CN114413944B - 一种基于量子点的分布式光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分布式光纤传感器技术领域，方案为一种基于量子点的分布式光纤传感器，包括有触发源、传感光纤以及处理终端；所述传感光纤上设有若干组探测区，探测区的光纤内部设置有量子点，靠近量子点的位置设置有光电探测组件；相比于现有技术，本发明通过在同一根光纤上设置多个量子点探测区，在每个探测区分别设置光电探测组件，进而实现在多个位置进行传感的功能；本发明通过在相邻的探测区之间设置光过滤结构，能够避免不同量子点处产生的荧光相互干扰，保证了传感探测的准确性，通过设置的聚光连接器，能够将量子点产生的荧光高效聚集至光电探测组件处，进一步提高了传感的准确性。

Description

一种基于量子点的分布式光纤传感器

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感器技术领域，具体涉及到一种基于量子点的分布式光纤传感器。

背景技术

在近年来以光纤为传感元件的测量技术已成为目前传感技术中的研究热点。随着各种光纤器件的大量涌现，使用光纤及光纤器件来进行磁场、温度等传感的方法越来越受到人们的广泛关注。现有技术中使用光纤-量子点结合进行传感技术不在少数，但是其一般只能进行单点传感，即一根光纤上只有一个点位能进行测量，不能实现分布式测量，使用存在局限性。

公开日为2020年4月17日且公开号为CN210347904U的中国专利公开了一种基于NV色心的光纤磁场传感系统，包括测量探头和测量装置两部分，所述测量探头包括多模光纤、金属套管、金刚石NV色心和镀反射膜的光纤切片；多模光纤的一端设有填充金刚石NV色心的微腔，微腔为FP腔型，金属套管套设在多模光纤的设有微腔的一端，金属套管的一端和微腔的一端对齐；镀反射膜的光纤切片的一端和所述微腔的一端固定连接，镀反射膜的光纤切片的另一端镀有反射膜。该专利中单根光纤上单个量子点，其只能测量一个位置点的磁场环境，而在实际过程中，通常需要在待测区域的多个点位进行测量，现有技术只能通过布设多根光纤探头进行测量，使用起来不够方便。

基于此，本发明设计了一种基于量子点的分布式光纤传感器，以解决上述问题。

发明内容

本发明提出了一种基于量子点的分布式光纤传感器，通过在单根光纤设置多个量子点探测微结构，实现对周围环境的分布式传感。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于量子点的分布式光纤传感器，包括有触发源、传感光纤以及处理终端；

所述传感光纤上设有若干组探测区，所述探测区的内部设置有量子点，所述传感光纤上对应探测区一一对应设置有光电探测组件，所述光电探测组件包含探测核心；

所述触发源包含触发光部，所述触发光部用于产生触发光，并将触发光耦合进入传感光纤中，量子点在触发光的照射下产生应激荧光，部分应激荧光通过光电探测组件收集处理后传递至处理终端，处理终端对各探测区内光电探测组件传递的反馈信息进行分析处理。

如上所述的分布式光纤传感器，优选的是，相邻探测区之间设置有光过滤结构，光过滤结构用于通过触发光并反射剔除应激荧光。

如上所述的分布式光纤传感器，优选的是，所述光电探测组件设置于光过滤结构的应激荧光反射出口处。

如上所述的分布式光纤传感器，优选的是，所述光电探测组件设置于探测区的外围。

如上所述的分布式光纤传感器，优选的是，所述光电探测组件还包含聚光连接器，所述探测核心通过聚光连接器安装在探测区外围，所述聚光连接器包含弧面反光结构，弧面反光结构用于反射应激荧光至探测核心上。

如上所述的分布式光纤传感器，优选的是，所述聚光连接器包括底板和反射棚，所述探测核心安置在底板顶面的安装槽内，所述反射棚与底板顶面连接，所述反射棚与底板围成的空间为传感光纤通道，所述反射棚的罩面上设置有定位机构，聚光连接器通过定位机构与传感光纤定位连接。

