CN107084752A - 基于纳米金膜的光纤微气泡浓度传感器及其传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤技术领域，具体提供一种基于纳米金膜的光纤微气泡浓度传感器及其传感方法，用以实现液体浓度的测量。本发明基于纳米金膜的光热效应，所述光纤微气泡浓度传感器由单模光纤，以及均匀溅射于单模光纤平端面的纳米金膜构成；将传感器浸没在液体环境中，激光器提供的光能，经单模光纤传输，从光纤平端面出射，照射在纳米金膜上，在纳米金膜处形成微气泡，通过显微成像技术检测单位时间微气泡大小的变化，实现对液体浓度的传感。本发明提供光纤微气泡浓度传感器结构简单、体积小、成本低，操作灵活，可对微流系统内任意位置浓度信息进行传感；并且采用显微成像技术直接对微气泡的变化进行观察，降低了探测的操作难度和成本。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，涉及光纤微气泡浓度传感器，具体提供一种基于纳米金膜光热效应的光纤微气泡浓度传感器及其传感方法。
背景技术
由于光纤传感器具有灵敏度高，抗电磁干扰，体积小，质量轻等优势，在通信和传感技术方面，被广泛应用于石油化工、电力、医学、土木工程等诸多领域中。传统的光纤传感器大多采用微加工技术在光纤上加工微纳结构，例如法珀微干涉腔、光纤光栅等，通过对传感器透射或反射光波的光谱特性随被测量的变化来实现传感。这类光纤传感器灵敏度高，测量精确，但是制作工艺较复杂，高精度的光谱解调仪器也大大增加了装置的成本，甚至对操作人员的能力提出要求，限制了其应用范围。
为克服上述问题，申请号为：201610871752、专利名称为：光纤微泡法珀传感器及其传感方法的中国专利中公开一种在光纤端面镀碳纳米管薄膜，通过碳纳米管薄膜的传热性能，产生微泡，实现流速、温度等物理量测量的传感器；然而该传感器仅能用于液体环境的物理量测量，并不适用于液体浓度测量。基于此，本发明提供一种基于纳米金膜的光纤微气泡浓度传感器及其传感方法，具有低成本、结构简单、便于操作等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于纳米金膜光热效应的光纤微气泡浓度传感器及其传感方法，用以实现液体浓度的测量。本发明基于纳米金膜的光热效应，在单模光纤平端面处离子束溅射均匀的纳米金膜构成基于纳米金膜光热效应的光纤微气泡浓度传感器；将传感器浸没在液体样品中时，激光器提供的光能，经单模光纤传输，从光纤端面出射，照射在纳米金膜上，由于纳米金膜具有良好的光热性能，在纳米金膜处形成一个微气泡；微气泡的形成受到液体样品浓度的影响，通过显微成像技术对微气泡进行直观的图像探测，实现对液体样品浓度的传感。该传感器结构简单，大大降低了光纤端面微结构制备的难度，并且体积小、成本低，操作灵活，可对微流系统内任意位置进行传感；另外，采用成像技术直接对微气泡的变化进行观察，降低了探测的操作难度和成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于纳米金膜的光纤微气泡浓度传感器，其特征在于，所述传感器由单模光纤，以及均匀溅射于单模光纤平端面的纳米金膜构成。
进一步的，所述纳米金膜的厚度为1纳米至50纳米，采用离子束溅射于单模光纤平端面。
上述基于纳米金膜的光纤微气泡浓度传感器的传感方法，其特征在于，将传感器浸没在液体环境中，激光器提供的光能，经单模光纤传输，从光纤平端面出射，照射在纳米金膜上，在纳米金膜处形成微气泡，通过检测单位时间微气泡大小的变化，实现对液体浓度的传感。
进一步的，所述单位时间微气泡大小的变化采用显微成像技术检测。
进一步的，所述激光器的波长为1550nm、功率为10～400毫瓦。
本发明中的微泡浓度传感传感方法是基于纳米金膜的光热效应，利用离子束溅射仪，将纳米金粒子溅射到单模光纤端面上，形成均匀的纳米金膜，将微气泡结构生成部浸入液体样品中时，打开1550nm激光器，由于纳米金膜的光热效应，因此，纳米金膜可以将光能转化成热能，使热能集中在纳米金膜的表面，生成微气泡，即微泡浓度传感器；外界液体环境的浓度信息会影响微气泡的生成速度，因此，通过测量单位时间生成的微气泡尺寸信息，即可实现对微流通道内液体浓度信息的传感。
与现有技术相比，本发明的具有以下有益效果：
(1)本发明提供的基于纳米金膜光热效应的光纤微气泡浓度传感器，由于光纤本身的尺寸小，在光纤端面形成的微气泡法珀腔的尺寸也足够小，有利于集成；传感元件为探头式的，可弯曲缠绕，操控更加灵活，探头式传感器可被操控在任意位置进行传感，可实现对微流通道内的液体浓度信息的定点测量。
(2)本发明提供的基于纳米金膜光热效应的光纤微气泡浓度传感器，在单模光纤端面，离子束溅射均匀的纳米金膜，依据纳米金膜的光热效应，光能转化为热能，在纳米金膜表面积聚，使纳米金膜表面的液体样品迅速升温，在光纤端面纳米金膜表面形成一个微气泡，实现对液体样品浓度的传感，该方法制作工艺简单、成熟，操作方便，大大降低了光纤探头的制作工艺，也降低了成本，同时镀膜方式成熟，镀膜结果可控，重复性好，稳定性高。
