CN109406455A - 基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置及其应用 - Google Patents

基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置及其应用，所述装置以智能手机为平台，搭建于手机自带LED灯和手机自带数码相机之间。与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)本发明所述装置体积小，集成度高，可集成在智能手机平台上，实现低成本，便携式及一键快照式的监测；(2)所述装置仅用3‑5cm的布拉格光纤即可实现高灵敏度的液体折射率监测，其灵敏度优于0.0006RIU，响应时间小于1s，能够实现遥控实时检测；(3)所述装置测试范围广，稳定性好，成本低且易于批量生产。

Description

基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置 及其应用
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，涉及一种折射率计，具体为基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置及其应用。
背景技术
折射率测量在现代工业、化学、食品等领域中十分重要，是一种使用多、要求高的物理量测量。液体的折射率测量，是食品生产中常用的工艺控制指标，根据液体折射率的变化，获知液体浓度或成分的变化，所以液体的折射率测量是探知液体的一种重要手段。
采用光纤折射率计测量液体折射率的方法很多，目前市场上较常见的两种折射率计(光纤折射率计和手持式折光计)，这两种折射率计均存在相应的缺点：二者测量范围较窄，且灵敏度较差；其中光纤折射率计的成本较高，平均达人民币5000元以上，手持式折光计响应时间较长，且需人工操作无法进行远程测量。另外，现有技术中的折射率计均仅限于离线检测，因此，两种商业化的折射率计在实际运用中受到了一定的限制。
发明内容
解决的技术问题：为了克服现有技术的不足，针对商业化折射率计测量精度低，响应时间长，仅限于离线检测等问题，本发明以空心布拉格光纤、简易透射光栅、电感耦合器件及信号采集模块为基础，通过光栅和电感耦合器件提取该光纤的透射光谱特征，从而获取纤芯填充液体的折射率及浓度等信息。
技术方案：基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置，所述装置以智能手机为平台，搭建于手机自带LED灯和手机自带数码相机之间；手机自带LED灯正前方设有准直透镜且密封于壳体内，手机自带数码相机正前方设有光栅且二者均密封于液芯光纤固定壳体内；液芯光纤固定壳体内光栅的正前方设有液芯光纤固定座A和液芯光纤固定座B，且两个固定座之间设有液芯布拉格光纤，液芯布拉格光纤两端分别连接有液芯光纤液体出口和液芯光纤液体入口；壳体内准直透镜前方设有多模光纤，且多模光纤另一端伸入液芯光纤固定壳体内位于液芯光纤固定座A上方。
优选的，液芯布拉格光纤两端分别插入液芯光纤固定座A和液芯光纤固定座B的光学模块通道，两端均由光学玻璃封堵；且均通过密封薄膜与液芯光纤固定座A和液芯光纤固定座B分别形成密闭空间；液芯光纤液体出口和液芯光纤液体入口均通过液体通道分别与相应的密闭空间连通。
优选的，液芯光纤固定座A和液芯光纤固定座B的两端均开设光学入射窗。
优选的，多模光纤的一端与准直透镜中心相对，另一端与液芯布拉格光纤相对。
优选的，所述液芯布拉格光纤为聚合物布拉格光纤。
优选的，所述液芯布拉格光纤为聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯分别作为高、低折射率的聚合物包层构成。通过追踪该光纤透射光谱的中心波长，可以获取纤芯填充液体的折射率及浓度信息。根据不同应用场合中不同液体的光谱特性(吸收、透射等)，可以通过设计、优化光纤的几何结构，从而调节其工作波段，满足不同的应用需求。本发明采用的布拉格光纤长度仅需3-5cm，由于其体积小，可将该光纤传感器集成在智能手机平台上。利用手机自带的LED作为光源，通过透射光栅分光，采用手机相机纪录其透射光谱，开发手机App对LED及相机进行控制，可以实现一种低成本、便携式、一键快照式的高精度折射率监测装置。另外，本发明也可以采用不同的实现方式和配置，从而实现遥控监测，例如，在工业过程控制或者液体浓度监测过程中，可以液体主主通道引入一个支路即可实现液体的遥控、实时监测，因此，可以用于环境较为恶化或者污染的场合，而不会对人员造成影响。
优选的，所述装置的灵敏度高于0.0006RIU，响应时间小于1s。
