法，其步骤为：

A、搭建以上所述的一种锥形光纤液体折射率传感检测平台，检测液体参数的试验温度为25度，这样做的原因是由于锥形光纤对温度非常敏感，温度的变化会影响检测结果，在试验中选择在恒温条件，一般在室温25度下进行对液体的检测，能够较好的获取理想的结果，极大地减小了锥形光纤对温度的敏感性；

B、在可移动装置4上打通一个凹洞8，将透明器皿11的下半部分9嵌进去，固定不动，下半部分9的可动活塞关闭；

C、使用螺旋测微仪7调整固定基座I2和固定基座II3之间的距离小于等于15cm；

D、将锥形光纤5的两个自由端分别固定在固定基座I2和固定基座II3内侧的两个固定压片6上，再用另外两个固定压片6进一步加强固定锥形光纤5；即打开所有固定压片6上的翻盖，将锥形光纤5放置在固定压片6上的固定压片凹槽13内，然后盖上所有固定压片6上的翻盖；测量前可移动固定基座I2和固定基座II3之间的距离，以改变施加在锥形光纤5上的应变，但是测量开始后，将固定不动，否则施加在锥形光纤5上的应变将改变，造成测量结果不准确。

E、使用螺旋测微仪7调整可移动装置4的位置，将锥形光纤5嵌进透明器皿11的下半部分9的槽12中，盖上透明器皿11上半部分，用卡扣10连接，保证盛放液体时不会流出，也可依据需要加一皮垫，至此，可移动装置4也固定不动，保证液体不会流出；

F、打开透明器皿11上半部分的可动活塞，注入待测液体至内侧水准线，让锥形光纤5充分接触液体，因为只要接触液体都会有液压，同一标准保证相同的液压，进行检测；检测完待测液体的参数后，打开下半部分9的可动活塞，排放出液体，关闭可动活塞，再从上半部分的可动活塞注入清水进行清洗，打开下半部分9的可动活塞，排放出清水；

G、步骤F中，每针对一种液体的数据检测完成后，锥形光纤5上的信号会通过光纤连接器传送到光谱仪上。光纤连接器将锥形光纤5和光谱仪连接，光谱仪检测锥形光纤5对不同液体浓度的光谱图，光谱变化与折射率有对应的关系，光谱仪将数据传输至计算机，通过计算机进行数据处理，获得液体的浓度或折射率；

H、重复步骤F、G进行多种液体的检测。

上述的锥形光纤5液体折射率传感检测的平台检测液体的原理：当锥形光纤5浸泡在待测液体中时，锥形光纤5所携带的光功率占总功率的比值会发生变化，随着待测液体折射率的增大，锥形光纤5所携带的光功率占总功率的比值减小，越来越多的光泄漏到待测液体中，导致传输损耗增大。根据此传感机理，在锥形光纤5浸泡到待测液体时，可以通过测量光纤经过锥区损耗的光功率来推算出液体的折射率，而液体折射率与液体的浓度在同一环境下有着对应的关系，由此即可得知待测液体的浓度。

所使用的锥形光纤5可以组合成光锥，不但具有光学纤维面板，集光性能好、分辨率高、无失真地传递图像等特点外，而且可以提供一种放大的或缩小的，无畸变的图像传输，因此可以满足不同规格图像输入、输出的需要。

