CN111426337A - 一种基于侧抛光纤的Sagnac干涉流体传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种基于侧抛光纤的Sagnac干涉流体传感系统，包括侧抛光纤、毛细管、三通管、微型液体槽、压力泵、光纤耦合器、偏振控制器、将其接入Sagnac干涉仪后，两束相反方向传播的光经过此具有较高双折射的侧抛光纤，会以一定的偏振角度相干输出。本发明的流体传感系统易于实现流体材料的循环流动，通过观测流体材料在流体系统中循环流动时的相干输出，可以实现对流体材料的折射率等相关物理特性的检测。侧抛光纤抛磨区域的深度、长度灵活可控，通过调节抛磨深度可以控制流体系统对材料的灵敏度，通过调节抛磨长度可以控制流体系统与材料的反应舱大小，且其抛磨技术成熟、制作简单、成本低，可被广泛应用于光传感领域。
Description
技术领域
本发明属于光纤流体控制领域，具体涉及一种基于侧抛光纤的Sagnac干涉流体传感系统。
背景技术
微流体控制技术指至少有一维为微米甚至纳米尺度的低维通道结构中，控制体积为皮升至纳升的流体进行流动并传质、传热的技术。其关键技术主要包括微流体通道的设计与构造、微纳尺度流体的驱动与控制、器件及系统的集成。微流体控制技术使得功能材料可以从侧向进入流体循环通道之中，在流动的同时，发生光与物质的相互作用，可广泛应用于生化分析、环境监测等众多领域。
S.H.Kassani(文献Kassani S H,Park J,Jung Y,et al.Fast response in-linegas sensor using C-typefiber and Ge-doped ring defect photonic crystal fiber[J].Optics Express,2013,21(12):14074.)利用一种C型光纤设计出了全新光纤流体控制装置，将长度小于60μm的两段C型光纤，将光子晶体光纤与单模光纤熔接在一起形成稳定的光路。同时C型光纤的开口(约65°)可供流体材料流入和流出，并利用该装置进行了高灵敏度、高流速的气体传感实验。但C型光纤拉制较为困难，仅有少数研究机构具有制作能力，故在使用过程中很难根据需求的变动对其参数进行调整，并且流体材料必须在C型光纤中形成液芯，使信号光在其中传导，这不仅限制了流体材料的折射率，同时材料对光的吸收、散射等，也会对实验结果产生影响。N.Zhang(文献Zhang N,Humbert G,Wu Z,et al.In-lineoptofluidic refractive index sensing in aside-channel photonic crystal fiber[J].Optics Express,2016,24(24):27674-82.)利用带坡面的光纤，在边通道光子晶体光纤内实现了流体控制。然而，光纤带坡面的熔接技术，其开口效果依赖于光纤端面抛磨倾角及熔接时的放电量、对准情况等，故稳定性不足，且其开口较小，对流体流速有一定的限制。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中的问题。提出了一种基于侧抛光纤的Sagnac干涉流体传感系统。本发明的技术方案如下：
一种基于侧抛光纤的Sagnac干涉流体传感系统，其包括：