以上任一所述基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置在检测商业制冷液、切削液浓度，食品饮料的糖度或盐度中的应用。
以上任一所述基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置在微生物检测中的应用。
此外，本申请所述装置在工业过程控制领域、食品药品领域、化妆品领域及环境监控等领域均可使用。且因其体积小，集成度高，灵敏度高，响应时间快等优点能够促进其在以上领域进行广泛应用。
本发明所述基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置的工作原理及操作流程：
如图3所示，本发明采用的布拉格光纤由一空芯和周期变化的高、低折射率聚合物包层组成。包层材料为市场非常普遍聚苯乙烯(英语：Polystyrene，简称PS)/聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate，简称PMMA)。
布拉格光纤通过光子带隙(Photonic Bandgap)效应导光，当一束宽光谱的光导入布拉格光纤后，只有位于其光带隙的光可以在纤芯中传输，而其带隙之外的光则很快衰减。根据布拉格光纤理论，该光纤透射光谱的中心波长由如下公式表示：
其中，λg为其透射光谱的中心波长，nh、nl分别为高、低折射率包层的折射率，dh、dl分别为高、低折射率包层的厚度，nc为线芯的折射率。由上述公式可知，布拉格光纤的中心波长与其纤芯折射率相关。通过追踪该光纤透射光谱的中心波长，可以获取纤芯填充液体的折射率。同时，由于液体折射率与其浓度信息有关，因此，通过测量液体的折射率，也可以得出其浓度信息。
使用本发明所述装置时，先设计、制作并选取布拉格光纤，通过校准该空芯布拉格光纤，从而确定其投射光谱中心位置与其纤芯填充液体折射率之间的关系式或对应关系，将其存入数据库待用。其次，将校准后的布拉格光纤放置于该装置中，其工作原理为：手机自带LED灯将作为布拉格光纤的入射宽光谱光源，并通过一个透镜准直后，由一根大孔径的多模光纤将光通过光学入射玻璃窗口耦合进入液芯布拉格光纤；经过待测液体后的透射光经过光学窗口后，由光栅分光，并由数码相机阵列纪录其光谱。其中，布拉格光纤的两端分别插入该光学模块的通道，并至底部，该通道的一端由光学玻璃封堵，另一端由密封薄膜封堵，以防液体漏出；采用光学玻璃是为了便于光学耦合，来自大孔径多模的LED宽光谱光，透过光学玻璃进入液芯布拉格光纤；待测液体通过液体通道进入空芯布拉格光纤，该光学模块同时实现了光学耦合和液体的耦合。另外，开发手机APP，该APP可以实现开关LED光源，并控制相机，从而纪录透射光经过光栅风光后的光谱；同时，该APP可以进行光谱分析，并实现对光谱特征(如中心波长、峰值波长)的提取。使用时，点开手机APP软件，点击开始测量，APP可以打开手机LED光源，打开手机自带数码相机，采集LED光源通过液芯光纤后的透射光谱；通过算法提取透射光谱的中心波长(或峰值波长)，并与校准光谱比较，从而可以给出待测液体的折射率。
有益效果：(1)本发明所述装置体积小，集成度高，可集成在智能手机平台上，实现低成本，便携式及一键快照式的监测；(2)所述装置仅用3-5cm的布拉格光纤即可实现高灵敏度的液体折射率监测，其灵敏度优于0.0006RIU，响应时间小于1s，能够实现遥控实时检测；(3)所述装置测试范围广，稳定性好，成本低且易于批量生产。
附图说明
图1是本发明所述基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置的结构示意图；
图2是本发明光学、液体耦合结构的局部图；
其中，1为多模光纤，2为智能手机，3为准直透镜，4为手机自带LED灯，5为液芯光纤固定壳体，6为液芯光纤固定座A，7为液芯光纤液体出口，8为液芯布拉格光纤，9为液芯光纤液体入口，10为液芯光纤固定座B，11为光栅，12为手机自带数码相机，13为壳体，14为密封薄膜，15为光学模块通道，16为液体通道；
图3是空芯布拉格光纤截面图；
图4是利用传递矩阵法模拟的布拉格光纤基模HE11损耗光谱随纤芯折射率变化示意图，模拟的灵敏度为1600nm/RIU；
图5是不同折射率下光纤的投射谱，实验测得的灵敏度为1500nm/RIU；
图6是线芯折射率与峰值波长移动量的拟合关系图；
图7是不同浓度制冷液的投射谱；
图8是本发明所述光纤传感器测得的折射率数据与供货商提供的参考数据对比图；
图9是布拉格光纤加工示意图。(a)光纤拉丝加工方法示意图；(b)拉制的布拉格光纤；(c)本发明拉制的布拉格光纤在导入白色光后，由于光子带隙的不同，传输的波段不同，因此呈现不同的颜色。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
