CN111504529A - 一种微纳光纤纳牛量级力学传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微纳光纤纳牛量级力学传感器，包括单模输入传输光纤、多模光纤、单模输出传输光纤；单模输入传输光纤的输入端与宽带光源连接，其输出端与多模光纤的输入端连接，多模光纤的输出端与单模输出传输光纤的输入端连接，单模输出传输光纤的输出端与光电探测器连接；单模‑多模‑单模结构通过用熔接机将端面切平的三部分熔接在一起，然后将多模光纤部分用拉锥机进行拉锥，再将其弯曲成U型结构。先将该结构用原子力显微镜进行力的标定，再用标定后的U型结构的微纳光纤传感头接触待测样品，结合原子力显微镜力的标定，通过示波器的直流通道的电压的变化确定测量纳牛量级微小作用力的大小。本发明中的上述传感器检测精度高，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种微纳光纤纳牛量级力学传感器。
背景技术
原子力显微镜以其高分辨率、制样简单、操作易行等特点而备受关注，并已在生命科学、材料科学等领域发挥了重大作用，极大地推动了纳米科技的发展，促使人类进入了纳米时代。原子力显微镜的一种重要的测量方法是力-距离曲线，它包含了丰富的针尖-样品作用信息。在探针接近甚至压入样品表面又随后离开的过程中，测量并记录探针所受到的力，就得到针尖和样品间的力-距离曲线。根据针尖与样品材料的不同及针尖-样品距离的不同，针尖-样品作用力可以是原子间斥力、范德瓦尔斯吸引力、弹性力、粘附力、磁力和静电力以及针尖在扫描时产生的摩擦力。现有的纳牛力检测技术一般依赖于原子力显微镜，而原子力显微镜价格高昂，操作难度大且数量较少，本发明可以代替原子力显微镜实现对待测样品的纳牛力检测。众所周知，光纤成本较低，灵敏度高，而且使用方法很简单，操作容易。
发明内容
本发明的目的是提供一种微纳光纤纳牛量级力学传感器，提高检测精度，降低成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种微纳光纤纳牛量级力学传感器，所述传感器包括：
单模输入传输光纤、多模光纤以及单模输出传输光纤；
所述单模输入传输光纤的输入端与宽带光源连接，所述单模输入传输光纤的输出端与所述多模光纤的输入端连接，所述多模光纤的输出端与所述单模输出传输光纤的输入端连接，所述单模输出传输光纤的输出端与光电探测器连接。
可选的，所述单模输入传输光纤、所述多模光纤以及所述单模输出传输光纤之间通过熔接机进行熔接。
可选的，所述多模光纤具体包括：第一未拉锥多模区、第一多模锥形过渡区、锥形腰椎区、第二多模锥形过渡区以及第二未拉锥多模区；
所述第一未拉锥多模区、所述第一多模锥形过渡区、所述锥形腰椎区、所述第二多模锥形过渡区以及所述第二未拉锥多模区依次连接。
可选的，所述多模光纤的长度为3-50mm。
可选的，所述第一多模锥形过渡区的输入端的直径大于所述第一多模锥形过渡区的输出端的直径，所述第二多模锥形过渡区的输入端的直径小于所述第二多模锥形过渡区输出端的直径。
可选的，所述多模光纤的直径为0.5-20μm。
可选的，所述多模光纤为U形。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的基于单模-拉锥多模-单模U型结构的微纳光纤纳牛量级力学传感器通过拉锥机对多模光纤部分进行熔融拉锥，根据拉锥多模光纤对弯曲极其敏感的特性，将其弯曲成U型并用于纳牛量级微小作用力的测量，而且该光纤传感器具有结构简单、精确度极高的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例微纳光纤纳牛量级力学传感器整体使用时结构示意图；
图2为本发明实施例微纳光纤纳牛量级力学传感器结构示意图。
符号说明：
宽带光源1、微纳光纤纳牛量级力学传感器2、样本容器3、待测样品4、光电探测器5、示波器6、单模输入传输光纤201、多模光纤202、单模输出传输光纤203、第一未拉锥多模区2021、第一多模锥形过渡区2022、锥形腰椎区2023、第二多模锥形过渡区2024以及第二未拉锥多模区2025。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种微纳光纤纳牛量级力学传感器，提高检测精度，降低成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例微纳光纤纳牛量级力学传感器整体使用时结构示意图，图2为本发明实施例微纳光纤纳牛量级力学传感器结构示意图，如图1和图2所示，整个结构包括：
宽带光源1、微纳光纤纳牛量级力学传感器2、样本容器3、待测样品4、光电探测器5以及示波器6。
其中，微纳光纤纳牛量级力学传感器2包括：单模输入传输光纤201、多模光纤202以及单模输出传输光纤203。
所述单模输入传输光纤201、所述多模光纤202以及所述单模输出传输光纤204之间通过熔接机进行熔接。
所述单模输入传输光纤201的输入端与宽带光源1连接，所述单模输入传输光纤201的输出端与所述多模光纤202的输入端连接，所述多模光纤202的输出端与所述单模输出传输光纤203的输入端连接，所述单模输出传输光纤203的输出端与光电探测器5连接，所述光电探测器5与所述示波器6连接。
