CN114034664A - 一种基于v型结构的塑料光纤折射率传感器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器，包括光源、具有两个D型结构的塑料光纤、V型限位模块、光电探测器、信号处理及显示单元。光源发出的连续光信号进入塑料光纤，经过D型参考区时，从D型参考区泄漏的光进入第二光电探测器得到参考信号，穿过D型塑料光纤参考区的光进入D型传感区，最后从塑料光纤透射出，进入第一光电探测器得到传感信号。D型传感区塑料光纤固定在V型限位模块结构上，当有液体接触到D型传感区时，D型传感区中传输的光信号会产生衰减，处理器对传感信号和参考信号进行比值计算和相关运算后得到液体的折射率，所得结果经显示器显示。该折射率测量仪具有制作简单、灵敏度高、操作简便、成本低等优点。

Description

一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器及其工作方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器及其工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
选择性催化还原技术(SCR)是针对柴油车尾气排放中NOx的一项处理工艺，即在催化剂的作用下，喷入还原剂氨或尿素，把尾气中的NOx还原成N2和H2O。用车用尿素(车用尿素在一定温度下分解生成氨)对氮氧化物(NOx)进行选择性催化还原，从而达到既节能、又减排的目的。目前使用的车用尿素溶液一般由32.5％高纯尿素和67.5％的去离子水组成。在SCR还原系统中，尿素溶液中的尿素含量是关键因素之一。过高或过低的尿素含量不仅不能提高NOx的转化效率，反而会造成氨气逃逸。为了保证车用尿素的质量，浓度检测成为了车用尿素质量检测的一个重要指标。
光纤传感器因其重量轻，不受电磁干扰以及本征安全等特点在传感技术领域得到广泛应用。而塑料光纤成本低廉，使用在可见波长下，特别是塑料光纤易弯折且具有良好的拉伸强度，易于对其形状进行处理。现有的塑料光纤传感器有锥形、侧面抛光、线圈或其他任何在实际应用中更便捷的几何形状，用于测量折射率的变化，进而获得液体浓度、糖度、盐度等其它参数，在生物医学、环境监测、国家安全等领域有着广泛的应用。
目前现有的光纤液体折射率传感器一般采用光纤光栅(如：专利授权号为CN101545791 B的中国发明专利“光纤传感器及其在折射率及应变测量中的应用”)、光纤FP腔等技术，其特点是灵敏度较高，但其信号采集需要光谱仪，设备成本高；敏感元件的制备工艺也比较复杂。现在也有一些塑料光纤折射率传感器，如专利授权号为CN106841109B的发明专利“多槽结构的U型塑料光纤液体折射率传感器”提出了一种在塑料光纤上加工出多个小V型槽，并将塑料光纤弯制成U型，进而通过光强法获得液体折射率，该方法会受到光源波动的影响，导致被测参数折射率分辨率较低；专利授权号为CN 104266999 B的发明专利“一种基于D型塑料光纤探头的液体折射率测量仪”提出一种在塑料光纤上磨出D型槽，并将塑料光纤弯制成U型，通过对光源输出的光进行调制，消除光源波动的影响，进而获得较高液体折射率灵敏度，该方法由于使用了光源调制，信号解调较为复杂，成本较高。专利授权号为CN 209910687 U的实用新型专利“一种基于V型槽结构的塑料光纤传感器”是将塑料光纤制成长20cm，宽2cm，间隔0.1-50mm的锯齿型结构，这种工艺对于大芯径的塑料光纤比较困难，并且光纤损耗较大，对光源功率提高了要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器及其工作方法，其能够实现制作简单、灵敏度高、操作简便、成本低廉。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器，包括：
光源和具有D型结构的塑料光纤，所述光源用于发出连续光信号；所述塑料光纤包括两个D型结构，所述塑料光纤两端分别与光源和光电探测器相连接；所述塑料光纤的两个D型结构，一个位于D型参考区，另一个位于D型传感区。
进一步地，所述D型参考区一端的塑料光纤连接光源，D型传感区一端的塑料光纤连接第一光电探测器。
进一步地，所述D型参考区一端的塑料光纤的D型抛光面还连接有第二光电探测器，所述D型参考区的抛光面与第二光电探测器处在同一光路上。
进一步地，位于所述D型传感区的塑料光纤上设置有V型限位模块，通过V型限位模块固定D型传感区的塑料光纤。
进一步地，所述V型限位模块具有10°-80°的夹角。
进一步地，所述V型限位模块包括光纤嵌槽，所述光纤嵌槽为半圆形或U型可放进光纤的结构。
进一步地，所述第一光电探测器和第二光电探测器分别与信号处理与显示模块相连接。
进一步地，所述信号处理与显示模块计算D型参考区获得的参考信号以及D型传感区获得的待测信号，得出液体折射率或浓度大小并进行显示。
第二方面，本发明提供一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器工作方法，包括：
所述光源发出的连续光信号进入塑料光纤，经过D型参考区时，从塑料光纤的D型抛光面泄漏的光进入第二光电探测器得到参考信号；
穿过D型参考区的光进入D型传感区，并从塑料光纤透射出，进入第一光电探测器得到待测信号；