侧抛光纤(1)、毛细管(2)、三通管(3)、微型液体槽(4)、压力泵(5)、光纤耦合器(6)、偏振控制器(7)及温控箱(8)，所述侧抛光纤(1)的抛磨区域内嵌于毛细管(2)中，毛细管(2)两端分别接上三通管(3)，两个三通管(3)的垂直端分别外接微型液体槽(4)和真空泵(5)；所述光纤耦合器(6)的一端两个接口分别接上侧抛光纤(1)的一端和偏振控制器(7)的一端，光纤耦合器(6)的另一端两个接口分别接上光源和光谱仪；所述侧抛光纤(1)内嵌于毛细管(2)的部分设置在温控箱(8)中，其中侧抛光纤(1)用于提供高双折射和传感器探头，毛细管(2)用于与侧抛光纤共同组成反应舱，三通管(3)用于连接光纤与液体槽或真空泵，微型液体槽(4)用于存放液体，真空泵(5)用于控制液体流入流出，光纤耦合器(6)用于制作sagnac干涉仪，偏振控制器(7)用于制作sagnac干涉仪，及温控箱(8)用于提供恒温环境。
进一步的，所述侧抛光纤(1)是单模光纤经过侧向抛磨加工制成的，抛磨区域的光纤端面呈“D”型。
进一步的，所述侧抛光纤(1)是采用轮式机械抛磨法进行侧向抛磨加工制成的，利用夹具将单模光纤两端固定，中间用带砂纸的滚轮轴向研磨去掉部分包层，抛磨区域的光纤端面呈“D”型；最后需进行高压火抛光处理以确保抛磨面平整均匀，从而防止表面细微裂纹引起抛磨区域断裂，抛磨深度采用三维实时对径系统测量值结合传输光的功率损耗值来共同测算,；抛磨长度由旋转砂轮沿光纤轴向水平运动的距离决定，可以在研磨进程开始前在PC控制机中设置其参数的大小。
进一步的，所述毛细管(2)内径大于单模光纤直径，其内嵌侧抛光纤(1)后，仍可保证微流材料在其中充分流动，覆盖侧抛光纤(1)的整个抛磨面。
进一步的，所述三通管(3)两侧平行端分别与侧抛光纤(1)的未抛磨区域和毛细管(2)连接，垂直端分别外接微型液体槽(4)和压力泵(5)，各个接口处做密封处理；通过压力泵(5)施加负压，可实现微型液体槽(4)中的微流材料经三通管(3)的垂直端进入流体系统的反应舱；移开微型液体槽(4)，持续施加负压，即可实现反应舱中的材料流出流体系统。
进一步的，侧抛光纤(1)的双折射值可通过计算纤芯基模在两个偏振方向上的传播系数的差值的绝对值而得到，模式双折射度是用于衡量光纤高双折射率的主要性能指标，B越大，双折射越高，B通常定义为两个相互正交偏振基模的有效折射率的实部之差：
式中，
表示x偏振方向的有效折射率，
表示x偏振方向的有效折射率。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明提出了一种基于侧抛光纤的Sagnac干涉流体传感系统，其为一种光纤流体控制系统，包括侧抛光纤、毛细管、三通管、微型液体槽、压力泵、光纤耦合器、偏振控制器。本发明的创新点为侧抛光纤和毛细管组成流体循环结构。传统的流体控制技术是结合微结构光纤进行激光开孔、带倾角熔接等侧向开孔方式实现流体循环通道，弊端在于其制作工艺复杂，且通道开口小，极大程度限制了流体填充速度。而本发明巧妙结合侧抛光纤与毛细管共同组成流体通道，不仅制作简单，而且开口大，能实现流体材料的快速流动。将其接入Sagnac干涉仪后，可以通过调整抛磨光纤的抛磨长度和深度可以产生不同大小的双折射，从而在光纤耦合器的出射端进行相干输出。通过监测流体材料填充后输出光谱的变化，可以实现对流体材料折射率、浓度等相关物理特性的检测。本发明的流体传感系统易于实现流体材料的循环流动，且侧抛光纤抛磨区域的深度、长度灵活可控，通过调节抛磨深度可以控制流体系统对材料的灵敏度，通过调节抛磨长度可以控制流体系统与材料的反应舱大小，且其抛磨技术成熟、制作简单、成本低，可被广泛应用于光传感领域。
附图说明
图1是侧抛光纤流体控制结构示意图。
图2为抛磨区域端面结构图。
图3为本发明所述的一种基于侧抛光纤的Sagnac干涉流体传感系统示意图。
