CN116337804A - 光纤传感器、光纤传感器系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光纤传感器、光纤传感器系统及其检测方法,光纤传感器包括微纳光纤,微纳光纤包括设置于传感光纤中心的第一光纤部以及与第一光纤部的两端连接的第二光纤部,第一光纤部的直径小于第二光纤部的直径,其中,第一光纤部包括至少一圈呈环形的第一光纤子部,本发明提供的光纤传感器通过在传感光纤中心设置至少一圈呈环形的第一光纤子部,增加了光在微纳光纤内的反射次数的同时,增加了光在微纳光纤内传播时产生的倏逝波的穿透深度,进而大大提高了光纤传感器的检测灵敏度;另外,本发明提供的光纤传感器系统的检测方法可同时对待测溶液进行定性和定量分析,进而节省了检测成本。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析检测技术领域,尤其涉及一种光纤传感器、光纤传感器系统及其检测方法。
背景技术
近年来,红外光纤传感检测是一种全新的红外光谱采样检测技术,适用于各类物质分子的检测,特别是有机液体。与衰减全反射法(Attenuated Total Reflection,ATR)采样技术相比,光纤具有更高的灵活性和更低的成本,其传感灵敏度更高。红外光纤对液体进行传感仍然基于全内反射和倏逝波原理,该技术已成功应用于分子识别和疾病的早期诊断。尽管基于倏逝波原理的光纤传感器已经在很多领域得到了广泛的应用,但仍存在灵敏度低、使用过程中光纤容易断裂、实用性差等缺点。
因此,亟需一种光纤传感器、光纤传感器系统及其检测方法以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种光纤传感器、光纤传感器系统及其检测方法,用于改善现有技术的光纤传感器的检测灵敏度低下的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种光纤传感器,包括微纳光纤,微纳光纤包括设置于传感光纤中心的第一光纤部以及与第一光纤部的两端连接的第二光纤部,第一光纤部的直径小于第二光纤部的直径;
其中,第一光纤部包括至少一圈呈环形的第一光纤子部。
在本申请实施例所提供的光纤传感器中,第一光纤部还包括第二光纤子部,第二光纤子部与第一光纤子部的一端连接,第二光纤子部的两端分别连接有第二光纤部;
其中,第二光纤子部的直径大于或者等于第一光纤子部的直径,第二光纤子部的直径由第二光纤子部的中心位置向远离传感光纤中心的两侧线性递增。
在本申请实施例所提供的光纤传感器中,第一光纤子部的直径范围在50μm至100μm之间,第二光纤子部的直径范围在50μm至400μm之间。
在本申请实施例所提供的光纤传感器中,第一光纤部包括n圈第一光纤子部,n的取值范围在1至4之间,第一光纤子部的弯曲半径范围在0.5mm至2mm之间。
在本申请实施例所提供的光纤传感器中,光纤传感器包括主体部,主体部包括一用于装载待测溶液的液体池;
其中,第一光纤部通过粘合层固定于液体池的底部,第二光纤部通过粘合层固定于主体部的上端面。
在本申请实施例所提供的光纤传感器中,微纳光纤经红外玻璃光纤拉锥而成,红外玻璃光纤的直径范围在150μm至1000μm之间,红外玻璃光纤可传输红外光的波长范围在850cm-1至4000cm-1之间。
相应地,本发明还提供一种光纤传感器系统,包括光源、透镜、MCT液氮制冷探测器、红外光谱仪、计算机以及如上任一项的光纤传感器。
相应地,本发明又提供一种采用如上的光纤传感器系统的检测方法,方法包括:
对光纤传感器系统的光路进行调整,使经过透镜聚焦的光线充分耦合进入光纤传感器中;
