CN109406408A - 一种光纤液体分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤液体分析装置，包括光纤、单模光纤、毛细管、空芯光纤、供液泵、光纤环形器、激光光源、光电探测器和数据采集及处理电路；所述光纤内部设置有至少一个空气孔且一端镀有反射膜，所述光纤另一端与所述单模光纤的一端连接且空气孔暴露在连接点外侧，连接点与所述空芯光纤的一端密封在所述毛细管内，所述空芯光纤另一端连接所述供液泵；本发明利用单光纤对光进行入射和接收，使得整个系统更加集成化；通过分析和比较待测液体干涉谱线的变化和差异，可以更高效、更准确的对待测液体进行识别和分析；在光纤端面处形成液滴的直径只有几百微米，减少了被测液体的用量，在实际测量某些特殊、价值昂贵的液体时有着明显的优势。

Description

一种光纤液体分析装置

技术领域

本发明涉及一种分析装置，尤其涉及一种光纤液体分析装置，属于光纤传感领域。

背景技术

随着时代的进步和社会的发展，人们对于环境安全，饮食安全和医药安全等相关问题的 认识日益提高，如何对污水、假酒、假药等液体的密度、表面张力、浓度、折射率、浑浊度、 吸光度、粘度这些物理、化学特性进行快速和准确的分析成为了人们关心的问题。目前对于 液体种类的检测，往往采取化学分析的方法，也会用到分离法或光谱分析法等，而这些方法 操作复杂，耗时长，所需要的仪器结构复杂，价格昂贵，不能很好的满足人们的需求，所以 人们需要一种更高效、更准确、更经济的液体分析技术。光纤传感器具有体积小、重量轻、 抗电磁干扰、易制取、电绝缘性好、能在恶劣环境下工作以及灵敏度高等一系列优点，所以 基于光纤技术的液体分析方法发展十分迅速。

McMillan(Measurement Science and Technology,1992,3(8):746-764)等人通过两根 插入液滴内部的光纤来研究经过液滴的光信号的变化，这是把光纤技术用于液滴分析技术的 一个里程碑。天津大学宋晴(Instrumentation Science&Technology,2005,33(3):339-354) 等人使用了一种光纤电容液体分析装置，一根光纤用于光入射，一根光纤用于光接收，再利 用毛细管注射液体形成液滴，最后对光强度信号和电容信号进行处理和分析，由于这种方式 采用了两根光纤，光在液滴内进行多次反射、透射和吸收之后传输到接收光纤中，光强度信 号衰减厉害；另外哈尔滨工程大学周爱等申请的专利“蘸粘式光纤液体分析方法”(专利号 CN101251474A)提供了一种蘸粘式光纤液体分析方法及其专用分析装置，该技术通过光纤探 头上下往复的运动，使其与固定不动的待测液体进行周期性的接触，借助于从光纤探头得到 待测液体表面、内部以及蘸粘部位的反射光信号，获得液体表面张力、浓度等特性参数，以 上方法至少需要两根光纤进行光的发射和接收。VA Márquezcruz(Optics Express,2014, 22(3):3028-38)等人将单模光纤一端切割浸入到液体中，另一端和光谱仪连接，移动光纤， 在切割端面形成下垂的液滴，在光纤另一端得到干涉信号，这种方法不能规律的控制液滴的 生成，无法实现同一液体的多次测量。天津大学张国雄等申请的专利“基于液滴体积的光学 图像液滴分析装置”(专利号CN1337572)分析液滴的体积变化得到物理、化学方面的参数， 这种装置对于液滴体积的采集及计算方法复杂。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种更高效、更准确而且节省待测液体用量的光纤液体分析装 置。

本发明的目的是这样实现的：

一种光纤液体分析装置，包括光纤、单模光纤、毛细管、空芯光纤、供液泵、光纤环形 器、激光光源、光电探测器和数据采集及处理电路；所述光纤内部设置有至少一个空气孔且 一端镀有反射膜，所述光纤另一端与所述单模光纤的一端连接且空气孔暴露在连接点外侧， 连接点与所述空芯光纤的一端密封在所述毛细管内，所述空芯光纤另一端连接所述供液泵； 所述单模光纤的另一端通过所述光纤环形器与所述激光光源连接，所述光纤环形器还通过所 述光电探测器和所述数据采集及处理电路连接。

本发明还包括这样一些特征：

1.所述反射膜的反射率不小于50％；

2.所述光纤的纤芯位于光纤的中心轴，所述光纤为双孔光纤或带空隙的光子晶体光纤；

3.所述反射膜为金膜或铝膜；

4.所述光纤另一端的形状为圆锥台，所述激光光源为中心波长为1530nm激光器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明利用单光纤对光进行入射和接收，使得整个系统更加集成化；