图4(a)为具体实施例中理论模拟不同温度下的透射光谱，图4(b)为所选观测点的温度响应。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明一种基于侧抛光纤的Sagnac干涉流体传感系统，其为一种流体控制系统，包括侧抛光纤、毛细管、三通管、微型液体槽、压力泵、光纤耦合器、偏振控制器。如图1所示，侧抛光纤的抛磨区域内嵌于毛细管中，毛细管两端分别接上三通管，两个三通管的垂直端分别外接微型液体槽和压力泵，光纤耦合器的一端两个接口分别接上侧抛光纤的一端和偏振控制器的一端，光纤耦合器的另一端两个接口分别接上光源和光谱仪，侧抛光纤内嵌于毛细管的部分设置在温控箱中。
侧抛光纤是单模光纤经过侧向抛磨加工制成的，抛磨区域的光纤端面如图2所示，呈“D”型。所述毛细管内径大于单模光纤直径，其内嵌侧抛光纤后，仍可保证微流材料在其中充分流动，覆盖侧抛光纤的整个抛磨面。所述三通管两侧平行端分别与侧抛光纤的未抛磨区域和毛细管连接，垂直端分别外接微型液体槽和压力泵，各个接口处做密封处理。通过压力泵施加负压，可实现微型液体槽中的微流材料经三通管的垂直端进入流体系统的反应舱；移开微型液体槽，持续施加负压，即可实现反应舱中的材料流出流体系统。
所述侧抛光纤是采用轮式机械抛磨法进行侧向抛磨加工制成的，利用夹具将单模光纤两端固定，中间用带砂纸的滚轮轴向研磨去掉部分包层，抛磨区域的光纤端面呈“D”型；最后需进行高压火抛光处理以确保抛磨面平整均匀，从而防止表面细微裂纹引起抛磨区域断裂。其中，抛磨深度采用三维实时对径系统测量值结合传输光的功率损耗值来共同测算以保证其准确可控；抛磨长度由旋转砂轮沿光纤轴向水平运动的距离决定，可以在研磨进程开始前在PC控制机中设置其参数的大小。
所述毛细管与抛磨光纤共同组成流体循环系统的反应舱，其内径大于单模光纤直径，内嵌侧抛光纤后，仍可保证微流材料在其中充分流动，覆盖侧抛光纤的整个抛磨面。
所述三通管两侧平行端分别与侧抛光纤的未抛磨区域和毛细管连接，垂直端分别外接微型液体槽和压力泵，各个接口处做密封处理。通过压力泵施加负压，可实现微型液体槽中的微流材料经三通管的垂直端进入流体系统的反应舱；移开微型液体槽，持续施加负压，即可实现反应舱中的材料流出流体系统。如此便实现了微流材料在流体控制系统中的循环流动。
通过将单模光纤抛磨加工，引入了不对称性，可以使其到达较高的双折射，其深度加工至靠近其倏逝场，光纤中的传输光越多地通过倏逝场泄漏到外界并参与和环境的相互作用。如图3所示，将侧抛光纤接入Sagnac干涉仪后，光纤耦合器将光源传来的入射光分为沿顺时针和逆时针传播的两束光，当这两束光经过具有较高双折射的侧抛光纤后，将会以一定的偏振角度在光纤耦合器的出射端相干输出。温控箱用于在环境温度剧烈变化或流体材料对温度十分敏感时，提供稳定的监测环境。通过观测流体材料填充后的相干输出，可以实现对流体材料折射率、浓度等相关物理特性的检测。侧抛光纤抛磨区域的深度、长度灵活可控，通过调节抛磨深度可以控制流体系统对材料的灵敏度，通过调节抛磨长度可以控制流体系统与材料的反应舱大小
在实施例中，利用Comsol软件进行理论模拟，设定侧抛光纤的抛磨区域抛磨长度为10cm，抛磨深度为59um，填充的温敏液体在25℃温度下、波长589.3nm处的折射率为1.3。理论计算的结果如图4a所示，随着温度的升高，归一化传输谱向短波方向移动。选择温度为15℃的波峰A点为观测点，其所在波长随温度的响应曲线如图4b所示，温度从15℃变化到45℃，该观测点移动了33nm，温度灵敏度为-1.11nm/℃
终上所述，本流体传感系统易于实现流体材料的循环流动，抛磨区域的深度、长度灵活可控，且技术成熟、制作简单、成本低，可被广泛应用于光传感领域。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (6)
