CN1258678C - 耦合式单模光纤渐逝波传感器 - Google Patents

Abstract

本发明述及一种新型的耦合式高灵敏度单模光纤渐逝波传感器，属光学纤维及传感器技术领域。本发明的一种耦合式单模光纤渐逝波传感器，主要由光源、光学纤维、光纤渐逝波传感元件、探测器、信号处理单元及盛有被侧介质的容器组成；其特征在于光学纤微为单模光纤；光纤渐逝波传感元件为熔锥型单模光纤耦合器探头；该熔锥型单模光纤耦合器探头封装于基体内，基体内有一传感的单模光纤锥区，两端各有一传感用单模光纤耦合器的单模光纤引入端，它由固定胶使光纤固定在基体上；在光纤锥区附近还留有使被测气体或液体通过并包围光纤锥区的中空进出槽；熔锥型单模光纤耦合器探头或传感元件放置于盛有被测介质的容器中，且被被测介质所包围。本发明的传感器具有结构简单、灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强、实时检测、无需采样测量，便于网络化等优点，它的最低测限达到ppb-ppm级。

Description

耦合式单模光纤渐逝波传感器

技术领域：

本发明述及一种新型的耦合式单模光纤渐逝波传感器，属光学纤维及传感器技术领域。

背景技术：

光纤渐逝波传感技术是通过透出光纤波导的渐逝波与被测物的相互作用，使光纤内传输光的强度、相位或频率发生变化，测量这些变化，从而得到被测物浓度、折射率、pH值等参数的方法。当应用于环境、生物、化学等领域时，因要测试的物质含量、折射率变化等参数非常微小，如饮用水质测量、DNA测量、生物免疫测量等。如何提高光纤渐逝波传感器的灵敏度、降低噪声，使测试系统具有高分辨率、满足微量测试就成了一个急待解决的问题。目前，许多研究者为解决该问题，从传感原理、传感头方式及传感光纤三个方面做了大量工作，并取得了一定的成绩。

在传感原理方面，用吸收原理实现的吸收式光纤渐逝波传感器是最基本的渐逝波传感形式，也是一种最直接的测量方法。它利用光纤的衰减全反射特性，使渐逝波与吸收介质相互作用，检测其光强变化。它结构简单、测试方便、易于应用，但灵敏度较低(一般水质及一些液体可在100ppb)，且因直接检测光强，易受光源及环境因素的影响。为了提高测试灵敏度，就出现了荧光式渐逝波传感器，这是一种标记测量方法，它的灵敏度要高于吸收式渐逝波传感器2～4个数量级。然而，仅有20～30％的被测物质能够自发荧光，大多数荧光式测试系统还需要加入一些指示剂(如啶橙黄荧光素、β-甲基-馓形酮、中性丫啶等)才能进行分析测定，这些指示剂被渐逝波激发后，会直接发出荧光而被检测。荧光法由于荧光信号弱，所以需要高灵敏度的检测仪器，同时指示剂的加入也会干扰被测物分子的吸收能力及测量准确度。

在传感头形式方面，目前主要D形光纤、裸芯光纤和锥形光纤三种。

在传感光纤方面，目前渐逝波传感器多采用多模光纤。

研究者们采用不同的方法去提高光纤渐逝波传感器的灵敏度、减低噪声，并围绕这一主题已花费了大量的人力、物力。然而，到目前为止，无标记(无荧光)的高灵敏度渐逝波传感器多参数在线测量，尚是一个没有解决的难题。

发明内容

针对这一问题，本专利提出了基于光纤耦合原理，利用光纤耦合器实现的一种单模光纤渐逝波传感器。本发明的目的在于提供一种灵敏度高的熔锥型耦合式单模光纤渐逝波传感器。

本发明的一种耦合式单模光纤渐逝波传感器，包括光源、光学纤维、光纤渐逝波传感元件、探测器、信号处理单元及盛有被侧介质的容器；其特征在于光学纤维为单模光纤；用于连接光源(1)和光纤渐逝波传感元件(3)；光纤渐逝波传感元件为熔锥型单模光纤耦合器探头；该熔锥型单模光纤耦合器探头的单模光纤锥区安装封装于基体内，熔锥型单模光纤耦合器探头的两端各有两根单模光纤引入端，该单模光纤引入端由固定胶固定在基体上；在光纤锥区附近还留有使被测气体或液体通过并包围光纤锥区的中空进出槽；熔锥型单模光纤耦合器探头放置于盛有被测介质的容器中，且被被测介质所包围。

上述的基体内的传感单模光纤锥区的最小直径为纤芯的3-7倍。

本发明的原理是：利用两光纤的耦合作用，使耦合器锥区的渐逝波与包围锥区的被测介质相互作用，这样被测介质的变化就会非常敏感地反应到耦合器输出端的分光比，该分光比与熔锥区的长度、波长、熔锥区周围介质等参数有关，只要检测其结果即能实现检测各参数的目的。

本发明中采用单模光纤，因为多模光纤在传输和传感过程中模式相互作用，会出现模式噪声，探测器无法分辨这些噪声和被测信号；而单模光纤不会产生上述的问题，单模光纤仅有基模传输，没有模式噪声存在。另外在等量耦合功率下，单模光纤比多模光纤在光纤表面上平均电场高，所以单模比多模渐逝波传感器有更高的传感效率。