如上所述的分布式光纤传感器，优选的是，所述量子点为金刚石NV色心颗粒，所述金刚石NV色心颗粒的长为10nm～10um、宽为10nm～10um、高为10nm～10um，所述金刚石NV色心颗粒的色心浓度区间为0.1~100ppm。

如上所述的分布式光纤传感器，优选的是，所述探测区为光纤微结构，若干组光纤微结构和连接光纤相连形成传感光纤，所述光纤微结构和连接光纤之间为可拆卸连接。

如上所述的分布式光纤传感器，优选的是，所述光纤微结构包括有短节光纤，所述短节光纤的两头设有光纤耦合器，所述短节光纤的中部设有一节去除涂覆层的裸光纤，该部分裸光纤称为透光裸层区，量子点位于透光裸层区的纤芯内。

如上所述的分布式光纤传感器，优选的是，所述传感光纤为与微波传输线组合而成的双线结构，所述触发源还包含微波源，所述微波源用于产生调制微波并通过微波传输线作用于量子点处。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、相比于现有技术，本发明通过在同一根光纤上设置多个量子点探测区，在每个探测区附近设置光电探测组件，进而实现在多个位置进行传感的功能；

2、本发明通过在相邻的探测区之间设置光过滤结构，能够避免不同量子点处产生的荧光相互干扰，保证了传感探测的准确性；

3、本发明通过设置的聚光连接器，能够将量子点产生的荧光高效聚集至光电探测组件处，进一步提高了传感的准确性；

4、本发明中传感光纤为可组装式结构，使用时可以任意添加量子点的数量以及改变探测位置，极大提高了分布式光纤传感器的应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明中光纤传感器的示意图；

图2为本发明实施例一中光纤微结构的结构示意图；

图3为图2中光纤微结构搭载光过滤机构以及光电探测组件的组合式光纤微结构示意图；

图4为图3中光纤微结构搭载微波传输线的组合式光纤微结构示意图；

图5为本发明实施例一中搭载光电探测组件（带聚光连接器）的光纤微结构示意图；

图6为图5中光纤微结构搭载微波传输线的结构示意图；

图7为本发明实施例一中探测核心的结构示意图；

图8为图2中搭载光电探测组件的光纤微结构与连接光纤组合而成的传感光纤示意图；

图9为图3中组合式光纤微结构与连接光纤组合而成的传感光纤示意图；

图10为图4中组合式光纤微结构与连接光纤组合而成的传感光纤示意图；

图11为本发明实施例二中光纤微结构搭载光过滤机构以及光电探测组件的结构示意图；

图12为本发明光电探测组件（带聚光连接器）的结构三维图；

图13为本发明光电探测组件（带聚光连接器）工作时的光路分析图；

图14为本发明中夹持结构的结构示意图；

图15为本发明实施例二中光纤微结构（含反光膜）的结构示意图。

附图标记如下：

1-触发源，2-传感光纤，3-处理终端；

11-触发光部，12-微波源，21-光纤微结构，22-连接光纤，23-光电探测组件，24-微波传输线，25-光过滤结构，211-短节光纤，212-光纤耦合器，213-量子点，214-透光裸层区，215-反光膜，231-探测核心，232-底板，233-反射棚，234-夹持结构，2311-光电探测器，2312-滤波片，2341-固定套，2342-活动套，2343-调节螺杆，2344-调节帽，2345-V形板，251-笼式镜座，252-双色片，31-锁相放大器，32-计算机。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参见附图1，本实施例提供一种基于量子点的分布式光纤传感器，包括有触发源1、传感光纤2以及处理终端3，

传感光纤2上设有若干组探测区，探测区的光纤内部设置有量子点213，靠近量子点213的位置设置有光电探测组件23，二者位置关系参见附图3；

触发源1包含触发光部11，触发光部11用于产生触发光，并将触发光耦合进入传感光纤2中，量子点213在触发光的照射下产生应激荧光，部分应激荧光通过光电探测组件23收集处理后传递至处理终端3，处理终端3对各探测区内光电探测组件23传递的反馈信息进行分析处理，从而实现对周围环境的分布式传感。