如图1所示，基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置，所述装置以智能手机2为平台，搭建于手机自带LED灯4和手机自带数码相机12之间；手机自带LED灯4正前方设有准直透镜3且密封于壳体13内，手机自带数码相机12正前方设有光栅11且二者均密封于液芯光纤固定壳体5内；液芯光纤固定壳体5内光栅11的正前方设有液芯光纤固定座A6和液芯光纤固定座B 10，且两个固定座之间设有液芯布拉格光纤8，液芯布拉格光纤8两端分别连接有液芯光纤液体出口7和液芯光纤液体入口9；壳体13内准直透镜3前方设有多模光纤1，且多模光纤1另一端伸入液芯光纤固定壳体5内位于液芯光纤固定座A6上方。
如图2所示，液芯布拉格光纤8两端分别插入液芯光纤固定座A6和液芯光纤固定座B 10的光学模块通道15，两端均由光学玻璃封堵；且均通过密封薄膜14与液芯光纤固定座A6和液芯光纤固定座B 10分别形成密闭空间；液芯光纤液体出口7和液芯光纤液体入口9均通过液体通道16分别与相应的密闭空间连通。液芯光纤固定座A6和液芯光纤固定座B 10的两端均开设光学入射窗。
其中，多模光纤1的一端与准直透镜3中心相对，另一端与液芯布拉格光纤8相对。
所述液芯布拉格光纤8为聚合物布拉格光纤。所述液芯布拉格光纤8为聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯分别作为高、低折射率的聚合物包层构成。
将本发明所述装置与市售产品进行比较，结果如表1所示：
表1本项目研制产品与市场产品的对比
为了进一步验证本发明所述装置的布拉格光纤对其纤芯折射率的敏感度，对其传输特性进行了理论模拟和实验验证。如图4所示，模拟布拉格光纤的基模传递损耗随其纤芯折射率变化的曲线，可以看出，随着纤芯折射率的增加，基模的最低损耗峰随着纤芯折射率的增加向短波方向移动，其敏感度高达1600nm/RIU。此外，还对布拉格光纤的透射光谱进行了实验测试，如图5所示，随着纤芯折射率的增加，光纤的透射中心波长向短波方向移动，对应的折射率灵敏度高达1500nm/RIU。目前商业化的光谱仪的分辨率可以达到0.1nm，因此该布拉格光纤可以分辨0.00006RIU，该灵敏度比现有手持式折射率计高两个量级。即便采用成本低廉、体积小巧的光谱仪(分辨率为1nm)，该布拉格光纤仍可以获得0.0006RIU的测试精度。
实施例2
采用实施例1所述的基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置测试低损耗制冷液的浓度，首先对装置内的布拉格光纤进行校准，然后将其直接用于商业制冷液体的浓度检测。
如图6所示，通过图5所示的校准图，提取光纤投射谱的峰值波长与线芯折射率的关系，并对其进行线性拟合。不同液体填充该测试光纤后，其峰值波长的移动量(相对于去离子水填充光纤峰值波长而言)，将体现了该待测液体的折射率信息。通过该拟合的关系图即可测量待测液体的折射率，其具体实施方法是首先测试待测液体的投射谱，并提取其峰值波长位置相对于光纤由去离子水(n＝1.333)填充时峰值波长位置的移动量，在图6拟合的关系图中，可以计算出该波长移动量对应的线芯折射率，即为待测液体的折射率。
如图7所述，通过提取不同浓度条件下制冷液投射谱峰值波长相对于去离子水填充光纤的峰值波长位置的移动量，并与图6所示的拟合图比对，即可获得不同浓度制冷液的折射率。其中5％浓度制冷液即为5％体积的制冷液与95％体积的水混合而得的混合溶液。
如图8和表2所示，通过上述方式成功探测出待测制冷液的浓度。可见，其浓度检测的精度达到0.8％，足以满足大部分的工业应用。
表2布拉格光纤测量商业制冷液的浓度精度
商业液体 折射率精度 浓度精度
低损耗制冷液 0.0004 0.8％
实施例3
1.空芯布拉格光纤的设计与制造
针对不同的工业应用，本发明设计布拉格光纤的结构，并优化拉制工艺。典型的拉制过程包括：首先设计与制作预制棒，然后将预制棒放在光纤拉制塔中，利用普通光纤的拉制方法在更精密的温度和速度控制下拉成符合尺寸要求的光子晶体光纤。该工艺的核心在于使用材料的选择及拉制工艺的控制。本发明采用的加工工艺及拉制的光纤如图9所示。目前，本发明布拉格光纤的产率高于70％。
此外，本申请研究影响光纤灵敏度的因素，并通过优化参数，进一步提升其敏感性能。一般来说，光纤的灵敏度取决于纤芯折射率，包层结构薄膜的折射率及厚度。因此，本发明通过优化光纤结构及包层材料折射率搭配，优化其敏感性能。具体来说，通过传输矩阵法模拟光纤中传输的模式，来研究不同工艺参数对其灵敏度的影响，发现其趋势，并找出最佳材料及参数条件。
2.基于智能手机平台的硬件、模块设计