(3)本发明提供的基于纳米金膜光热效应的光纤微气泡浓度传感器，传感结果可通过显微成像技术直接观测微气泡的变化，实现对液体样品的浓度信息的传感，该方式直观，易于操作，所需器材降低了检测成本，同时也降低了对操作人员的能力要求。
附图说明
图1为实施例中提供的基于纳米金膜的光纤微气泡浓度传感器的传感装置结构示意图；
图2为实施例中提供基于纳米金膜的光纤微气泡浓度传感器的传感系统示意图；
图3为实施例中探测在功率为P的情况下，经过时间t1至t2，微气泡的直径变化量与液体样品浓度关系曲线图；
其中：1—1550nm激光器，2—1550单模光纤，3—纳米金膜，4—微气泡，5—微流通道，6—传感器，7—显微镜载物台，8—显微镜，9—计算机。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
本实施例中提供的基于纳米金膜光热效应的光纤微气泡浓度传感器的传感装置，其结构如图1所示，包括：1550nm激光器1、1550单模光纤2、纳米金膜3、微气泡4、微流通道5、传感器6构成。
其中，普通单模光纤2为工作波长是1550nm的单模光纤，光纤纤芯很细，纤芯直径一般为8至10um，包层直径125um，是常用的通信波段的单模光纤；纳米金膜3的厚度为1nm。
将各段光纤熔接，其中熔接具体操作方法为：首先制备光纤端面，将光纤涂覆层剥除，并对剥除光纤涂覆层的裸纤进行清洁，防止污染，切割裸纤，将切割好的两光纤平端面通过熔接机熔接，其中熔接机的结构及工作原理为所属领域的公知常识，不再赘述。
本实施例中激光器提供的光能在纳米金膜3上积聚热量，在液体环境中，产生微气泡4，实现传感。
上述传感装置的传感过程为：将传感器6插入进入微流通道5内，调节至传感位置，打开1550nm激光器1，光能经1550单模光纤2传输，在微气泡生成部6的纳米金膜3上产生热效应，形成微气泡4，利用显微成像技术，实现传感。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，所述传感器6为在切割平整的1550单模光纤端面处镀均匀的纳米金膜3，依据纳米金膜的光热特性，在液体环境中生成微气泡4，即用于传感的微气泡结构。现有技术探头式的光纤传感器大都采用在光纤端面进行微加工的方式，这些方法制作工艺复杂，难度大，本实施例中的传感元件制作简单，降低了光纤光操控方法的制作难度，缩短制备时间，降低了成本。
实施例3
本实施例还提供了一种基于纳米金膜光热效应的光纤微气泡浓度传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1)：将单模光纤的一个端面切割平整，获得光纤平端面；
步骤2)：将单模光纤置于喷金仪中，平端面竖直朝上正对金靶，固定；
步骤3)：通过调节喷金仪的参数，控制在单模光纤平端面的镀膜厚度，完成在单模光纤平端面上镀纳米金膜的操作，得到传感器。
实施例4
本实施例还提供了基于纳米金膜光热效应的光纤微气泡浓度传感器的传感方法，具体包括以下步骤：
步骤a、将调节1550单模光纤2，使传感器6置于微流通道5内的操控位置处；
步骤b、在微流通道5的另一端，通过毛细效应使液体充满微流通道5；
步骤c、打开1550nm激光器1，调节功率至P，接通光路，同时开始计时，传感器6开始形成微气泡4；
步骤d、t1时刻，读取微气泡4的尺寸信息d1，经过一段时间后，t2时刻,再次读取微气泡4的尺寸信息d2，通过尺寸变化d2-d1，可对微流通道内液体样品浓度信息进行传感。
其中如图2所示，微流通道5置于显微镜载物台7上，微气泡4生成的过程由光学显微系统实时监测，光学显微系统由显微镜8与计算机9连接组成，便于观察和保存微气泡直径变化量信息，实现对液体样品的浓度信息的传感。
其中在静止的液体样品中，微气泡t1至t2时刻的尺寸变化和微流通道内液体样品浓度的曲线如图3所示，图3结果显示，在激光器功率为P的情况下，微气泡在t1至t2时刻直径变化量是随着液体样品浓度的升高递增的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (5)
1.基于纳米金膜的光纤微气泡浓度传感器，其特征在于，所述传感器由单模光纤，以及均匀溅射于单模光纤平端面的纳米金膜构成。
2.按权利要求1所述基于纳米金膜的光纤微气泡浓度传感器，其特征在于，所述纳米金膜的厚度为1纳米至50纳米，采用离子束溅射于单模光纤平端面。
3.按权利要求1所述基于纳米金膜的光纤微气泡浓度传感器的传感方法，其特征在于，将传感器浸没在液体环境中，激光器提供的光能，经单模光纤传输，从光纤平端面出射，照射在纳米金膜上，在纳米金膜处形成微气泡，通过检测单位时间微气泡大小的变化，实现对液体浓度的传感。
4.按权利要求3所述基于纳米金膜的光纤微气泡浓度传感器的传感方法，其特征在于，所述单位时间微气泡大小的变化采用显微成像技术检测。
5.按权利要求3所述基于纳米金膜的光纤微气泡浓度传感器的传感方法，其特征在于，所述激光器的波长为1550nm、功率为10～400毫瓦。
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