进一步的，本实施例中量子点213采用长宽高均为200nm、浓度为1ppm的含NV色心的金刚石微粒，触发光为532nm的绿色激光，在532nm的绿色激光的照射下，含NV色心的金刚石微粒会产生红色荧光，由于红色荧光的强弱与外部环境有关，因而可以通过测量荧光强度推算处外界环境（如外界磁场、温度等）；且因为NV色心处产生的红色荧光的入射角有相当部分不满足光纤的全反射条件，因而在探测区会有红光向外透射被光电探测组件23接收。

进一步的，如图9、图10所示，本例中，相邻探测区之间设置有光过滤结构25，光过滤结构25用于将沿传感光纤2传输的应激荧光过滤剔除，作为其中一种结构，见附图3，光过滤结构25包含笼式镜座251，笼式镜座251内倾斜安置有双色镜片252，该双色镜片252不允许除触发光之外的光纤通过，能够阻断相邻量子点之间反射荧光的窜位，每个光电探测组件只针对当前位置量子点的反射荧光进行感应，即在使用NV色心作为量子点的情况下，光过滤结构25能够通过绿光而不能透过红光，这样会避免当前位置产生的红光影响另一组探测区的检测精度。

进一步的，如附图1所示，本例中探测区为光纤微结构21，若干组光纤微结构21和连接光纤22相连形成传感光纤2，其形态参见附图8（含光电探测组件23），光纤微结构21和连接光纤22之间为可拆卸连接，一般通过光纤耦合器连接；传感光纤为可组装式结构，使用时可以任意添加量子点的数量以及改变探测位置，极大提高了分布式光纤传感器的应用范围。

实际实施时，优选将光过滤结构25通过光纤耦合器连接在光纤微结构21的一侧，如附图3所示，这样会使得检测结构尽量一体化，更便于拼装使用；当然，也可以将光过滤结构25连接在连接光纤22上。

进一步的，如附图2所示，本例公开其中一种光纤微结构21的具体结构，该光纤微结构21包括有短节光纤211，短节光纤211的两头设有光纤耦合器212，量子点213位于短节光纤211的纤芯内，短节光纤211中部为透光裸层区214，量子点213位于透光裸层区214内，这个结构的设计与前述描述红光透出探测区的原理对应，即“因为NV色心处产生的红色荧光的入射角有相当部分不满足光纤的全反射条件，因而在探测区会有红光向外透射被光电探测组件23接收”，实际设计可通过去除光纤涂覆层，达成红光被采集的目的。

进一步的，本例中光电探测组件23包含探测核心231和聚光连接器，探测核心231通过聚光连接器安装在传感光纤2上，聚光连接器包含弧面反光结构，弧面反光结构用于提高探测核心231接收反射荧光的效率。

其中，如附图7所示，探测核心231包括光电探测器2311和滤波片2312，滤波片2312贴设在光电探测器的光输入侧，其用于剔除反射的杂散光，只允许反射荧光穿过，在本例中，即允许NV色心产生应激的红光通过；如附图1所示，光电探测器2311与处理终端3中的锁相放大器31电性连接，锁相放大器31与计算机32连接。

其中，如附图12所示，聚光连接器包括底板232和反射棚233（即弧面反光结构），探测核心231安置在底板232顶面的安装槽内，反射棚233与底板232顶面连接，二者之间为可拆式连接关系，反射棚233与底板232围成的通道为传感光纤通道，反射棚233的罩面上设置有定位机构，聚光连接器通过定位机构与传感光纤2定位连接，优选的是，反射棚233的横截面呈抛物线形，当然，采用具备朝向探测核心方向反射光的结构均可以，本实施例中选取其为抛物线形，是利用了抛物线焦点发射的光经过反射后能够得出平行光，而平行光垂直照射光电探测器的效果更佳，其光路如附图13中虚线所示。

前述描述中，如附图14所示，定位机构包括前后左右对应的四组夹持结构234，夹持结构234包括贯穿连接在反射棚233上的固定套2341，固定套2341的一端限位插设有活动套2342，固定套2341的另一端转动贯穿设有调节螺杆2343，调节螺杆2343的里侧螺接贯穿活动套2342的一头，调节螺杆2343的外侧设有调节帽2344，活动套2342的另一头安装有V形板2345，左右侧V形板2345的中心点连线与反射棚233的焦点连线相交；