采集光纤传感器的红外透过光谱作为背景信号;
将待测溶液滴入光纤传感器中的液体池,以及采集待测溶液的红外吸收光谱,得到第一红外吸收光谱;
将第一红外吸收光谱与计算机内存储的标准红外光谱图谱进行对比分析,以得到待测溶液的具体组份信息。
在本申请实施例所提供的光纤传感器系统的检测方法中,将第一红外吸收光谱与计算机内存储的标准红外光谱图谱进行对比分析,以得到待测溶液的组份信息的步骤之后还包括:
配制至少3种不同标准体积浓度的待测溶液;
采集上述不同标准体积浓度的待测溶液各自对应的红外吸收光谱,得到至少3种第二红外吸收光谱;
通过第二红外吸收光谱选取待测溶液的特征吸收峰;
计算建立待测溶液的标准体积浓度与其特征吸收峰面积之间的线性拟合关系,以得到光纤传感器检测待测溶液的检测灵敏度。
在本申请实施例所提供的光纤传感器系统的检测方法中,计算建立待测溶液的标准体积浓度与其特征吸收峰面积之间的线性拟合关系,以得到光纤传感器检测待测溶液的检测灵敏度的步骤之后还包括:
将未知浓度的待测溶液滴入光纤传感器中的液体池,以及采集待测溶液的红外吸收光谱,得到第三红外吸收光谱;
通过第三红外吸收光谱获取待测溶液的特征吸收峰面积;
根据标准体积浓度与特征吸收峰面积之间的线性拟合关系,以计算待测溶液的实际体积浓度。
本发明的有益效果是:区别于现有技术的情况,本发明提供一种光纤传感器、光纤传感器系统及其检测方法,光纤传感器包括微纳光纤,微纳光纤包括设置于传感光纤中心的第一光纤部以及与第一光纤部的两端连接的第二光纤部,第一光纤部的直径小于第二光纤部的直径,其中,第一光纤部包括至少一圈呈环形的第一光纤子部,本发明提供的光纤传感器通过在传感光纤中心设置至少一圈呈环形的第一光纤子部,增加了光在微纳光纤内的反射次数的同时,增加了光在微纳光纤内传播时产生的倏逝波的穿透深度,进而大大提高了光纤传感器的检测灵敏度;另外,本发明提供的光纤传感器系统的检测方法可同时对待测溶液进行定性和定量分析,进而节省了检测成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光纤传感器的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的用于制备光纤传感器的弯曲装置的结构示意图;
图3为本发明实施例提供的光纤传感器系统的检测光路示意图;
图4为本发明实施例提供的光纤传感器系统的其检测方法流程图;
图5为本发明实施例1中未知物质的红外光谱与乙醇的标准红外谱图;
图6为本发明实施例1中不同体积浓度的乙醇溶液的红外光谱;
图7为对比例1至对比例4以及本发明实施例1至4建立的标准体积浓度与其特征吸收峰面积的线性关系示意图;
图8为本发明实施例5至8建立的标准体积浓度与其特征吸收峰面积的线性关系示意图;
图9为本发明实施例9中未知物质1的红外光谱与苯甲醇的标准红外谱图;
图10为本发明实施例9中未知物质2的红外光谱与苯甲醛的标准红外谱图;
图11为本发明实施例9中建立的4种不同体积浓度的苯甲醇与苯甲醛的混合水溶液的红外吸收光谱;
图12为本发明实施例9中建立的光纤传感器在苯甲醇与苯甲醛的混合水溶液中的吸收峰面积与体积浓度的线性关系示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例,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,均属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图12,本发明提供一种光纤传感器100、光纤传感器系统300及其检测方法,光纤传感器100包括微纳光纤11,微纳光纤11包括设置于传感光纤中心的第一光纤部111以及与第一光纤部111的两端连接的第二光纤部112,第一光纤部111的直径小于第二光纤部112的直径,其中,第一光纤部111包括至少一圈呈环形的第一光纤子部1111。
