CN109253950A - 一种测量液体表面张力的光纤传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量液体表面张力的光纤传感器，由光源，偏振控制器，传输光纤，光纤环形器，传感器，载玻片，升降台，图像处理系统和光谱仪组成，光源和偏振控制器连接，然后通过传输光纤连接于光纤环形器的左端，光纤环形器的右端与传感器连接，下端与光谱仪连接。升降台上放置载玻片置于传感器下。光源发出的光用过偏振控制器后经过传输光纤至传感器的左端，传感器由TFBG，细芯光纤和FBG组成，载玻片上滴有液体，通过升降台的调节使传感器浸入液体中，传感器与液体接触，传感器表面与液体的接触角逐渐变化，导致有效折射率改变，导致光谱仪测得反射光谱发生变化，从而测量液体的表面张力大小。

Description

一种测量液体表面张力的光纤传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种测量液体表面张力的光纤传感器。
背景技术
液体的表面张力和表面处的分子动力学在工程，生物化学，电化学和色谱等多个领域中都有非常重要的应用，但在光纤传感领域，有关表面张力的测量应用较为少见。
当入射光传输至TFBG倾斜的光栅面时，激发出大量的沿反向传输的包层模，能够与外界环境产生强烈的作用，对外界折射率、温度等环境的变化非常敏感，因此，TFBG在一些传感方面具有独特的优势。
细芯光纤比常规的单模光纤的纤芯直径小，使得细芯光纤与单模光纤的纤芯直径不匹配，常用于马赫-增德尔干涉仪结构（MZI）中，同时使用细芯光纤成本较低，便于携带，结构简单，灵敏度高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种测量液体表面张力的光纤传感器，待测液体表面张力的变化改变透射光谱中信号强度，该结构简单，容易实现。
本发明通过以下技术方案实现：一种测量液体表面张力的光纤传感器，由光源（1），偏振控制器（2），传输光纤（3），光纤环形器（4），传感器（5），载玻片（6），升降台（7），图像处理系统（8）和光谱仪（9）组成，其特征在于：光源（1）和偏振控制器（2）相互连接，然后通过传输光纤（3）连接于光纤环形器（4）的左端，光纤环形器（4）的下端与光谱仪（9）相连，光纤环形器（4）右端与传感器（5）的左端相连，升降台（7）上放置载玻片（6）置于传感器（5）下，图像处理系统（8）置于升降台（7）上与载玻片（6）相对。
所述的传感器（5）由TFBG（10），细芯光纤（11）和FBG（12）组成，所述的TFBG（10）和FBG（12）由单模光纤刻成，长度均为1cm，单模光纤的型号为康宁SMF-28；所述的细芯光纤长度为2cm，纤芯直径为3μm；所述的光谱仪（9），采用的型号为Agilent，86142B。
所述的图像处理系统（8）对准载玻片拍照后直接测量出角度。
本发明的工作原理是：光源（1）发射出波长为1500nm~1570nm的光束，经过偏振控制器（2）调整过偏振态后，再经过传输光纤（3）至光纤环形器（4）的左端，光纤环形器（4）下端连接光谱仪（9），光纤环形器（4）的右端连接传感器（5）的左端。传感器（5）由三部分通过光纤熔接连接，分别为TFBG（10），细芯光纤（11）和FBG（12）。当入射光传输至TFBG（10）倾斜的光栅面时，满足布拉格反射条件的光被反射回在纤芯中传输，绝大多数的光被反射进光纤的包层，从而激发出大量的沿反向传输的包层模；TFBG（10）和FBG（12）由单模光纤刻成，长度均为1cm，单模光纤的型号为康宁SMF-28，细芯光纤长度为2cm，纤芯直径为3μm，由于纤芯直径尺寸不匹配，传输到TFBG（10）和细芯光纤（11）熔接处，一部分光沿着纤芯继续传输，另一部分激发出包层模，沿着包层向前传输，到达细芯光纤（11）和FBG（12）熔接处形成M-Z干涉，FBG（12）进行波长选择性反射；光纤环形器（4）下端连接光谱仪（9）接收反射光谱。载玻片（6）上滴有液体，通过升降台（7）的调节使传感器（5）浸入液体中，与液体接触。在两种极端条件下，即传感器（5）在空气中和完全浸入水中，光谱仪（9）中测得的反射光谱波长发生漂移。当传感器（5）部分浸入水中，所受到来自液体对其的作用力即为液体的表面张力。液体表面张力大小的测量原理是基于液体表面和光纤之间的接触角的变化，并通过图像处理系统（8）拍摄后，得出液体与传感器（5）接触角的大小。由于传感器（5）表面液体的逐渐变化，导致传感器（5）表面有效折射率发生变化，使得激发的包层模式分布发生变化，导致光谱仪（9）测得反射光谱发生变化，从而测量液体的表面张力大小，该方法适用于折射率在1.33至1.44范围内的任何液体。
本发明的有益效果是：由TFBG（10），细芯光纤（11）和FBG（12）组成，所述的TFBG（10）和FBG（12）由单模光纤刻成，长度均为1cm，单模光纤的型号为康宁SMF-28，细芯光纤长度为2cm，纤芯直径为3μm，优点在于消除了温度等外界因素的干扰影响，减弱原有仪器系统的噪声，简化了结构，节约了成本，同时能够测量液体的mN量级的表面张力，克服了应用传统的单模光纤传感器测量时较高的杨氏模量导致无法测量低于0.1N的表面张力的难题。因此，本发明具有结构简单，损耗小，灵敏度高等优点，为液体表面张力大小的测量提供了一种切实可行的方案。
附图说明
图1是一种测量液体表面张力的光纤传感器系统的结构示意图。
图2是一种测量液体表面张力的光纤传感器光纤光栅结构以及光路传播的示意图。
图3是一种测量液体表面张力的光纤传感器与液体接触角度的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参见附图1和附图2，一种测量液体表面张力的光纤传感器，其特征在于：本发明通过以下技术方案实现：一种测量液体表面张力的光纤传感器，由光源（1），偏振控制器（2），传输光纤（3），光纤环形器（4），传感器（5），载玻片（6），升降台（7），图像处理系统（8）和光谱仪（9）组成，其特征在于：光源（1）和偏振控制器（2）相互连接，然后通过传输光纤（3）连接于光纤环形器（4）的左端，光纤环形器（4）的下端与光谱仪（9）相连，光纤环形器（4）右端与传感器（5）的左端相连，升降台（7）上放置载玻片（6）置于传感器（5）下，图像处理系统（8）置于升降台（7）上与载玻片（6）相对。所述的传感器（5）由TFBG（10），细芯光纤（11）和FBG（12）组成，所述的TFBG（10）和FBG（12）由单模光纤刻成，长度均为1cm，单模光纤的型号为康宁SMF-28；所述的细芯光纤长度为2cm，纤芯直径为3μm；所述的光谱仪（9），采用的型号为Agilent，86142B。所述的图像处理系统（8）对准载玻片拍照后直接测量出角度，传感器（5）与液体接触的示意图参照附图3。
本发明中选用的光源（1）发射出波长为1500nm~1570nm的光束，经过偏振控制器（2）调整过偏振态后，再经过传输光纤（3）至光纤环形器（4）的左端，光纤环形器（4）下端连接光谱仪（9），光纤环形器（4）的右端连接传感器（5）的左端。传感器（5）由三部分通过光纤熔接连接，分别为TFBG（10），细芯光纤（11）和FBG（12）。当入射光传输至TFBG（10）倾斜的光栅面时，满足布拉格反射条件的光被反射回在纤芯中传输，绝大多数的光被反射进光纤的包层，从而激发出大量的沿反向传输的包层模；TFBG（10）和FBG（12）由单模光纤刻成，长度均为1cm，单模光纤的型号为康宁SMF-28，细芯光纤长度为2cm，纤芯直径为3μm，由于纤芯直径尺寸不匹配，传输到TFBG（10）和细芯光纤（11）熔接处，一部分光沿着纤芯继续传输，另一部分激发出包层模，沿着包层向前传输，到达细芯光纤（11）和FBG（12）熔接处形成M-Z干涉，FBG（12）进行波长选择性反射；光纤环形器（4）下端连接光谱仪（9）接收反射光谱。载玻片（6）上滴有液体，通过升降台（7）的调节使传感器（5）浸入液体中，与液体接触。在两种极端条件下，即传感器（5）在空气中和完全浸入水中，光谱仪（9）中测得的反射光谱波长发生漂移。当传感器（5）部分浸入水中，所受到来自液体对其的作用力即为液体的表面张力。液体表面张力大小的测量原理是基于液体表面和光纤之间的接触角的变化，并通过图像处理系统（8）拍摄后，得出液体与传感器（5）接触角的大小。由于传感器（5）表面液体的逐渐变化，导致传感器（5）表面有效折射率发生变化，使得激发的包层模式分布发生变化，导致光谱仪（9）测得反射光谱发生变化，从而测量液体的表面张力大小，该方法适用于折射率在1.33至1.44范围内的任何液体，优点在于消除了温度等外界因素的干扰影响，减弱原有仪器系统的噪声，简化了结构，节约了成本，同时能够测量液体的mN量级的表面张力，克服了应用传统的单模光纤传感器测量时较高的杨氏模量导致无法测量低于0.1N的表面张力的难题。

