CN111707206A - 一种带位置检测功能的量子点光纤微弯传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感应用领域，具体涉及一种用于对单点及多点发生微弯进行检测的带位置检测功能的量子点光纤微弯传感器。本发明使用紫外光作为激励光源，在光纤内部传播，当发生微弯损耗时，紫外光溢出纤芯激发涂覆在包层外特定位置的量子点颗粒，被激发的量子点发出特征光谱，并耦合回光纤纤芯，被探测端的光谱仪检测、分析，并确认微弯损耗发生位置和微弯程度。本发明使用光纤的数量与使用量子点的数量相同能最大化使用效率。如果使用N根光纤以及N种荧光材料，能将检测区域区分为N(N+1)个区域，相比初始的一种量子点只能检测一个位置有了大大的提高。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感应用领域，具体涉及一种用于对单点及多点发生微弯进行检测的带位置检测功能的量子点光纤微弯传感器。
背景技术
光纤具有电绝缘性能好、不受电磁干扰、无火花、能在易燃易爆的环境中使用等优点而越来越受到人们的重视，各种光纤传感器已相继问世。塑料光纤是一种由高折射率的聚合物纤芯基质和低折射率的聚合物包层材料制作而成的光纤，与石英光纤类似可用于曲率传感，但与石英光纤相比有着明显的易弯曲、不易折断、成本低廉的优势。所以塑料光纤常用于微弯传感器中。微弯光纤传感器是利用光纤中传播的高阶模全内反射条件因待测物理量而受到影响，部分能量在微弯段从侧面逸出，使光纤中的光通量减少，通过检查光能量的变化，测出相应的物理量。目前光纤微弯传感器(发明专利：光纤微弯传感器；专利公开号：CN1156819A) 采用了弧形刚性弹性片2将x方向的应变转换为y方向的位移，利用光纤的微弯损耗原理将此位移量通过光纤微弯程度的变化所引起的光纤中传输光的损耗变化来反映，实现了对应变尤其是拉伸应变的检测。它不仅可作拉伸及压缩应变传感器，还可以作温度传感器使用。一般的光纤微弯传感器都是由敏感光纤和变形器构成：变形器是由两片齿形板构成，敏感光纤在两片齿形板中穿过，当齿形板受到外力扰动时，光纤的微弯程度随之改变，从而导致光纤内部光功率变换，通过测量光功率来推算外界扰动大小。但是这些的光纤微弯传感器仅仅对光纤的输出功率进行检测，无法测量光纤微弯发生具体位置以及进行多点压力检测。而本专利利用了量子点技术设计了一种可以对光纤微弯位置以及多点微弯进行检测的光纤微弯传感器。
半导体量子点又称半导体纳米粒子或者半导体纳米晶，是一种零维纳米材料，其尺寸介于1-10nm之间。它通常是由无机核以及包覆在核表面的有机分子(也叫配体)所构成。对于量子点来说，当其尺寸达到一定的临界值时，材料的行为将呈现出量子特性，材料的结构和性质也将会发生从宏观到微观的改变。量子点具有传统有机材料不具备的一些独特光学性质，主要体现在以下几个方面：
可调谐的荧光发射光谱。通过改变量子点的尺寸和组成可以实现对量子点荧光发射光谱的调控，从而得到多种不同发光颜色的量子点，并可以使量子点的荧光发射光谱覆盖整个可见光区。
宽的激发光谱。同一个激发波长的光可以激发不同大小的量子点，不同尺寸的量子点发射出的荧光不同，有利于在同步检测中的应用。
大的斯托克斯位移(Stockes shift)以及窄且对称的发射光谱，大的斯托克斯位移使我们可以使用紫外光作为激发光源，激发出的荧光不会激发其他量子点，而窄对称光谱使我们使用量子检测位置时可以有效避免光谱重叠。
量子点具有良好的光稳定性，其荧光可以保持很长时间而不会发生褪色。
量子点除了其优越的光学性能外，还可以进行一些表面修饰。在本发明中，量子点包覆在光纤包层材料氟化聚合物中，釆用聚合物包覆并没有破坏量子点表面原来的结构，因此量子点仍然基本上保持着其原有的荧光性质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带位置检测功能的量子点光纤微弯传感器。
本发明的目的是这样实现的：
一种带位置检测功能的量子点光纤微弯传感器，使用紫外光作为激励光源，在光纤内部传播，当发生微弯损耗时，紫外光溢出纤芯激发涂覆在包层外特定位置的量子点颗粒，被激发的量子点发出特征光谱，并耦合回光纤纤芯，被探测端的光谱仪检测、分析，并确认微弯损耗发生位置和微弯程度。