采用透镜将拓展光源(手机自带LED的光耦合进入布拉格光纤，然后利用光栅基光谱仪或者CCD光谱仪采集分析布拉格光纤的透射光谱。通过提取分析光谱的特征(如中心波长)，实现对纤芯液体的折射率传感。
该布拉格光纤传感器的灵敏度几乎与光纤长度无关。目前已经证实可以在长度短至3-5cm的布拉格光纤内实现各种液体的快速折射测量。这种紧凑的折射率传感器可以潜在地直接安装在智能手机上，其中LED和相机可以分别用作光源和检测仪器。特别地，通过在智能手机相机前面应用衍射光栅，可以将光分散成线谱，从而允许测量透射光谱。
本申请模拟了一种基于智能手机的布拉格光纤传感器，使用低成本塑料透镜将LED光准直成商业大芯光纤(例如，芯径为400μm的塑料包覆二氧化硅(PCS)光纤，ThorlabsBFL48-400，NA＝0.48)。选择该PCS光纤是因为易于处理(刚性低于例如600μmPCS光纤)和更好的光耦合效率(因为与直径为100μm或200μm的PCF相比其具有更大的表面积)。然后，PCS纤维与液芯Bragg纤维(中空纤芯直径：～600μm)对接。然后透射光可以通过透射衍射光栅(例如Thorlabs GT13-12)散射，并由相机记录。商用手机壳可用作支架以承载所有光学元件，包括准直透镜，引入光纤，光栅以及光学流体块。
3.基于智能手机的APP开发
为了实现智能手机LED的开关照明，与相机的图像采取，以及实现数据处理分析功能，本发明对Android和IOS系统开发应用APP，从而实现用于图像采集的相机曝光并同时激活LED光源。

Claims (9)

1.基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置，其特征在于，所述装置以智能手机(2)为平台，搭建于手机自带LED灯(4)和手机自带数码相机(12)之间；手机自带LED灯(4)正前方设有准直透镜(3)且密封于壳体(13)内，手机自带数码相机(12)正前方设有光栅(11)且二者均密封于液芯光纤固定壳体(5)内；液芯光纤固定壳体(5)内光栅(11)的正前方设有液芯光纤固定座A(6)和液芯光纤固定座B(10)，且两个固定座之间设有液芯布拉格光纤(8)，液芯布拉格光纤(8)两端分别连接有液芯光纤液体出口(7)和液芯光纤液体入口(9)；壳体(13)内准直透镜(3)前方设有多模光纤(1)，且多模光纤(1)另一端伸入液芯光纤固定壳体(5)内位于液芯光纤固定座A(6)上方。
2.根据权利要求1所述的基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置，其特征在于，液芯布拉格光纤(8)两端分别插入液芯光纤固定座A(6)和液芯光纤固定座B(10)的光学模块通道(15)，两端均由光学玻璃封堵；且均通过密封薄膜(14)与液芯光纤固定座A(6)和液芯光纤固定座B(10)分别形成密闭空间；液芯光纤液体出口(7)和液芯光纤液体入口(9)均通过液体通道(16)分别与相应的密闭空间连通。
3.根据权利要求1所述的基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置，其特征在于，液芯光纤固定座A(6)和液芯光纤固定座B(10)的两端均开设光学入射窗。
4.根据权利要求1所述的基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置，其特征在于，多模光纤(1)的一端与准直透镜(3)中心相对，另一端与液芯布拉格光纤(8)相对。
5.根据权利要求1所述的基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置，其特征在于，所述液芯布拉格光纤(8)为聚合物布拉格光纤。
6.根据权利要求5所述的基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置，其特征在于，所述液芯布拉格光纤(8)为聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯分别作为高、低折射率的聚合物包层构成。
7.根据权利要求1所述的基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置，其特征在于，所述装置的灵敏度高于0.0006RIU，响应时间小于1s。
8.权利要求1-7任一所述基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置在检测商业制冷液、切削液浓度，食品饮料的糖度或盐度中的应用。
9.权利要求1-7任一所述基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置在微生物检测中的应用。
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