本平台操作过程简单，可快速实现多次采样，实用性较强，便于清洗，可以较好的减小应力、液压等因素对锥形光纤5的液体检测的交叉敏感。

实施例2

本实施例的使用方法同实施例1，一种锥形光纤液体折射率传感检测平台，包括面包板1、基座、可移动装置4和透明器皿11，基座包括固定基座I2和固定基座II3，固定基座I2和固定基座II3之间的距离小于等于15cm；面包板1上设有固定基座I2和固定基座II3，基座均采用热膨胀系数为-5.2*10-6的温度补偿复合材料；固定基座I2和固定基座II3上均设有固定压片6，固定基座I2和固定基座II3上分别设有两个固定压片6，固定压片6上设有固定压片凹槽13；在固定基座I2和固定基座II3之间设有可移动装置4，可移动装置4上打通一个凹洞8，凹洞8的直径为5cm，凹洞8的尺寸与下半部分9的尺寸相匹配，即下半部分9能够固定嵌入凹洞8内即可，选择其他数值也可以；透明器皿11放置在凹洞8内，透明器皿11包括上半部分和下半部分9，上半部分和下半部分9通过卡扣10连接，上半部分内侧刻有水准线，且在上半部分的顶端和下半部分9的底端均设有一可动活塞，下半部分9开口处对称开有两个槽12，用于固定锥形光纤5，槽12的宽度与固定压片凹槽13的宽度相同，能够放下锥形光纤5即可；固定基座I2、固定基座II3和可移动装置4上均设有一个螺旋测微仪7。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种锥形光纤液体折射率传感检测平台，其特征在于：包括面包板(1)、基座、可移动装置(4)和透明器皿(11)，基座包括固定基座I(2)和固定基座II(3)，面包板(1)上设有固定基座I(2)和固定基座II(3)，固定基座I(2)和固定基座II(3)上均设有固定压片(6)，在固定基座I(2)和固定基座II(3)之间设有可移动装置(4)，可移动装置(4)上打通一个凹洞(8)，透明器皿(11)放置在凹洞(8)内，固定基座I(2)、固定基座II(3)和可移动装置(4)上均设有一个螺旋测微仪(7)。

2.根据权利要求1所述的一种锥形光纤液体折射率传感检测平台，其特征在于：固定基座I(2)和固定基座II(3)之间的距离小于等于15cm。

3.根据权利要求1所述的一种锥形光纤液体折射率传感检测平台，其特征在于：固定基座I(2)和固定基座II(3)上分别设有两个固定压片(6)。

4.根据权利要求2所述的一种锥形光纤液体折射率传感检测平台，其特征在于：固定压片(6)上设有固定压片凹槽(13)。

5.根据权利要求1所述的一种锥形光纤液体折射率传感检测平台，其特征在于：透明器皿(11)包括上半部分和下半部分(9)，上半部分和下半部分(9)通过卡扣(10)连接，上半部分内侧刻有水准线，且在上半部分的顶端和下半部分(9)的底端均设有一可动活塞。

6.根据权利要求5所述的一种锥形光纤液体折射率传感检测平台，其特征在于：下半部分(9)开口处对称开有两个槽(12)，槽(12)的宽度与固定压片凹槽(13)的宽度相同。

7.根据权利要求1所述的一种锥形光纤液体折射率传感检测平台，其特征在于：基座采用热膨胀系数为-5.2*10-6的温度补偿复合材料。

8.根据权利要求1所述的一种锥形光纤液体折射率传感检测平台，其特征在于：凹洞(8)的尺寸与下半部分(9)的尺寸相匹配，即下半部分(9)能够固定嵌入凹洞(8)内即可。

9.根据权利要求1所述的一种锥形光纤液体折射率传感检测平台的使用方法，其特征在于：

A、选择一块面包板(1)，固定基座I(2)和固定基座II(3)均放置在面包板(1)上；

B、在可移动装置(4)上打通一个凹洞(8)，将透明器皿(11)的下半部分(9)嵌进去，固定不动，下半部分(9)上的可动活塞关闭；

C、使用螺旋测微仪(7)调整固定基座I(2)和固定基座II(3)之间的距离小于等于15cm；

D、将锥形光纤(5)两个自由端分别固定在固定基座I(2)和固定基座II(3)内侧的两个固定压片(6)上，再用另外两个固定压片(6)进一步加强固定锥形光纤(5)；在测量前移动固定基座I(2)和固定基座II(3)之间的距离，以改变施加在锥形光纤(5)上的应变，在测量开始后，将固定基座I(2)和固定基座II(3)固定不动；

E、使用螺旋测微仪(7)调整可移动装置(4)的位置，将锥形光纤(5)嵌进下半部分(9)的槽(12)中，盖上透明器皿(11)的上半部分，用卡扣(10)将上半部分和下半部分(9)连接起来，将可移动装置(4)固定不动。

F、打开透明器皿(11)上半部分顶端的可动活塞，注入待测液体至内侧水准线，进行检测，检测完待测液体的参数后，打开下半部分(9)底端的可动活塞，排放出液体，关闭活塞，再从上半部分顶端的可动活塞注入清水进行清洗，打开下半部分(9)底端的可动活塞，排放出清水；

G、步骤F中，每针对一种液体的数据检测完成后，锥形光纤(5)上的信号会通过光纤连接器传送到光谱仪上；

H、重复步骤F、G进行多种液体的检测。

10.根据权利要求9所述的一种锥形光纤液体折射率传感检测平台的使用方法，其特征在于：检测液体参数的试验温度为25度。