2、本发明通过分析和比较待测液体干涉谱线的变化和差异，可以更高效、更准确的对待 测液体进行识别和分析；

3、本发明在光纤端面处形成液滴的直径只有几百微米，减少了被测液体的用量，在实际 测量某些特殊、价值昂贵的液体时有着明显的优势；

4、制作简单，操作方便。

本发明利用单光纤对光进行入射和接收，只需反射一次即可，保留了光的强度信号，同 时使用单根光纤使整个装置更加集成化；本发明可以得到周期性稳定生长的液滴，实现相同 液体多次准确测量的目的；本发明直接对待测液体的干涉谱线进行分析，得到液体的物化性 质，方法简单，操作方便；综合以上技术，我们利用光纤焊接、镀膜等手段制作了一种光纤 液体分析装置，通过法布里-珀罗干涉原理对液体进行快速、准确的分析。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；其中1为激光光源、2为光电探测器、3为数据采集及处理 电路、4为光纤环形器、5为单模光纤、6为毛细管、7为反射膜、8为光纤、9为供液泵、10 为空芯光纤、11为待测液滴、8-1为空气孔。

图2是光在周期性生长的液滴内的光路图；

图3是双孔光纤和单模光纤焊接处示意图；

图4a是水和葡萄糖溶液干涉曲线图；

图4b是水和葡萄糖溶液干涉曲线图；

图5是带隙光子晶体光纤横截面示意图；

图6是单模光纤和带隙光子晶体光纤焊接处示意图。

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。

工作原理：激光光源发出的光经过环形器和单模光纤入射到光纤中，一部分光在光纤端 面发生反射回到光纤中，光强为I₁；另一部分光进入到待测液滴内部，在液滴上表面发生反 射后回到光纤中，光强为I₂，I₁和I₂在光纤中发生干涉，输出的整体光强n是待测液体的折射率，L是光纤端面到液滴顶端的长度，λ是光 源波长，如图2所示。对于I的直流分量，其强度由I₁和I₂决定，I₁是不变量，当I₂增大或减小时，表现为整体光强I增加或减小，对应输出信号的低频分量或信号平均值增加或减小；对于I的交流分量，由cos(4πnL/λ)决定，λ是不变量，nL决定了干涉光的相位差，当nL不同时，对应输出曲线的宽窄不同。随着液滴的生长，L不断变大，反射回来的光强I₂不断变小，I₁是不变量，所以输出的整体光强I随时间呈下降的趋势。在控制光纤通道内不同液体的流速相等的情况下，由于折射率、表面张力系数等特性的差异，不同液体生成液滴的过程和大小不一样，所以光强I₂的变化过程不一样，导致不同液体输出的整体光强I随时间下降的趋势存在差异。同时由于折射率n、生成的液滴长度L不同，在相同的时间内，不同液体输出谱线的干涉条纹数目也是不一样的。通过对不同液体输出的谱线进行分析和比较，可以实现更 高效、更准确分析待测液体的目的。

一种光纤液体分析装置，包括激光光源1、光电探测器2、数据采集及处理电路3、光纤 环形器4、单模光纤5、毛细管6、反射膜7、光纤8、空气8-1孔、供液泵9、空芯光纤10、 待测液滴11，光纤一端面镀上反射膜，另一端面加工成圆锥台形状和单模光纤焊接，焊点与 空芯光纤的一端密封于毛细管内，空芯光纤另一端连接供液泵，供液泵通过空芯光纤向毛细管内注满液体后，液体进入到光纤的空气孔，在镀了反射膜的端面处形成稳定生长的液滴，光源发出的光经光纤环形器和单模光纤后入射到光纤中，一部分光在光纤端面反射回光纤中， 一部分光在液滴上表面发生反射回到光纤中，两部分光产生F-P干涉经光纤传输后经光纤环 形器传输到光电探测器和数据采集及处理电路，得到一系列峰值不断变化的干涉谱线，通过 对相同时间内干涉谱线的下降趋势和条纹数目进行分析，可以高效准确的对待测液体进行分 析。

实施例一：

1.取一段单模光纤，长度一般大于1米，在单模光纤的两端面，剥除光纤的涂覆层20--30mm，使用无纺布蘸取酒精和乙醚混合液，反复擦拭光纤外包层，用光纤切割刀将清洁后的单模光纤的两个端面切割平整。

2.取一段双孔光纤，用步骤1的方法对双孔光纤的两个端面进行除涂覆层、清洁以及端 面处理，利用光纤端研磨技术将双孔光纤一端面研磨成圆锥台形状，锥角为27°，研磨深度 为30μm。利用光纤焊接机把单模光纤和双孔光纤经研磨过的那端焊接在一起，露出双孔光 纤的双孔，如图3所示。

3.将双孔光纤和单模光纤之间的焊点置于毛细管中，毛细管直径约为0.3mm，取一段空 芯光纤，长度大约在1m左右，光纤一端插入到放置单模光纤与双孔光纤焊点的毛细管中，毛 细管两端用紫外固化胶密封，再用紫外灯照射约20s使紫外胶彻底固化，光纤另一端和供液 泵连接，同样用紫外固化胶密封，如图1所示。供液泵选取5mL注液泵，并抽取待测液体大 约2mL。