具体的，所述多模光纤202分为多个区域，具体包括：
第一未拉锥多模区2021、第一多模锥形过渡区2022、锥形腰椎区2023、第二多模锥形过渡区2024以及第二未拉锥多模区2025。
所述第一未拉锥多模区2021、所述第一多模锥形过渡区2022、所述锥形腰椎区2023、所述第二多模锥形过渡区2024以及所述第二未拉锥多模区2025依次连接。
其中，所述第一多模锥形过渡区2022的输入端的直径大于所述第一多模锥形过渡区2022的输出端的直径，所述第二多模锥形过渡区2024的输入端的直径小于所述第二多模锥形过渡区2024输出端的直径。
其中，多模光纤的长度为3-50mm，并用拉锥机将多模部分拉锥至直径为0.5-20μm。
具体的，所述多模光纤为U形，设计成U型结构主要有以下两个原因：①拉锥多模光纤对弯曲极其敏感，灵敏度高；②U型结构的光纤传感头更容易接触待测样品，方便测量施加在待测样品上的纳牛力。
但是本发明中的多模光纤不限于U形，也可为V形或其他能够实现本方案的检测的功能的其他任意形状均可。
实际操作过程中，基于单模-拉锥多模-单模U型结构的微纳光纤纳牛量级力学传感器，通过以下方法制备得到：
A、取一段单模输入传输光纤201通过熔接机与一定长度的多模光纤进行熔接，另一端熔接一段单模输出传输光纤203，将中间的多模光纤用拉锥机进行熔接制备得到未拉锥多模光纤部分、多模光纤锥形过渡区以及多模光纤锥形腰椎区。
B、将所述单模输入传输光纤201与宽带光源1连接，所述单模输出传输光纤204和光电探测器5连接其探头再连接至示波器6。使所述宽带光源1发出的光依次通过所述单模输入传输光纤201、第一未拉锥多模区2021、第一多模锥形过渡区2022、锥形腰椎区2023、第二多模锥形过渡区2024、第二未拉锥多模区2025和所述单模输出传输光纤204，到达光电探测器5，光电探测器5的作用是将光信号转换成电信号到达示波器6。
具体工作原理如下：
宽带光源1发出的光通过微纳光纤纳牛量级力学传感器2到达光电探测器5，光电探测器5把放大的信号传输到示波器6，当微纳光纤纳牛量级力学传感器2接触待测样品4时，微纳光纤纳牛量级力学传感器2传感头部分会发生微小形变，导致通过的光功率发生变化，示波器6接收到的信号也随之变化，结合原子力显微镜的标定以及示波器6的直流通道的电压的变化确定测量纳牛量级微小作用力的大小。
本发明可以代替原子力显微镜实现对待测样品的纳牛力检测。众所周知，光纤成本较低，灵敏度高，而且使用方法很简单，操作容易。
在本发明中，采用原子力显微镜对单模-拉锥多模-单模U型传感器结构进行力的标定，再用标定好的传感器测量施加在待测样品上的纳牛力。现有的纳牛量级力检测技术一般依赖于原子力显微镜，而原子力显微镜价格高昂，操作难度大且数量较少，本发明可以代替原子力显微镜实现对待测样品的纳牛量级力检测。众所周知，光纤成本较低，灵敏度高，而且使用方法很简单，操作容易。
采用单模-拉锥多模-单模U型光纤结构的主要原因是该结构对弯曲极其敏感，该纳牛量级力传感器结构简单，成本低，抗电磁干扰。单模-拉锥多模-单模U型传感器结构的传感头接触待测样品时，由于接触，光纤传感头部分发生微小形变，通过其中的光功率发生变化，进而导致示波器的谱线发生变化。通过分析示波器的电压和时间之间的关系，以及传感头移动的位移(μm级)结合原子力显微镜的标定即可确定施加在待测样品上的力的大小和时间之间的关系。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种微纳光纤纳牛量级力学传感器，其特征在于，所述传感器包括：
单模输入传输光纤、多模光纤以及单模输出传输光纤；
所述单模输入传输光纤的输入端与宽带光源连接，所述单模输入传输光纤的输出端与所述多模光纤的输入端连接，所述多模光纤的输出端与所述单模输出传输光纤的输入端连接，所述单模输出传输光纤的输出端与光电探测器连接。
2.根据权利要求1所述的微纳光纤纳牛量级力学传感器，其特征在于，所述单模输入传输光纤、所述多模光纤以及所述单模输出传输光纤之间通过熔接机进行熔接。
3.根据权利要求1所述的微纳光纤纳牛量级力学传感器，其特征在于，所述多模光纤具体包括：第一未拉锥多模区、第一多模锥形过渡区、锥形腰椎区、第二多模锥形过渡区以及第二未拉锥多模区；
所述第一未拉锥多模区、所述第一多模锥形过渡区、所述锥形腰椎区、所述第二多模锥形过渡区以及所述第二未拉锥多模区依次连接。
4.根据权利要求1所述的微纳光纤纳牛量级力学传感器，其特征在于，所述多模光纤的长度为3-50mm。
5.根据权利要求3所述的微纳光纤纳牛量级力学传感器，其特征在于，所述第一多模锥形过渡区的输入端的直径大于所述第一多模锥形过渡区的输出端的直径，所述第二多模锥形过渡区的输入端的直径小于所述第二多模锥形过渡区输出端的直径。
6.根据权利要求1所述的微纳光纤纳牛量级力学传感器，其特征在于，所述多模光纤的直径为0.5-20μm。
7.根据权利要求1所述的微纳光纤纳牛量级力学传感器，其特征在于，所述多模光纤为U形。
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