1.一种基于侧抛光纤的Sagnac干涉流体传感系统，其特征在于，包括：
侧抛光纤(1)、毛细管(2)、三通管(3)、微型液体槽(4)、压力泵(5)、光纤耦合器(6)、偏振控制器(7)及温控箱(8)，所述侧抛光纤(1)的抛磨区域内嵌于毛细管(2)中，毛细管(2)两端分别接上三通管(3)，两个三通管(3)的垂直端分别外接微型液体槽(4)和真空泵(5)；所述光纤耦合器(6)的一端两个接口分别接上侧抛光纤(1)的一端和偏振控制器(7)的一端，光纤耦合器(6)的另一端两个接口分别接上光源和光谱仪；所述侧抛光纤(1)内嵌于毛细管(2)的部分设置在温控箱(8)中，其中侧抛光纤(1)用于产生高双折射和提供传感器探头，毛细管(2)用于与侧抛光纤共同组成反应舱，三通管(3)用于连接光纤与液体槽或真空泵，微型液体槽(4)用于存放液体)，真空泵(5)用于控制液体流入流出，光纤耦合器(6)用于制作sagnac干涉仪，偏振控制器(7)用于制作sagnac干涉仪，及温控箱(8)用于提供恒温环境。
2.根据权利要求1所述的一种基于侧抛光纤的Sagnac干涉流体传感系统，其特征在于，所述侧抛光纤(1)是单模光纤经过侧向抛磨加工制成的，抛磨区域的光纤端面呈“D”型。
3.根据权利要求2所述的一种基于侧抛光纤的Sagnac干涉流体传感系统，其特征在于，所述侧抛光纤(1)是采用轮式机械抛磨法进行侧向抛磨加工制成的，利用夹具将单模光纤两端固定，中间用带砂纸的滚轮轴向研磨去掉部分包层，抛磨区域的光纤端面呈“D”型；最后需进行高压火抛光处理以确保抛磨面平整均匀，从而防止表面细微裂纹引起抛磨区域断裂，抛磨深度采用三维实时对径系统测量值结合传输光的功率损耗值来共同测算,；抛磨长度由旋转砂轮沿光纤轴向水平运动的距离决定，可以在研磨进程开始前在PC控制机中设置其参数的大小。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于侧抛光纤的Sagnac干涉流体传感系统，其特征在于，所述毛细管(2)内径大于单模光纤直径，其内嵌侧抛光纤(1)后，仍可保证微流材料在其中充分流动，覆盖侧抛光纤(1)的整个抛磨面。
5.根据权利要求4所述的一种基于侧抛光纤的Sagnac干涉流体传感系统，其特征在于，所述三通管(3)两侧平行端分别与侧抛光纤(1)的未抛磨区域和毛细管(2)连接，垂直端分别外接微型液体槽(4)和压力泵(5)，各个接口处做密封处理；通过压力泵(5)施加负压，可实现微型液体槽(4)中的微流材料经三通管(3)的垂直端进入流体系统的反应舱；移开微型液体槽(4)，持续施加负压，即可实现反应舱中的材料流出流体系统。
6.根据权利要求5所述的一种基于侧抛光纤的Sagnac干涉流体传感系统，其特征在于，侧抛光纤(1)的双折射值可通过计算纤芯基模在两个偏振方向上的传播系数的差值的绝对值而得到，模式双折射度是用于衡量光纤高双折射率的主要性能指标，B越大，双折射越高，B通常定义为两个相互正交偏振基模的有效折射率的实部之差：
式中，
表示x偏振方向的有效折射率，
表示x偏振方向的有效折射率。
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2020
- 2020-03-30 CN CN202010235111.6A patent/CN111426337A/zh active Pending
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