所述D型传感区的塑料光纤固定在V型限位模块上，当液体接触到D型传感区时，D型传感区中传输的光信号产生衰减，所述信号处理与显示模块对传感信号和参考信号进行计算后得到液体的折射率并进行显示。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明利用一根具有两个D型结构的塑料光纤将光源分成两路，一路光从D型塑料光纤参考区泄漏形成参考通道。用于监测光源波动，另一路光由塑料光纤透射形成测量通道，通过信号比值运算，实现了光源波动干扰的扣除，提高测量信号的信噪比。
(2)本发明利用一个V型结构固定D型光纤，使入射光经过D型传感区反射后，一部分光反射到塑料光纤中，被光电探测器转化成电信号，大部分子午光线因不满足光的全反射定律而泄露到溶液中，这种设计能增强传感器的渐逝场效应，可以提高测量信号的信噪比。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感装置示意图；
图2是V型限位模块内的D型塑料光纤传光示意图；
图3是V型限位模块示意图；
图4是本装置测量的折射率与透过率的关系及拟合曲线图；
其中，1、光源；2、塑料光纤；3、V型限位模块；4、第二光电探测器；5、第一光电探测器；6、信号处理与显示模块；7、D型参考区；8、D型传感区。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例1
一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器，包括：
光源和具有D型结构的塑料光纤，所述光源用于发出连续光信号；所述塑料光纤包括两个D型结构，所述塑料光纤分别与光源和光电探测器相连接。
进一步地，所述塑料光纤的两个D型结构，一个位于D型参考区，另一个位于D型传感区。
进一步地，所述D型参考区一端的塑料光纤连接光源，D型传感区一端的塑料光纤连接第一光电探测器。
进一步地，所述D型参考区一端的塑料光纤的D型抛光面还连接有第二光电探测器，所述D型参考区的抛光面与光电探测器处于同一光路上。
位于所述D型传感区的塑料光纤上设置有V型限位模块，通过V型限位模块固定D型传感区的塑料光纤。
所述V型限位模块3具有10°-80°的夹角。
所述第一光电探测器和第二光电探测器分别与信号处理与显示模块相连接。
所述信号处理与显示模块计算D型参考区获得的参考信号以及D型传感区获得的待测信号得出液体折射率或浓度，并进行显示。
具体的，
如图1，本发明的一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感装置，由光源(1)，具有2个D型结构的塑料光纤(2)，V型光纤限位模块(3)、光电探测器(4)、光电探测器(5)、信号处理与显示模块(6)组成。其中激光光源为840nm波长的SLD，光电探测器4为Si光电探测器，空间光输入，光电探测器5为Si光电探测器，光纤输入，工作波长400-1100nm，塑料光纤直径1mm，V型光纤限位模块夹角40度，嵌槽为半圆形，D型塑料光纤传感区抛磨深度为100um，D型塑料光纤参考区抛磨深度为100um。激光光源1发出的波长840nm的激光首先进入塑料光纤D型参考区，塑料光纤D型参考区泄露出的光由光电探测器(4)转变成参考电信号，经过D型参考区的光进入D型传感区，当D型传感区接触到液体时，会有部分激光从D型传感区泄露，产生光功率衰减，光电探测器(5)将传感光信号转变成传感电信号，参考电信号和传感电信号传递给信号处理与显示系统，进行比值运算，得到消除光源波动的光信号。通过改变液体的折射率重复进行上述测量可以得到本装置的透过率与折射率标准关系曲线，如图4，对其进行拟合后可以得到关系式：
VT＝-12.865n+18.061 (1)
这样，当塑料光纤D型传感区接触到待测液体后，本装置将首先测量出透射率VT，然后根据公式1得到液体折射率n。
实施例2.
一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器工作方法，包括：
所述光源发出的连续光信号进入塑料光纤，经过D型参考区时，从D型参考区泄漏的光进入第二光电探测器得到参考信号；
穿过D型参考区的光进入D型传感区，并从塑料光纤透射出，进入第一光电探测器得到待测信号；
所述D型传感区的塑料光纤固定在V型限位模块上，当液体接触到D型传感区时，D型传感区中传输的光信号产生衰减，所述信号处理与显示模块对传感信号和参考信号进行计算后得到液体的折射率并进行显示。
具体的，
光源发出的连续光信号进入塑料光纤，经过D型参考区时，从D型参考区泄漏的光进入光电探测器4得到参考信号，穿过D型塑料光纤参考区的光进入D型传感区，最后从塑料光纤透射出，进入光电探测器5得到待测信号。D型传感区塑料光纤固定在V型限位模块结构上，当有液体接触到D型传感区时，D型传感区中传输的光信号会产生衰减，处理器对传感信号和参考信号进行比值计算和相关运算后得到液体的折射率，所得结果经显示器显示。该折射率传感器具有制作简单、灵敏度高、操作简便、成本低等优点。
实施例3.