本发明提供的光纤传感器100通过在传感光纤中心设置至少一圈呈环形的第一光纤子部1111,在增加了光在微纳光纤11内的反射次数的同时,增加了光在微纳光纤11内传播时产生的倏逝波的穿透深度,进而大大提高了光纤传感器100的检测灵敏度;另外,本发明提供的光纤传感器系统300的检测方法可同时对待测溶液进行定性和定量分析,进而节省了检测成本。
现结合具体实施例对本申请的技术方案进行描述。
请参阅图1,图1是本发明实施例提供的光纤传感器100的结构示意图;其中,本发明实施例提供的光纤传感器100包括微纳光纤11,微纳光纤11包括设置于传感光纤中心的第一光纤部111以及与第一光纤部111的两端连接的第二光纤部112,第一光纤部111的直径小于第二光纤部112的直径;
其中,第一光纤部111包括至少一圈呈环形的第一光纤子部1111。
进一步地,当红外光与光纤传感器100中的微纳光纤11充分耦合后,大量红外光进入到微纳光纤11中,使得红外光在微纳光纤11中容易满足全反射条件。根据电磁波的连续性,红外光在发生全反射时并不能立刻截止,会在微纳光纤11与待测试样之间的接触面产生一道倏逝波。
上述倏逝波会短暂地泄漏出反射平面,然后返回到微纳光纤11中。在该过程中,待测试样在入射光频率区域内有选择性吸收,特征吸收频率位置的光强度发生减弱,产生与透射吸收相类似的效果,从而输出携带有材料信息(分子振动信息)的倏逝波吸收光谱。
为了增强倏逝波与物质的相互作用,以提高光纤传感器100的检测灵敏度,应尽可能加强倏逝场的穿透深度dp,dp的方程可以表示为:
其中,λi和θi分别为入射光的波长和入射角,n1和n2分别为微纳光纤11和周围介质(即待测试样)的折射率。
因此,在本发明实施例中,由于第一光纤部111包括至少一圈呈环形的第一光纤子部1111,使得第一光纤部111的部分区域的弯曲半径减小,减小了入射光的入射角θi,进而增加了倏逝场的穿透深度dp,进一步增加了光纤传感器100的检测灵敏度;同时,由于第一光纤部111包括至少一圈呈环形的第一光纤子部1111,增加了红外光在第一光纤部111中的传播路径,进而增加了红外光在微纳光纤11中的全内反射次数,从而更进一步增加了光纤传感器100的检测灵敏度。
具体地,第一光纤子部1111的弯曲半径范围在0.5mm至2mm之间;其中,第一光纤子部1111的弯曲半径小于0.5mm时,导致微纳光纤11在使用过程中容易断裂;第一光纤子部1111的弯曲半径大于2mm时,导致光纤传感器100的检测灵敏度过低。
在本发明实施例中,第一光纤部111还包括第二光纤子部1112,第二光纤子部1112与第一光纤子部1111的一端连接,第二光纤子部1112的两端分别连接有第二光纤部112;
其中,第二光纤子部1112的直径大于或者等于第一光纤子部1111的直径,第二光纤子部1112的直径由第二光纤子部1112的中心位置向远离传感光纤中心的两侧线性递增。上述设计使得本发明的光纤传感器100同时结合了锥形光纤与环形光纤的优点,能够进一步提高光纤传感器100的检测灵敏度。