所述的量子点光纤微弯传感器，涂覆在包层外层的量子点颗粒，包覆在聚合物当中，掺杂量子点的聚合物折射率与光纤包层内层折射率相同。
所述的量子点光纤微弯传感器，使用光纤夹具夹持光纤，从而构成微弯压力传感器，实现对多种参量的检测。
所述的光纤夹具，其特征在于使用多根量子点涂覆检测光纤错位排列，使发生微弯的位置每根光纤均受到相同程度的形变，分别检测多根光纤的激发信号，经过整合得到更精确的微弯损耗位置。
所述的光纤夹具，其特征在于不仅可以是齿牙形，也根据实际的使用场所的改变会而进行相应的形状改变，其特征在于对于同一外界变化可以保证每根光纤均受到相同的形变。
本发明的有益效果在于：
本发明可以判定微弯损耗发生位置以及微弯发生程度的结构，使用的光源为紫外激励光源，耦合到光纤内部，利用量子点的发光窄对称并且波长纯净容易区分的特性。在光纤不同区域的包层外涂覆不同荧光波长的量子点。光纤在正常传输无微弯损耗时，紫外光仅在纤芯传输不会激发量子点材料，只有当光纤发生微弯损耗时，紫外光从纤芯耦合到光纤包层，激发涂覆在包层外的量子点。此时由于光纤的微弯，包层外激发的荧光也可以耦合回光纤纤芯，被检测端的光谱仪探测到荧光波长的强度分布，此时便可以通过不同波长的光强分布确定微弯发生位置，通过特定波峰高度确定微弯损耗大小。并且可以同时检测多个波长达到多点检测的目的。采用塑料光纤，而包层采用折射率略小于纤芯的氟化聚合物材质。此种探测器所用的光纤结构为在氟化聚合物内层包层外面再加上一层量子点涂层，涂层为氟化聚合物与量子点的混合。通过合理调配，保持量子点涂层与内层包层的折射率相同。使用相同折射率的好处是可以提升荧光回传效率，不会因为紫外光传出包层时以及荧光回传时因为全反射的原因造成信号损失。量子点发光波长理论上可以覆盖整个可见光区域，但是为了减少传感器材料使用种类以及简化光纤制造的工艺难度，本发明还设计了多根光纤组共同测量的结构。这种结构通过光纤错位排布的方式，分析多根光纤的信号进行数据组合，可以得到准确的微弯位置。在理论上，使用光纤的数量与使用量子点的数量相同能最大化使用效率。如果使用N 根光纤以及N种荧光材料，能将检测区域区分为N(N+1)个区域，相比初始的一种量子点只能检测一个位置有了大大的提高。
附图说明
图1为所用敏感光纤结构图。
图2为多根光纤组的整体结构。
图3为多根检测光纤组成的检测组的排列方式。
图4为变形器具体结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
图1为所用敏感光纤结构图，包括光纤纤芯1-1，氟化聚合物包层1-2，量子点混和氟化聚合物涂层1-3。折射率分布为纤芯n1，包层n2与量子点涂层n3，空气1-4折射率n4，其中n1﹥n2＝n3﹥n4。图2为多根光纤组的整体结构，包括紫外光源2-1，变形器2-2，光纤合束器2-3，光谱仪2-4。图3为多根检测光纤组成的检测组的排列方式，为不同的区段涂覆的不同材料示意，其中3-1无量子点涂覆的白光纤，3-2涂覆量子点1，3-3涂覆量子点2，3-4量子点3，3-5涂覆量子点4。图4为变形器具体结构，变形器为两排相互错开的齿牙分布在光纤组的两侧，当受到外力压迫时会使光纤微弯变形，发生微弯损耗。齿牙由可弯曲柔性材料连接，这样检测器受到压力时不会影响到其他位置的齿牙。
单根光纤多点检测：此种方式可以对光纤多个位置的形变进行同时检测。为了方便产生光纤微弯损耗，加入了一种双排齿牙状的变形器，在变形器中只夹有一根光纤，可以减少串扰，此时设光纤长度为L，使用N种量子点材料，将光纤均分成N段，每段长度为L/N，并且涂上对应的一种量子点涂层。
设每种量子点发出的光波长为λ1、λ2、λ3……λN，其中λ1靠近光源端，λN靠近探测器端依次排布。由于每种量子点由于材料的不同，其荧光的效率，以及由于波长不同在弯折区域传回纤芯的效率也不同，所以设这种效率为b1、b2、b3……bN。
设紫外激励光源耦合到光纤的功率为P，在光纤发生弯折时对光纤的损耗为Pki(ki为微弯损耗系数，i用于区分不同微弯位置),，并且认为此时所发生损耗都溢出光纤包层，可以照射并激发外层量子点，而继续在纤芯传播的能量为P(1-ki)。