关于上述聚光连接器的使用方法：

首先，将反射棚233置于光纤探测区，然后旋转两侧的调节螺杆2343，通过V形板2345夹住光纤，实现对量子点的对焦放置，然后再将底板232与反射棚233组装成为一体即可。

关于聚光连接器的使用原理说明：见附图13所示，通过调节夹持结构234，使得光纤内的量子点移动至反射棚233的焦点连线上，由于反射棚233的横截面呈抛物线形，我们可以知道，在某个截面线上，焦点处量子点产生的荧光经过反射棚233反射后会使得入射红色荧光呈平行光反射回去，反射汇聚的平行光垂直照射光电探测器，会显著提升光探测效果，无疑提高了探测的准确性。

工作原理：触发源产生的532nm绿色激光耦合进入传感光纤内，同时对所有的NV色心量子点进行照射，在外界环境以及激光的双重作用下，NV色心应激产生红色荧光，产生的红色荧光经过滤波片过滤后被光电探测器感知转化为电信号，该数据最终通过锁相放大器处理后传输只计算机中进行计算分析，本领域技术人员知道，量子点的反射荧光强度与触发光强、外界环境（温度、磁场、电流、力等）有关，基于量子点稳态的能级跃迁方程，再通过测量反射荧光强度，即可进行外界环境的测量（即全光学测量法）。

具体实施时，考虑到测量点位置难以事先规划，本发明将传感光纤设计为可拆卸式结构，具体到本实施例中，将传感光纤设计为包含连接光纤和光纤微结构的组装式结构，在使用时，可以根据测量点的位置和数量，进行连接光纤和光纤微结构的增减连接，最终达到对检测区不同传感测量点的测量，实现精准分布式测量。

实施例二

参见附图11，本实施例与实施例一相比结构组成基本相似，其不同之处在于：一、实施例二中光电探测组件23设置于光过滤结构25的应激荧光反射出口处，而探测区不设光电探测组件23；二、本实施例中量子点213采用长宽高均为2um、浓度为10ppm的含NV色心的金刚石微粒。

原理解释：当使用532nm绿色激光激发NV色心时，其不仅会在探测区向外透射红光，且还会有部分红光通过光纤传输至光过滤结构25处，其中的双色镜片252会将红光反射排出，当光电探测组件23设置在此处，也可以探测到该部分红光，进而实现传感检测过程，与实施例一相比，本例提供了另一种更便于布设光电探测组件23的结构设计；

更进一步的，相比于实施例一，实施例二中可继续使用实施例中公开的光纤微结构21，即附图2所示结构，但是考虑到前述光纤微结构21中透光裸层区214会有较多红光浪费，为最大化提高红光收集效率，实施例二中在前述光纤微结构21的基础上，在透光裸层区214的表面镀一层反光膜215，参见附图15，该反光膜可阻止透光裸层区214向外透射光，使得红光尽量收束在光纤内传播，从而提高红光在光过滤结构25的应激荧光反射出口处的排量，提高光电探测组件23对红光的采集效率。

与实施例一相比，实施例二选择的金刚石NV色心颗粒的大小以及色心浓度均更高，其目的是提高本例中光电探测组件23的荧光采集效率。

实施例三

考虑到如前述采用全光学法进行测量得出的数据准确度不够高（全光学法特点是探测区间大，但是探测精度稍低），本实施例基于光测磁共振技术(ODMR)，在实施例一或实施例二的基础上增设了微波部分，该技术可进一步提高传感精确度。

如附图1、图10所示，传感光纤2为与微波传输线24组合而成的双线结构，触发源1还包含微波源12，微波源12用于产生调制微波并通过微波传输线24作用于量子点213处。

更进一步的，如附图4、图6、图10所示，微波传输线24同样采用分段式结构，在光纤微结构以及连接光纤上均使用微波传输线，使用时，通过微波线接头相互连接，优选的，微波传输线在光纤微结构上做缠绕处理（呈螺旋状，缠绕圈数不低于3圈），以增强微波信号作用能力。