在本发明实施例中,第一光纤子部1111的直径范围在50μm至100μm之间,第二光纤子部1112的直径范围在50μm至400μm之间。其中,第一光纤子部1111的直径小于50μm时,导致微纳光纤11在使用过程中容易断裂;第一光纤子部1111的直径大于100μm时,导致光纤传感器100的检测灵敏度过低。这是由于当第一光纤子部1111的直径减小时,增加了红外光在微纳光纤11中的全内反射次数,提高了光纤传感器100的检测灵敏度。
在本发明实施例中,第一光纤部111包括n圈第一光纤子部1111,n的取值范围在1至4之间。其中,弯曲圈数的增加不会改变倏逝场的穿透深度dp,但会增加红外光在微纳光纤11中的全内反射次数,进而提高了光纤传感器100的检测灵敏度。
在本发明实施例中,微纳光纤11经红外玻璃光纤拉锥而成,红外玻璃光纤的直径范围在150μm至1000μm之间,红外玻璃光纤可传输红外光的波长范围在850cm-1至4000cm-1之间。
进一步地,红外玻璃光纤的材质包括但不局限于Ge-As-Se-Te、As-Se、Ge-As-Se等硫系玻璃。
请参阅图1,光纤传感器100包括主体部10,主体部10包括一用于装载待测溶液的液体池101;
其中,第一光纤部111通过粘合层固定于液体池101的底部,第二光纤部112通过粘合层固定于主体部10的上端面,粘合层优选为紫外固化胶。
具体地,光纤传感器100还包括与主体部10一体成型的手柄部12,手柄部12用于调整光源301与微纳光纤11的相对位置,手柄部12包括两个便于光路操作和定位的手柄。
具体地,微纳光纤11采用红外玻璃光纤经过拉锥和弯曲工艺制备而成,液体池101采用3D打印技术制备,液体池101的材质包括但不局限于聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、光敏树脂等塑料材料。
在本发明实施例中,上述光纤传感器100的具体制备方法包括以下步骤:
步骤一、光纤的制备:
将硫系玻璃加工成光纤预制棒,采用拉丝塔将预制棒拉制成直径范围为150μm至1000μm的光纤。
步骤二、锥形微纳光纤的拉制:
取3cm至10cm长度的光纤,将其固定在光纤拉锥机光纤夹具上,然后在光纤中间加热至出现轻微变形时开始拉锥,通过设置程序控制的两台高精度步进电机的位移速度,使用数字显微镜实时监测光纤的拉锥过程,达到预设的锥区长度和腰区直径后停止加热,并迅速移除加热模块;
其中,预设锥区长度范围在10mm至30mm之间,锥形微纳光纤的腰区直径范围在50μm至100μm之间(腰区直径即为第一光纤子部1111的直径)。
步骤三、环形微纳光纤的制备:
请参阅图2,图2为本发明实施例提供的用于制备光纤传感器100的弯曲装置的结构示意图;其中,弯曲装置包括支架,支架包括底板以及与底板连接的支撑柱,底板上设置有带有刻度的圆盘,支撑柱上套设有夹具,夹具上固定有陶瓷加热棒。
具体地,首先将制备好的硫系玻璃锥形光纤放在带有刻度的圆盘上,圆盘放在支架上,然后将被夹具固定的陶瓷加热棒加热到光纤的软化温度,将光纤围绕陶瓷加热棒缓慢弯曲;达到预定圈数后,向上移动夹具,将弯曲好的光纤从陶瓷加热棒上取下,即得到预设弯曲半径和弯曲圈数的微纳光纤11。
步骤四、光纤传感器100的主体部10的制备:
根据微纳光纤11的尺寸设计液体池101,将设计好的模型文件导入3D打印机中打印出具有液体池101的主体部10和手柄部12。
步骤五、封装固定:
将制备好的环形红外微纳光纤11放入液体池101中,用紫外固化胶将其固定封装,并将微纳光纤11的多余部分截断,使微纳光纤11的端面与液体池101的两端平齐。
步骤六、抛光:
用抛光机对环形的微纳光纤11的两端端面进行抛光,直至微纳光纤11的端面无划痕,呈现镜面,经通光测试合格即得到本发明实施例的光纤传感器100。