Claims (1)

1.一种测量液体表面张力的光纤传感器，由光源（1），偏振控制器（2），传输光纤（3），光纤环形器（4），传感器（5），载玻片（6），升降台（7），图像处理系统（8）和光谱仪（9）组成，其特征在于：光源（1）和偏振控制器（2）相互连接，然后通过传输光纤（3）连接于光纤环形器（4）的左端，光纤环形器（4）的下端与光谱仪（9）相连，光纤环形器（4）右端与传感器（5）的左端相连，升降台（7）上放置载玻片（6）置于传感器（5）下，图像处理系统（8）置于升降台（7）上与载玻片（6）相对；传感器（5）由TFBG（10），细芯光纤（11）和FBG（12）组成， TFBG（10）和FBG（12）由单模光纤刻成，TFBG（10）长度为1cm，FBG（12）长度为1cm，单模光纤的型号为康宁SMF-28；细芯光纤（11）长度为2cm，纤芯直径为3μm；图像处理系统（8）对准载玻片（6）拍照后直接测量出角度；载玻片（6）上滴有液体，通过升降台（7）的调节使传感器（5）浸入液体中，与液体接触；在两种极端条件下，传感器（5）在空气中和完全浸入液体中，光谱仪（9）中测得的反射光谱波长发生漂移；当传感器（5）部分浸入液体中，所受到来自液体对其的作用力即为液体的表面张力，液体表面张力大小基于液体表面和光纤之间的接触角大小的变化，通过图像处理系统（8）拍摄后，得出液体与传感器（5）接触角的大小；由于传感器（5）表面液体的逐渐变化，导致传感器（5）表面有效折射率发生变化，使得激发的包层模式分布发生变化，导致光谱仪（9）测得反射光谱发生变化，从而测量液体的表面张力大小。
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