工作原理：通过532nm激光照射NV色心量子点，同时微波源12产生调制微波作用于量子点，NV色心应激产生红色荧光，光电探测器将接收的荧光信号转化为电信号后传入锁相放大器31中，微波部的射频信号作为锁相放大器31的参考信号，锁相放大器31将接收的电信号进行过滤放大后传入计算机32中进行最终处理，并得到各个量子点处的ODMR谱，通过计算各个ODMR谱的中心频率，即可计算出量子点处的部分外界物理量。

注意的是，关于微波与NV色心配合使用进行磁场测量的方式已经在现有技术中被公开，属于现有技术，本发明是针对分布式光纤-NV传感器进行微波设计，其核心检测原理与现有技术一致，因而在本发明中不再赘述，此处只简述其与本发明中分布式传感器的配合结构设计。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种基于量子点的分布式光纤传感器，包括有触发源（1）、传感光纤（2）以及处理终端（3），其特征在于：所述传感光纤（2）上设有若干组探测区，所述探测区的内部设置有量子点（213），所述传感光纤（2）上对应探测区一一对应设置有光电探测组件（23），所述光电探测组件（23）包含探测核心（231）；所述触发源（1）包含触发光部（11），所述触发光部（11）用于产生触发光，并将触发光耦合进入传感光纤（2）中，量子点（213）在触发光的照射下产生应激荧光，部分应激荧光通过光电探测组件（23）收集处理后传递至处理终端（3），处理终端（3）对各探测区内光电探测组件（23）传递的反馈信息进行分析处理，相邻探测区之间设置有光过滤结构（25），光过滤结构（25）用于通过触发光并反射剔除应激荧光。

2.根据权利要求1所述的一种基于量子点的分布式光纤传感器，其特征在于：所述光电探测组件（23）设置于光过滤结构（25）的应激荧光反射出口处。

3.根据权利要求1所述的一种基于量子点的分布式光纤传感器，其特征在于：所述光电探测组件（23）设置于探测区的外围。

4.根据权利要求3所述的一种基于量子点的分布式光纤传感器，其特征在于：所述光电探测组件（23）还包含聚光连接器，所述探测核心（231）通过聚光连接器安装在探测区外围，所述聚光连接器包含弧面反光结构，弧面反光结构用于反射应激荧光至探测核心（231）上。

5.根据权利要求4所述的一种基于量子点的分布式光纤传感器，其特征在于：所述聚光连接器包括底板（232）和反射棚（233），所述探测核心（231）安置在底板（232）顶面的安装槽内，所述反射棚（233）与底板（232）顶面连接，所述反射棚（233）与底板（232）围成的空间为传感光纤通道，所述反射棚（233）的罩面上设置有定位机构，聚光连接器通过定位机构与传感光纤（2）定位连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于量子点的分布式光纤传感器，其特征在于：所述量子点（213）为金刚石NV色心颗粒，所述金刚石NV色心颗粒的长为10nm～10um、宽为10nm～10um、高为10nm～10um，所述金刚石NV色心颗粒的色心浓度区间为0.1~100ppm。

7.根据权利要求1所述的一种基于量子点的分布式光纤传感器，其特征在于：所述探测区为光纤微结构（21），若干组光纤微结构（21）和连接光纤（22）相连形成传感光纤（2），所述光纤微结构（21）和连接光纤（22）之间为可拆卸连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于量子点的分布式光纤传感器，其特征在于：所述光纤微结构（21）包括有短节光纤（211），所述短节光纤（211）的两头设有光纤耦合器（212），所述短节光纤（211）的中部设有一节去除涂覆层的裸光纤，该部分裸光纤称为透光裸层区（214），量子点（213）位于透光裸层区（214）的纤芯内。

9.根据权利要求1所述的一种基于量子点的分布式光纤传感器，其特征在于：所述传感光纤（2）为与微波传输线（24）组合而成的双线结构，所述触发源（1）还包含微波源（12），所述微波源（12）用于产生调制微波并通过微波传输线（24）作用于量子点（213）处。

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