相应地,本发明还提供一种光纤传感器系统300,包括光源301、透镜302、MCT液氮制冷探测器303、红外光谱仪304、计算机以及如上任一项的光纤传感器100。请参阅图3,图3为本发明实施例提供的光纤传感器系统300的检测光路示意图,其中光源301、透镜302、光纤传感器100、MCT液氮制冷探测器303、红外光谱仪304以及计算机沿第一方向依次设置;
具体地,光源301发射红外光,光源301为硅碳棒或高压汞灯;透镜302的材质为ZnSe,透镜302用于将光源301发射的红外光聚焦;MCT液氮制冷探测器303用于傅立叶变换型红外光谱仪304中。MCT是mercury cadmium telluride的英文缩写。
MCT液氮制冷探测器303采用Hg-Cd-Te半导体材料薄膜,又称光电导检测器,其吸收辐射后非导电性的价电子跃迁至高能量的导电带,从而降低了半导体的电阻,产生信号。该检测器用于中红外及远红外区,需冷至液氮温度(77K)以降低噪声。
请参阅图3以及图4,本发明又提供一种采用如上的光纤传感器系统300的检测方法,方法包括:
S10,对光纤传感器系统300的光路进行调整,使经过透镜302聚焦的光线充分耦合进入光纤传感器100中。
具体地,S10还包括:
光路调整:首先打开红外光谱仪304,将仪器连接的光源301调整至外置光路模式,通过透镜302对上述光源301进行聚焦;
之后,将光纤传感器100置于检测光路中,通过三维位移台调整透镜302、光纤传感器100和MCT液氮制冷探测器303三者之间的相对位置,以使红外光谱仪304探测到的红外光信号达到最佳,进而使聚焦的红外光线充分耦合进入光纤。
S20,采集光纤传感器100的红外透过光谱作为背景信号。
具体地,S20还包括:
背景扫描:通过红外光谱仪304扫描光纤传感器100的红外透过光谱作为背景信号。
S30,将待测溶液滴入光纤传感器100中的液体池101,以及采集待测溶液的红外吸收光谱,得到第一红外吸收光谱。
具体地,S30还包括:
未知物质的定性分析:将未知有机物溶液滴入液体池101,扫描其红外吸收光谱,得到第一红外吸收光谱;将第一红外吸收光谱与计算机内存储的标准红外光谱图谱进行对比分析,以得到待测溶液的具体组份信息。
进一步地,将第一红外吸收光谱与计算机内存储的标准红外光谱图谱进行对比分析,以得到待测溶液的组份信息的步骤之后还包括:
首先,配制至少3种不同标准体积浓度的待测溶液用于光纤传感器100灵敏度标定,其中,待测溶液由待测样品与溶剂组成,标准体积浓度(待测样品与混合溶液的体积比)的范围在1%至99%之间;
之后,使用红外光谱仪304采集上述不同标准体积浓度的待测溶液各自对应的红外吸收光谱,得到至少3种第二红外吸收光谱;
之后,逐一测试3种标准浓度液体的第二红外吸收光谱,选取待检测液体的特征吸收峰;
最后,根据朗伯比尔定律计算建立待测溶液的标准体积浓度与其特征吸收峰面积之间的线性拟合关系式为:y=kx+C,x为待测溶液的标准体积浓度,y为特征吸收峰面积,k为微纳光纤11的检测灵敏度,C为常量。
其中,根据上述公式可以得到光纤传感器100检测待测溶液的检测灵敏度,最低可检测的液体浓度为最低检出限。
进一步地,计算建立待测溶液的标准体积浓度与其特征吸收峰面积之间的线性拟合关系,以得到光纤传感器100检测待测溶液的检测灵敏度的步骤之后还包括:
首先,将未知浓度的待测溶液滴入光纤传感器100中的液体池101,以及采集待测溶液的红外吸收光谱,得到第三红外吸收光谱;
其次,通过第三红外吸收光谱获取待测溶液的特征吸收峰面积;
最后,根据标准体积浓度与特征吸收峰面积之间的线性拟合关系式,以计算待测溶液的实际体积浓度。