当实际检测过程中，我们通过光谱仪检测到的数据是不同波长的光的强度分布，由于量子点涂覆在光纤的不同区域，所以特征波长就是代表了光纤微弯损耗发生的位置，而不同特征波长的强度就是发生微弯损耗的程度，也就是ki的值的大小，我们假设在一个分为N段的光纤中每一段均发生了一个强度为ki的弯折。则此时我们接收到的强度信息可列出方程为：
……
联立以上各式可以求出各个位置发生的微弯损耗ki。
以上算式有两个前提，第一个是所有量子点所激发的荧光波长均大于在其他所有量子点被激发的波长阈值。目的是量子点所发生的荧光不会激发其他量子点引起数据混乱，第二个是对于同一个微弯，对于不同波长所产生损耗比例相同，均为ki。
在实际使用过程中，可以根据使用场景来自主选择是否增加双排齿牙状的变形器。如果在使用过程中外界因素可以直接造成光纤微弯，可以不增加变形器，这样做也可使光纤微弯传感器更加轻巧。如果外界变化为温度、压力等变化因素等，可以使用变形器，将待测量转化为光纤微弯。
多根光纤的光纤组进行组合检测：这种方式用于实现精确位置检测，可以使用更少的量子点分段检测更精细的位置。将多根光纤并排放入变形器中，保证变形器发生移动的时候每一根光纤都能受到相同的扰动。
设光纤长度为L所使用的光纤数量与量子点相同均为N，第一根光纤正常放置，第二根向后错位L/N2，第三根向后错位2L/N2，第N根光纤向后错位(N-1)/N2，这样一来，光纤检测长度增加为L+L/N最小检测区段长度为L/N2。
例如，对于如图3所示的由四种量子点四根光纤组成的检测组，测量的时候依次检测每根光纤的信号，如果量子点1发出波长为λ1，量子点2发出波长为λ2，量子点3发出波长为λ3，量子点4发出波长为λ4，无量子点涂覆的白光纤部分不会返回荧光。那么每一个L/16长度区段和检测信号对应关系如下：
| 检测区域 | 光纤信号 | 检测区域 | 光纤信号 | 检测区域 | 光纤信号 |
| 1 | 0000 | 8 | λ<sub>1</sub>λ<sub>2</sub>λ<sub>2</sub>λ<sub>2</sub> | 15 | λ<sub>3</sub>λ<sub>3</sub>λ<sub>4</sub>λ<sub>4</sub> |
| 2 | 000λ<sub>1</sub> | 9 | λ<sub>2</sub>λ<sub>2</sub>λ<sub>2</sub>λ<sub>2</sub> | 16 | λ<sub>3</sub>λ<sub>4</sub>λ<sub>4</sub>λ<sub>4</sub> |
| 3 | 00λ<sub>1</sub>λ<sub>1</sub> | 10 | λ<sub>2</sub>λ<sub>2</sub>λ<sub>2</sub>λ<sub>3</sub> | 17 | λ<sub>4</sub>λ<sub>4</sub>λ<sub>4</sub>λ<sub>4</sub> |
| 4 | 0λ<sub>1</sub>λ<sub>1</sub>λ<sub>1</sub> | 11 | λ<sub>2</sub>λ<sub>2</sub>λ<sub>3</sub>λ<sub>3</sub> | 18 | λ<sub>4</sub>λ<sub>4</sub>λ<sub>4</sub>0 |
| 5 | λ<sub>1</sub>λ<sub>1</sub>λ<sub>1</sub>λ<sub>1</sub> | 12 | λ<sub>2</sub>λ<sub>3</sub>λ<sub>3</sub>λ<sub>3</sub> | 19 | λ<sub>4</sub>λ<sub>4</sub>00 |
| 6 | λ<sub>1</sub>λ<sub>1</sub>λ<sub>1</sub>λ<sub>2</sub> | 13 | λ<sub>3</sub>λ<sub>3</sub>λ<sub>3</sub>λ<sub>3</sub> | 20 | λ<sub>4</sub>000 |