本发明采用熔锥型单模光纤，良好的熔锥技术可保证锥形光纤的制作，当光纤拉锥一定程度时(如光纤直径接近纤芯)会有大于90％的导波转变成渐逝波。

本发明的耦合式单模光纤渐逝波传感器具有以下优点：(1)灵敏度高，基于耦合原理的渐逝波传感器它测定的不是吸收光强，而是耦合器的分光比。它有干涉仪的灵敏度，比吸收式的灵敏度高、可与荧光式的灵敏度相媲美；(2)两根光纤的熔融耦合，在传感形式上比单根锥形光纤的有效作用面大，所以传感的效率高、灵敏度大。另外，它的锥区也要比单根锥形光纤的长；(3)可根据不同的要求及测量范围，确定不同的熔锥长度，可以得到不同的灵敏度；(4)输出信号是分光比，信号输出与光强变化和噪声无关。

本发明的传感器结构简单、灵敏度高、抗干扰能力强，实时检测、无需采样测量，便于网络化等优点，它的最低测限达到ppb-ppm级。

附图说明

图1是本发明的耦合式单模光纤渐式波传感器原理图

图中：1-光源；2-单模光纤、3-传感用单模光纤耦合器探头；4、5-探测器、6-信号处理单元；7-容器；8-被测介质

图2为单模光纤耦合器探头的封装示意图

图中：31-传感用的单模光纤耦合器的单模光纤引入端；32-基体；33-固定胶；34-传感的单模光纤锥区；35-被测气体或液体的中空进出槽。

具体实施方式

现结合附图和实施例，将本发明进一步叙述于后

实施例一：参见图1和图2，本发明的一种耦合式单模光纤渐逝波传感器，包括光源1、光学纤维2、光纤渐逝波传感元件3、探测器4、5、信号处理单元6及盛有被侧介质8的容器7；其特征在于光学纤维2为单模光纤；用于连接光源(1)和光纤渐逝波传感元件(3)，光纤渐逝波传感元件3为熔锥型单模光纤耦合器探头；该熔锥型单模光纤耦合器探头3的的单模光纤锥区(34)安装于基体32内，熔锥型单模光纤耦合器探头3的两端各有两根单模光纤引入端31，单模光纤引入端31由固定胶33固定在基体32上；在光纤锥区34附近还留有使被测气体或液体通过并包围光纤锥区34的中空进出槽35；熔锥型单模光纤耦合器探头3放置于盛有被测介质8的容器7中，且被被测介质所包围。

上述的基体32内的传感单模光纤锥区34的最小直径为纤芯的3-7倍。

具体操作原理及过程描述如下：利用与被测物质吸收波长相对应的光源1(如LED、LD等)，通过单模光纤2进入传感用单模光纤耦合器探头3，传感单元3有容器7所盛的被测介质8所包围，被测介质与传感元件3的渐逝波相互作用，改变了传输到探测器4和5的光强，既改变了单模光纤耦合器的分光比，然后经过光电转换变成电信号进入信号处理单元6可得到被测液体或气体介质的含量(或浓度)信息。

在具体制作过程中，采用氢氧焰灯为微火炬，为了减少应力、并保持高偏振态需要有较长的预热时间；采用相对慢的拉锥速度；拉锥的长度要视传感器的灵敏度而定，一般选择锥区的最小直径为纤芯的3-7倍即可。另外采用夹具可旋转的改进型熔融拉锥机来制作传感用单模光纤耦合器，可选择螺距为3-5mm。

为了降低温度对传感器的影响，传感探头装配上采用与光纤材料温度特性相近的材料，如石英。另外，负温度系数的材料作为传感器头的基板也会补偿实际应用中的温度变化。采用温度影响小的胶粘结耦合器的两个非锥端与基板，如二次UV固化胶。

本发明的传感器适合对气体或液体物质的高灵敏度、高选择性测量，可应用于生物、化学、医药、环境等领域的微量元素识别、提取、鉴定等。

Claims (2)

1.一种耦合式单模光纤渐逝波传感器，包括光源(1)、光学纤维(2)、光纤渐逝波传感元件(3)、探测器(4、5)、信号处理单元(6)及盛有被测介质(8)的容器(7)，其特征在于光学纤维(2)为单模光纤，用于连接光源(1)和光纤渐逝波传感元件(3)；光纤渐逝波传感元件(3)为熔锥型单模光纤耦合器探头；该熔锥型单模光纤耦合器探头的单模光纤锥区(34)安装于基体(32)内，熔锥型单模光纤耦合器探头的两端各有两根单模光纤引入端(31)，单模光纤引入端(31)由固定胶(33)固定在基体(32)上；在光纤锥区(34)附近还留有使被测气体或液体通过并包围光纤锥区(34)的中空进出槽(35)；熔锥型单模光纤耦合器探头放置于盛有被测介质(8)的容器(7)中，且被被测介质所包围。

2.根据权利要求1所述的一种耦合式单模光纤渐逝波传感器，其特征是所述的基体(32)内的传感单模光纤锥区(34)的最小直径为纤芯的3-7倍。

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