CN108333144A - 一种耦合结构的自参考微米塑料光纤液体折射率传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于耦合结构的自参考微米塑料光纤液体折射率传感器，属于光纤传感技术领域。它由光源、耦合结构的微米塑料光纤传感探头以及光电检测装置组成。微米塑料光纤是通过热熔拉伸的方法制备的，其两端带有锥形过渡区域，便于与光源和探测器进行耦合。将所制备的两个微米塑料光纤进行相互缠绕，就可以制备出耦合结构的微米塑料光纤传感探头，其耦合区域对外界折射率的变化非常敏感，耦合分光比可以随着被测溶液折射率的变化而变化，因此可以用于液体折射率的传感。该传感器可以很好地避免强度调制型传感器易受光源和环境波动影响的问题，且具有结构简单、操作方便、成本低廉等优点。

Description

一种耦合结构的自参考微米塑料光纤液体折射率传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种耦合结构的自参考微米塑料光纤液体折射率传感器。

背景技术

折射率的测量在食品安全、环境监测以及生化传感等领域有着重要意义。基于光纤的折射率传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、可进行远程操作等优点，近年来，得到了越来越多的研究与关注。目前，所报道的绝大多数光纤折射率传感器均基于石英光纤。如：专利申请号201210152365.7的中国发明专利“一种微纳光纤光栅折射率传感器”提供了一种采用微纳光纤光栅来测量液体折射率；专利申请号201310335715.8的中国发明专利“光纤干涉仪、光纤传感器及其制备方法”提供了一种基于光子晶体光纤F-P干涉仪的液体折射率传感器。但上述光纤液体折射率传感器的制备工艺都较为复杂，成本也比较高。而如何实现结构简单、价格低廉的液体折射率传感器具有重要的应用价值。

与石英光纤相比较，塑料光纤具有质地柔软、熔点低、芯径大、可见光操作，以及易于光纤结构的修饰和改造等优点，十分有利于液体折射率传感功能器件的实现。目前所报道的塑料光纤液体折射率传感器多采用侧抛、锥形和宏弯曲等结构，由于其多模传输的性质，绝大多数的塑料光纤传感器均采用强度调制的方案。但这种调制方法所得到的测量结果很容易受到光源波动的影响，测量精度较低。而通过自参考的传感结构可以有效地解决这个问题。文献“A self-referencing intensity based polymer optical fiber sensorfor liquid detection”报道了一种用于液体探测的自参考型塑料光纤传感器，但其耦合区需要使用粘合剂，会带来额外的吸收和辐射损耗；文献“Tunable refractive indexsensor with ultracompact structure twisted by Poly(trimethyleneterephthalate)nanowires”报道了一种耦合结构的纳米塑料光纤折射率传感器，但其很难与标准的光纤系统进行集成，传输损耗较大，并且其未进行自参考的传感方式。本发明提出一种自参考型耦合结构的微米塑料光纤液体折射率传感器，一方面可以有效解决光源和环境波动所带来的影响，另一方面其与现有的光纤系统可以较好的兼容。

发明内容

本发明提供一种结构简单、制备工艺简单、成本低廉的耦合结构微米塑料光纤液体折射率传感器。

要实现该种塑料光纤液体折射率传感器，作为本发明的第一方面，提供了一种制备耦合结构微米塑料光纤探头的方法，包括步骤如下：

1)首先需要将普通商用塑料光纤拉制成微米塑料光纤。这个过程需要对塑料光纤进行加热，待其加热至熔融状态时，拉伸其两端，就可以得到一个两端带有锥形结构过渡区域，中间是均匀的被拉细的微米塑料光纤。

2)然后将两个微米塑料光纤相互缠绕，构成耦合结构的光纤传感探头。该传感探头由两个输入端、一个耦合传感区域和两个输出端所构成。

3)最后采用环氧树脂胶将耦合结构塑料光纤探头的两个输入端和两个输出端分别固定在聚四氟乙烯的基质上。

作为本发明的第二方面，提供了一种耦合结构的微米塑料光纤液体折射率传感器，该传感器由光源、耦合结构的微米塑料光纤传感探头以及光电检测装置组成。将微米塑料光纤耦合器的一个输入端与光源相连，两个输出端则分别连接两个光功率计。

本发明还可以包括：

1、采用电烙铁对塑料光纤进行加热，通过调节加热温度的大小、加热时间的长短以及拉伸速度的大小可以改变所制备微米塑料光纤的直径。

2、通过改变所使用微米塑料光纤的直径和两根微米塑料光纤所缠绕的圈数，可以改变耦合结构的对称性，以及耦合区域长度等参数。

3、所述的塑料光纤为多模商用塑料光纤，光纤的外径为500～1500μm，纤芯直径范围为480～1480μm，纤芯折射率为1.49，包层折射率为1.41。

4、所制备的微米塑料光纤的直径为50～200μm，微米塑料光纤探头耦合区域的缠绕圈数为2～10圈。

5、所述传感器的光源可以是发射波长为650nm的半导体激光器，也可以是中心波长为650nm的LED；所述的光电检测装置是光功率计。

本发明是利用微米塑料光纤强消逝场的特性，使得光场能量很容易在微米光纤之间进行耦合，并且其耦合区域对周围环境折射率的变化十分敏感。当耦合区域周围的介质折射率发生变化时，会导致耦合特性发生改变，进而使传感器两输出端的光强发生相应的变化，从而改变耦合分光比。因此，可以通过监测传感器耦合分光比的变化来获得待测样品的折射率变化。由于两个耦合输出端受到相同的仪器噪声和温度波动等因素的影响，因此耦合分光比将不依赖于环境波动的影响。该结构的光纤液体折射率传感器没有引入除传感光路以外的参考光路，因此称为自参考型传感器。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明的折射率传感探头的制作工艺简单，不需要复杂的加工设备，而且便于商业化生产。