| 7 | λ<sub>1</sub>λ<sub>1</sub>λ<sub>2</sub>λ<sub>2</sub> | 14 | λ<sub>3</sub>λ<sub>3</sub>λ<sub>3</sub>λ<sub>4</sub> |
根据上图能够得知每一个区段都有对应不同的信号，使用四种量子点分区实现了20个区域的检测，最大化利用了光纤传感器。
依次检测每根光纤所激发的光波长，对应到以上表格的每个位数，例如检测到1-4根光纤信号为λ2λ3λ3λ3，则对应的发生微弯区段为12，再根据信号强度检测出微弯程度。
综上，本发明设计了一种带位置检测功能的量子点光纤微弯传感器，包括紫外光源、量子点涂覆光纤、变形夹具、光谱仪等。利用光纤发生微弯损耗时从纤芯逸漏到包层的紫外光激发涂覆在特定位置量子点发出荧光，通过光谱仪检测到的不同波长的光强分布来确定微弯发生的位置以及弯曲的程度。并且设计了一种错位排布的光纤组结构，多根光纤同时检测大大提高检测的位置精度。这种带位置检测的光纤传感器利用量子点的光学性能，在保证传统光纤微弯传感器的检测能力下，扩展了在不同位置检测的能力，可以应用于多种检测微弯强度和位置的测试环境。
Claims (5)
1.一种带位置检测功能的量子点光纤微弯传感器，其特征在于：使用紫外光作为激励光源，在光纤内部传播，当发生微弯损耗时，紫外光溢出纤芯激发涂覆在包层外特定位置的量子点颗粒，被激发的量子点发出特征光谱，并耦合回光纤纤芯，被探测端的光谱仪检测、分析，并确认微弯损耗发生位置和微弯程度。
2.根据权利要求1所述的一种带位置检测功能的量子点光纤微弯传感器，其特征在于：所述的量子点光纤微弯传感器，涂覆在包层外层的量子点颗粒，包覆在聚合物当中，掺杂量子点的聚合物折射率与光纤包层内层折射率相同。
3.根据权利要求1所述的一种带位置检测功能的量子点光纤微弯传感器，其特征在于：所述的量子点光纤微弯传感器，使用光纤夹具夹持光纤，从而构成微弯压力传感器，实现对多种参量的检测。
4.根据权利要求3所述的一种带位置检测功能的量子点光纤微弯传感器，其特征在于：所述的光纤夹具，其特征在于使用多根量子点涂覆检测光纤错位排列，使发生微弯的位置每根光纤均受到相同程度的形变，分别检测多根光纤的激发信号，经过整合得到更精确的微弯损耗位置。
5.根据权利要求4所述的一种带位置检测功能的量子点光纤微弯传感器，其特征在于：所述的光纤夹具，其特征在于不仅可以是齿牙形，也根据实际的使用场所的改变会而进行相应的形状改变，其特征在于对于同一外界变化可以保证每根光纤均受到相同的形变。
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Inventor after: Sun Weimin Inventor after: Li Song Inventor after: Dai Xinyu Inventor after: Xie Tianci Inventor after: Geng Tao Inventor after: Zhang Bin Inventor after: Li Haopeng Inventor after: Shi Qieming Inventor after: Qian Jinqian Inventor after: He Bo Inventor before: Sun Weimin Inventor before: Yan Yunxiang Inventor before: Wang Shengjia Inventor before: Zhang Yinghua Inventor before: Geng Tao Inventor before: Yan Qi Inventor before: Chen Xudong Inventor before: Jin Xiren Inventor before: Chen Longzhen Inventor before: Zhu Qingzhu Inventor before: Wang Jiabin |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
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