4.利用离子溅射真空镀膜技术，对双孔光纤的另一端面进行镀金膜加工，镀膜直到金膜 的反射率达到50％即可停止。

5.利用光纤焊接机把光纤环形器端口1、2、3的尾纤分别和1530nm激光光源尾纤、光电 探测器尾纤和单模光纤焊接在一起。

6.设置好注液泵的推进速度后，待测液体经空芯光纤注满整个毛细管，液体进入双孔光 纤的空气孔中，在双孔光纤镀金膜端面处形成周期性生长、掉落的液滴。

7.打开光源，光通过环形器和单模光纤入射到双孔光纤中，一部分光在光纤端面反射回 双孔光纤中，光强为I₁，另一部分光在液滴上表面反射回双孔光纤中，光强为I₂，两部分光 信号返回到双孔光纤中的光产生了F-P干涉现象。

8.经过F-P干涉后产生的干涉光经环形器进入光电探测器，将光信号转换为电信号，传 输到数据采集及处理电路后，在计算机上得到一系列峰值不断变化的干涉谱线，通过对相同 时间内干涉谱线的下降趋势和条纹数目进行分析，达到对待测液体进行高效准确分析的目的， 如图4所示，为水溶液和葡萄糖溶液的干涉谱线图。

实施例二：

1.取一段1.5m左右的带隙光子晶体光纤，横截面如图5所示，光纤直径为125μm，纤芯位于带隙中部光纤轴上，纤芯周围排布一系列的空气孔，在带隙光子晶体光纤的两个端面， 用光纤剥线钳剥除光纤的涂覆层20--30mm，使用无纺布蘸取酒精和乙醚混合液，反复擦拭光 纤外包层，用光纤切割刀将清洁后的光纤的两个端面切割平整。

2.取一段2m左右的单模光纤，对光纤的两个端面进行除涂覆层、清洁以及平端面处理， 利用光纤端研磨技术将单模光纤一端面研磨成圆锥台结构，锥角为30°，研磨深度必须保证 圆锥台面足够小以漏出光子晶体光纤的带隙，利用光纤焊接机将单模光纤和带隙光子晶体光 纤对芯焊接，露出带隙光子晶体光纤的空气孔，如图6所示。

其余的操作步骤和操作方法参照上述实施例一，即可完成一种光纤液体分析装置的制作， 并能够实现对待测液体快速、准确分析的目的。

综上所述：本发明提供了一种光纤液体分析装置。其装置包括光源、光电探测器、数据 采集及处理电路、环形器、端面经磨锥加工及镀反射膜处理的光纤、供液泵和毛细管。光纤 中传输的光信号在体积不断变化的待测液滴里面发生反射后，与光纤端反射的光信号发生法 布里-珀罗(F-P)干涉，得到一系列峰值不断变化的干涉谱线，在控制液体流速的情况下，对 不同液体输出的干涉谱线进行处理和对比，根据干涉谱线的不同，可以高效、准确的对待测 液体进行识别和分析，在水质监测、制药工艺、食物饮料等液体检测的领域中有着较广阔的 应用价值。

Claims (9)

1.一种光纤液体分析装置，其特征是，包括光纤、单模光纤、毛细管、空芯光纤、供液泵、光纤环形器、激光光源、光电探测器和数据采集及处理电路；所述光纤内部设置有至少一个空气孔且一端镀有反射膜，所述光纤另一端与所述单模光纤的一端连接且空气孔暴露在连接点外侧，连接点与所述空芯光纤的一端密封在所述毛细管内，所述空芯光纤另一端连接所述供液泵；所述单模光纤的另一端通过所述光纤环形器与所述激光光源连接，所述光纤环形器还通过所述光电探测器和所述数据采集及处理电路连接。

2.根据权利要求1所述的光纤液体分析装置，其特征是，所述反射膜的反射率不小于50％。

3.根据权利要求1或2所述的光纤液体分析装置，其特征是，所述光纤的纤芯位于光纤的中心轴，所述光纤为双孔光纤或带空隙的光子晶体光纤。

4.根据权利要求1或2所述的光纤液体分析装置，其特征是，所述反射膜为金膜或铝膜。

5.根据权利要求3所述的光纤液体分析装置，其特征是，所述反射膜为金膜或铝膜。

6.根据权利要求1或2所述的光纤液体分析装置，其特征是，所述光纤另一端的形状为圆锥台，所述激光光源为中心波长为1530nm激光器。

7.根据权利要求3所述的光纤液体分析装置，其特征是，所述光纤另一端的形状为圆锥台，所述激光光源为中心波长为1530nm激光器。

8.根据权利要求4所述的光纤液体分析装置，其特征是，所述光纤另一端的形状为圆锥台，所述激光光源为中心波长为1530nm激光器。

9.根据权利要求5所述的光纤液体分析装置，其特征是，所述光纤另一端的形状为圆锥台，所述激光光源为中心波长为1530nm激光器。