如图1，本发明的一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感装置，由光源(1)，具有2个D型结构的塑料光纤(2)，V型光纤限位模块(3)、光电探测器(4)、光电探测器(5)、信号处理与显示(6)等组成。其中激光光源为840nm波长的SLD，光电探测器4为Si光电探测器，空间光输入，光电探测器5为Si光电探测器，光纤输入，工作波长400-1100nm，塑料光纤直径0.75mm，V型光纤限位模块夹角30度，嵌槽为U形，D型塑料光纤传感区抛磨深度为150um，D型塑料光纤参考区抛磨深度为100um。激光光源1发出的波长840nm的激光首先进入塑料光纤D型参考区，塑料光纤D型参考区泄露出的光由光电探测器4转变成参考电信号，经过D型参考区的光进入D型传感区，当D型传感区接触到液体时，会有部分激光从D型传感区泄露，产生光功率衰减，光电探测器5将传感光信号转变成传感电信号，参考电信号和传感电信号传递给信号处理与显示系统，进行比值运算，得到消除光源波动的光信号。
其中，具有两个D型结构的塑料光纤2由以下步骤得到，
步骤1：将塑料光纤一端放到U型光纤夹具里，塑料光纤露出U型光纤夹具端面的高度为塑料光纤直径的5％-10％，使用抛光纸对露出的塑料光纤部分抛磨至模块端面，从而得到塑料光纤D型参考区。
步骤2：将塑料光纤用胶固定到V型模块上，塑料光纤露出V型光纤限位模块端面的高度为塑料光纤直径的30％-50％，使用抛光纸对露出的塑料光纤部分抛磨至模块端面，从而得到塑料光纤D型传感区。采用可见光波段的宽带光源作为光源。在信号处理及显示单元中计算参考信号和传感信号的比值，并预置透过率-折射率的关系，获得测量液体的折射率大小。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器，其特征在于，包括：
光源和具有D型结构的塑料光纤，所述光源用于发出连续光信号；所述塑料光纤包括两个D型结构，所述塑料光纤两端分别与光源和第一光电探测器相连接；所述塑料光纤的两个D型结构，一个位于D型参考区，另一个位于D型传感区。
2.如权利要求1所述的一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器，其特征在于，所述D型参考区一端的塑料光纤连接光源，D型传感区一端的塑料光纤连接第一光电探测器，第一光电探测器将透射的光强转变成传感信号。
3.如权利要求2所述的一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器，其特征在于，所述D型参考区一端的塑料光纤的D型抛光面还连接有第二光电探测器。
4.如权利要求3所述的一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器，其特征在于，所述D型参考区一端的塑料光纤的D型抛光面泄漏的光强由第二光电探测器接受并转变成光强参考信号。
5.如权利要求4所述的一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器，其特征在于，位于所述D型传感区的塑料光纤上设置有V型限位模块，通过V型限位模块固定D型传感区的塑料光纤。
6.如权利要求5所述的一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器，其特征在于，所述V型限位模块3具有10°-80°的夹角。
7.如权利要求6所述的一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器，其特征在于，所述V型限位模块包括光纤嵌槽，所述光纤嵌槽为半圆形或U型可放进光纤的结构。
8.如权利要求7所述的一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器，其特征在于，所述第一光电探测器和第二光电探测器分别与信号处理与显示模块相连接。
9.如权利要求8所述的一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器，其特征在于，所述信号处理与显示模块将D型参考区获得的光强参考信号以及D型传感区获得的传感信号进行计算转化成折射率或浓度，并进行显示。
10.一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器工作方法，基于如权利要求1-9任意一项所述的一种基于V型结构的塑料光纤折射率传感器，其特征在于，包括：
所述光源发出的连续光信号进入塑料光纤，经过D型参考区时，从D型参考区泄漏的光进入第二光电探测器得到光强参考信号；
穿过D型参考区的光进入D型传感区，并从塑料光纤透射出，进入第一光电探测器得到传感信号；
所述D型传感区的塑料光纤固定在V型限位模块上，当液体接触到D型传感区时，D型传感区中传输的传感信号产生衰减，所述信号处理与显示模块对传感信号和参考信号进行计算后得到液体的折射率或浓度并进行显示。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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Inventor after: Liu Tongyu

Inventor after: Li Zhen

Inventor after: Zhao Lin

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Inventor after: Xie Hongjing

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