2)本发明的折射率传感器采用LED或者激光二极管作为光源，采用光功率计作为探测器，其体积较小，便于系统集成，并且其价格非常便宜，有利于降低传感器的成本。

3)本发明的液体折射率传感器采用自参考的耦合结构，可以有效避免环境波动对测量结果的影响，具有结构简单、测量精度高和使用方便等优点。

附图说明

图1是本发明的耦合结构微米塑料光纤液体折射率传感器的示意图；

图2是本发明的微米塑料光纤的制备示意图；

图3是本发明的耦合结构微米塑料光纤的照片；

图4是本发明的传感探头在不同液体折射率下的响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质相同的等同替换均属于本发明的保护范围。

实施例1：以测量甘油水溶液为例

参见图1，本发明的耦合结构自参考微米塑料光纤折射率传感器，由发射波长为650nm的半导体激光器1、耦合结构微米塑料光纤传感探头2和两个光功率计3所构成。光纤传感探头的两个输入端和两个输出端分别固定在聚四氟乙烯的基质4上。在工作时，光源1发出的光经过其中的一个光纤输入(这里称此输入光纤为主动光纤，另外一根为被动光纤)到达耦合传感区域，当耦合区域的微米塑料光纤传感探头2被浸入到被测溶液中时，会导致耦合区微米光纤的模场发生变化，从而改变传感器两输出端的光强大小，使耦合分光比发生变化。不同的被测溶液折射率会得到不同的耦合分光比，通过标定耦合分光比与被测溶液折射率变化的响应曲线，可以得到它们之间的关系，利用这个关系，通过监测耦合分光比就可以计算出被测溶液的折射率值。

参见图2，为微米塑料光纤的制备示意图。本实施例所采用的塑料光纤为江西大圣有限公司生产的多模商用塑料光纤，光纤的外径为1000±2μm，芯径为980±2μm。利用热熔拉伸的方法可以制备出微米塑料光纤。具体的制备方法为：将塑料光纤5放置在电烙铁6上方约1cm的位置处加热，其两端由夹具固定在微位移平台7上。待塑料光纤被加热至熔融状态时，拉伸其两端就可以获得一个两段带有锥形过渡区域，中间是被拉细的均匀的微米塑料光纤。通过改变加热温度的大小、加热时间的长短和拉伸速度的大小可以改变所制备微米塑料光纤的直径。优选地，电烙铁的加热温度为400℃，加热时间为10s，拉伸速度为3cm/s。

参见图3，为本实施例所制备的耦合结构微米塑料光纤传感探头照片。它是通过将两个所制备的微米塑料光纤进行相互缠绕而获得的。其结构主要有两个输入端、一个耦合缠绕区域(传感区)以及两个输出端所构成。通过使用不同直径的微米塑料光纤和改变缠绕的圈数，可以改变耦合传感探头的结构参数，从而获得不同传感性能的光纤液体折射率传感器。优选地，所采用的主动光纤直径为100μm，被动光纤直径为200μm，缠绕的圈数为6圈。

参见图4，为本发明的传感器在测量不同折射率的甘油水溶液时所得到的响应曲线。其横坐标为甘油水溶液的折射率，纵坐标为耦合分光比。测量时需要使光纤的耦合传感区域全部浸入到不同折射率的甘油水溶液中。由结果中可以看出，随着溶液折射率值的增加，耦合分光比增大，这是因为消逝场得到了增强，从而使更多的光场能量从主动光纤耦合到了被动光纤。在折射率1.37-1.41的范围内，该传感器具有较好的线性度。其灵敏度S可以用所得响应曲线的斜率来确定，它可以表示为，

其中ΔK和Δn分别是耦合分光比的变化量和被测溶液折射率的变化量。可以得到，在折射率1.37-1.41的范围内，该传感器的线性度较好，其灵敏度可达17.00/RIU(RIunit)。

Claims (4)

1.一种自参考的耦合结构微米塑料光纤液体折射率传感器，其特征在于：由光源、耦合结构微米塑料光纤传感探头以及光电检测装置组成，该耦合结构微米塑料光纤传感探头由如下步骤制备得到，

(1)首先采用熔融拉伸的方法将普通商用塑料光纤拉制成微米塑料光纤。这个过程需要对塑料光纤进行加热，待其加热至熔融状态时，拉伸其两端，就可以得到一个两端带有锥形结构过渡区域，中间是均匀的被拉细的微米塑料光纤。

(2)然后将两个微米塑料光纤相互缠绕，构成耦合结构的光纤传感探头。该传感探头由两个输入端、一个耦合传感区域和两个输出端所构成。

(3)最后采用环氧树脂胶将耦合结构塑料光纤探头的两个输入端和两个输出端分别固定在聚四氟乙烯的基质上。

2.如权利要求1所述的微米塑料光纤，制备时可以通过调节加热温度的大小、加热时间的长短以及拉伸速度的大小来改变其直径。其特征在于微米塑料光纤的直径为50-200μm。

3.如权利要求1所述的耦合结构微米塑料光纤传感探头，可以通过改变所使用微米塑料光纤的直径和两根微米塑料光纤所缠绕的圈数，来改变耦合结构的对称性，以及耦合区域长度等参数。其特征在于所缠绕的圈数为2-10圈。

4.如权利要求1所述的一种耦合结构微米塑料光纤液体折射率传感器，其特征在于：光源是发射波长为650nm的激光二极管，也可以是中心波长为650nm的红光LED，光电检测装置是两个光功率计。