具体地,上述检测方法基于红外光谱,可检测的物质限于能在850cm-1至4000cm-1选择性吸收某些波长的红外线,而引起分子中振动能级和转动能级的跃迁,产生具有检测物质分子特征吸收峰的红外光谱。
优选地,采用上述光纤传感器100对乙醇的检测灵敏度范围为0.62a.u./%至1.52a.u./%之间,对苯甲醛的检测灵敏度为23.26a.u./%,对苯甲醇的检测灵敏度为0.07a.u./%。
下面通过对比例1至对比例4、以及实施例1至实施例9,对前述光纤传感器系统300的检测方法的实施效果进行分析阐述。请参阅表1,表1为不同种类的光纤传感器100的具体材质和具体参数,如下表1所示:
表1
其中,对比例1至对比例4为仅由锥形微纳光纤制备的光纤传感器100,本发明实施例1至本发明实施例9为本发明制备的具有环形微纳光纤制备的光纤传感器100。
请参阅表2,表2为对比例1至对比例4、以及本发明实施例1至本发明实施例9制备的光纤传感器100中微纳光纤11的参数和检测性能,如下:
表2
请参阅图5至图12,图5为本发明实施例1中未知物质的红外光谱与乙醇的标准红外谱图;图6为本发明实施例1中不同体积浓度的乙醇溶液的红外光谱;图7为对比例1至对比例4以及本发明实施例1至4建立的标准体积浓度与其特征吸收峰面积的线性关系示意图;图8为本发明实施例5至8建立的标准体积浓度与其特征吸收峰面积的线性关系示意图。
请参阅表1、表2以及图5可知,本发明实施例1中未知物质的红外光谱具有与乙醇相同的特征峰,证明本发明实施例1中的未知物质含有未知浓度的乙醇。
请参阅表1、表2以及图6可知,本发明实施例1中体积浓度越大的乙醇溶液的红外光谱中对应的特征峰面积越大,100%体积浓度的乙醇溶液大于0.1%体积浓度的乙醇水溶液。
请参阅表1、表2以及图7可知,对比例1至对比例4提供的光纤传感器100的检测灵敏度依次增加,且本发明实施例1至本发明实施例4提供的光纤传感器100的检测灵敏度依次增加;其中,本实施例1至实施例4提供的光纤传感器100的检测灵敏度均高于对比例1至对比例4提供的光纤传感器100的检测灵敏度;这说明具有环形微纳光纤的光纤传感器100比仅具有锥形微纳光纤的光纤传感器100的检测灵敏度高。
具体地,将实施例1、实施例2与对比例3进行对比可知,具有环形微纳光纤的光纤传感器100比仅具有锥形微纳光纤的光纤传感器100的检测灵敏度高。
具体地,将对比例3与对比例2进行对比可知,或者将对比例4与对比例1进行对比,可知具有更小腰区直径的光纤传感器100具有更高的检测灵敏度。
具体地,将实施例2与实施例1进行对比可知,具有更多弯曲圈数的光纤传感器100具有更高的灵敏度。
具体地,请参阅表1、表2以及图8可知,本发明实施例5至本发明实施例8提供的光纤传感器100的检测灵敏度依次增加,这说明随着弯曲圈数的增加,具有环形微纳光纤的光纤传感器100的检测灵敏度也随着增加。
具体地,将实施例6与实施例4进行对比可知,具有更小弯曲半径的光纤传感器100具有更高的检测灵敏度。
请参阅图9,图9为本发明实施例9中未知物质1的红外光谱与苯甲醇的标准红外谱图;具体地,请参阅表1、表2以及图9可知,本发明实施例9中未知物质1的红外光谱具有与苯甲醇溶液相同的特征峰,证明本发明实施例9中的未知物质1为未知浓度的苯甲醇。
请参阅图10,图10为本发明实施例9中未知物质2的红外光谱与苯甲醛的标准红外谱图;具体地,请参阅表1、表2以及图9可知,本发明实施例9中未知物质2的红外光谱具有与苯甲醛溶液相同的特征峰,证明本发明实施例9中的未知物质2为未知浓度的苯甲醛。
请参阅图11,图11为本发明实施例9中建立的4种不同体积浓度的苯甲醇与苯甲醛的混合水溶液的红外吸收光谱;其中由图11可知,本发明实施例9中的4种不同体积浓度的苯甲醇与苯甲醛的混合水溶液随着苯甲醇体积浓度的增大,苯甲醇与苯甲醛的混合水溶液的红外吸收光谱的特征峰面积(吸光度a.u.)也随之增大。
请参阅图12,图12为本发明实施例9中建立的光纤传感器100在苯甲醇与苯甲醛的混合水溶液中的吸收峰面积与体积浓度的线性关系示意图;其中由表2以及图12可知,苯甲醇拟合曲线的线性关系式为:y1=0.07x1+C1,苯甲醇拟合曲线的线性关系式为:y2=23.26x2+C2(x1以及x2为体积浓度,y1和y2为特征吸收峰面积,C1以及C2均为已知常数);
其中,根据红外吸收光谱中未知浓度溶液对应于苯甲醇的特征吸收峰面积,代入上述苯甲醇拟合曲线的线性关系式中,可以得出未知浓度溶液中苯甲醇的实际体积浓度为0.05%;同理,根据红外吸收光谱中未知浓度溶液对应于苯甲醛的特征吸收峰面积,代入上述苯甲醛拟合曲线的线性关系式中,可以得出未知浓度溶液中苯甲醛的实际体积浓度为0.8%。
化学物质的分析在环境监测、有机废液处理、电池电解液监测、健康诊断、食品检验等方面发挥着极其重要的作用。红外光谱是一种非常有用的方法,通过分子在红外光谱产生的特征吸收峰可以对分子进行结构分析和鉴定。分子中大多数单键的振动(拉伸和弯曲)在红外光谱中都会产生独有的红外吸收光谱,称之为分子“指纹”,可以快速、经济、无损地用于有机物的定性和定量分析。
然而,红外光谱定量分析的精度大于1%,很难用于复杂的化学分析。在这种情况下,高灵敏度采样检测技术,如衰减全反射(ATR)技术,允许通过将传感器直接放置在有机液体中进行定量光谱分析。然而,众所周知的ATR晶体的成本高昂,成为该技术引入常规实验室/临床实践的一个障碍。此外,它的灵敏度受限于光在晶体中的光的次数,一般设计为20-50次。
针对现有技术存在的上述问题,本发明提供的环形红外微纳光纤11传感器100,基于光纤的全内反射和倏逝波原理进行传感探测,因为光纤尺寸更小,与ATR探头的晶体相比光在光纤中的全内反射次数更多,所以中红外光纤倏逝波传感器的灵敏度更高。基于石英光纤的传感器相比,本发明的传感器工作波长范围覆盖中红外区域,工作范围宽,能提供更多与分子结构有关的信息,可同时对物质进行定性和定量分析。
本发明还提出一种光纤传感器100及其检测方法,通过减小光纤的腰区直径和弯曲两种技术,增加了光纤倏逝波的穿透深度和光在光纤内的反射次数,大大提高了传感器的灵敏度。本发明还结合3D打印技术,根据光纤外形结构,打印了适合于液体检测的液体池101,对微纳光纤11进行了封装固定,解决了微纳光纤11在使用过程中容易断裂的难题。
区别于现有技术的情况,本发明提供一种光纤传感器100、光纤传感器系统300及其检测方法,光纤传感器100包括微纳光纤11,微纳光纤11包括设置于传感光纤中心的第一光纤部111以及与第一光纤部111的两端连接的第二光纤部112,第一光纤部111的直径小于第二光纤部112的直径,其中,第一光纤部111包括至少一圈呈环形的第一光纤子部1111,本发明提供的光纤传感器100通过在传感光纤中心设置至少一圈呈环形的第一光纤子部1111,增加了光在微纳光纤11内的反射次数的同时,增加了光在微纳光纤11内传播时产生的倏逝波的穿透深度,进而大大提高了光纤传感器100的检测灵敏度;另外,本发明提供的光纤传感器系统300的检测方法可同时对待测溶液进行定性和定量分析,进而节省了检测成本。
需要说明的是,以上各实施例均属于同一发明构思,各实施例的描述各有侧重,在个别实施例中描述未详尽之处,可参考其他实施例中的描述。
以上实施例仅表达了本发明的实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光纤传感器,其特征在于,包括微纳光纤,所述微纳光纤包括设置于传感光纤中心的第一光纤部以及与所述第一光纤部的两端连接的第二光纤部,所述第一光纤部的直径小于所述第二光纤部的直径;
其中,所述第一光纤部包括至少一圈呈环形的第一光纤子部。
2.根据权利要求1所述的光纤传感器,其特征在于,所述第一光纤部还包括第二光纤子部,所述第二光纤子部与所述第一光纤子部的一端连接,所述第二光纤子部的两端分别连接有所述第二光纤部;
其中,所述第二光纤子部的直径大于或者等于所述第一光纤子部的直径,所述第二光纤子部的直径由所述第二光纤子部的中心位置向远离所述传感光纤中心的两侧线性递增。
3.根据权利要求2所述的光纤传感器,其特征在于,所述第一光纤子部的直径范围在50μm至100μm之间,所述第二光纤子部的直径范围在50μm至400μm之间。
4.根据权利要求1所述的光纤传感器,其特征在于,所述第一光纤部包括n圈所述第一光纤子部,n的取值范围在1至4之间,所述第一光纤子部的弯曲半径范围在0.5mm至2mm之间。
5.根据权利要求1所述的光纤传感器,其特征在于,所述光纤传感器包括主体部,所述主体部包括一用于装载待测溶液的液体池;
其中,所述第一光纤部通过粘合层固定于所述液体池的底部,所述第二光纤部通过所述粘合层固定于所述主体部的上端面。
6.根据权利要求1所述的光纤传感器,其特征在于,所述微纳光纤经红外玻璃光纤拉锥而成,所述红外玻璃光纤的直径范围在150μm至1000μm之间,所述红外玻璃光纤可传输红外光的波长范围在850cm-1至4000cm-1之间。
7.一种光纤传感器系统,其特征在于,包括光源、透镜、MCT液氮制冷探测器、红外光谱仪、计算机以及如权利要求1至6中任一项所述的光纤传感器。
8.一种采用如权利要求7所述的光纤传感器系统的检测方法,其特征在于,所述方法包括:
对所述光纤传感器系统的光路进行调整,使经过所述透镜聚焦的光线充分耦合进入所述光纤传感器中;
采集所述光纤传感器的红外透过光谱作为背景信号;
将待测溶液滴入所述光纤传感器中的液体池,以及采集所述待测溶液的红外吸收光谱,得到第一红外吸收光谱;
将所述第一红外吸收光谱与所述计算机内存储的标准红外光谱图谱进行对比分析,以得到所述待测溶液的具体组份信息。
9.根据权利要求8所述的光纤传感器系统的检测方法,其特征在于,所述将所述第一红外吸收光谱与所述计算机内存储的标准红外光谱图谱进行对比分析,以得到所述待测溶液的组份信息的步骤之后还包括:
配制至少3种不同标准体积浓度的所述待测溶液;
采集上述不同标准体积浓度的所述待测溶液各自对应的红外吸收光谱,得到至少3种第二红外吸收光谱;
通过所述第二红外吸收光谱选取所述待测溶液的特征吸收峰;
计算建立所述待测溶液的标准体积浓度与其特征吸收峰面积之间的线性拟合关系,以得到所述光纤传感器检测所述待测溶液的检测灵敏度。
10.根据权利要求9所述的光纤传感器系统的检测方法,其特征在于,所述计算建立所述待测溶液的标准体积浓度与其特征吸收峰面积之间的线性拟合关系,以得到所述光纤传感器检测所述待测溶液的检测灵敏度的步骤之后还包括:
将未知浓度的所述待测溶液滴入所述光纤传感器中的液体池,以及采集所述待测溶液的红外吸收光谱,得到第三红外吸收光谱;
通过所述第三红外吸收光谱获取所述待测溶液的特征吸收峰面积;
根据标准体积浓度与特征吸收峰面积之间的线性拟合关系,以计算所述待测溶液的实际体积浓度。
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