CN1260562C - 耦合式保偏光纤渐逝波传感器 - Google Patents

Abstract

本发明述及一种新型的耦合式高灵敏度保偏光纤渐逝波传感器，属光学纤维及传感器技术领域。本发明的一种耦合式保偏光纤渐逝波传感器，主要由光源、单色仪、传感用光纤耦合器探头或传感元件、探测器、信号处理单元及盛有被侧介质的容器组成；传感用光纤耦合器探头或传感元件是一种熔锥型保偏光纤耦合器探头，并作为光纤渐逝波的传感元件；该保偏光纤耦合器探头或传感元件封装于基体内，基体内有一传感的保偏光纤锥区，两端各有一传感用保偏光纤耦合器的保偏光纤引入端，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；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。本发明的耦合式保偏光纤渐逝波传感器具有结构简单、灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强。

Description

耦合式保偏光纤渐逝波传感器

技术领域：

本发明述及一种新型的耦合式高灵敏度保偏光纤渐逝波传感器，属光学纤维及传感器技术领域。

背景技术：

为了识别微量元素的含量，获取分子间相互关联信息，提取、分离和鉴定所需的物质，进行高灵敏度、高分辨率、高选择性的微量物质检测，在环境监测、生物医学、化学工业、材料分析等领域的应用是非常重要的，并有广泛的发展前景。传统的测量仪器和方法，如分光光度计、吸收光谱法，它们需要对被测物质进行采样、添加试剂进行测量，这样不仅测试信息量少、操作复杂，而且实时性差、灵敏度低、人力资源浪费大。近年来，光纤渐逝波传感技术迅猛发展，有望解决传统测量方式存在的问题。

目前，世界上多个国家等对基于吸收和荧光原理的不同形式和结构的渐逝波传感器进行了较深入的研究。基于吸收原理光纤渐逝波传感器研究最为普遍，它是无标记测量、结构简单、测试方便，但灵敏度较低，如，奥地利Jakusch等用银化卤光纤测试水中四氯乙烯的含量，最低测限为300μg/L；德国Buerck等测量地下水的芳香烃含量，最低限为200μg/L。基于荧光原理的光纤渐逝波传感器为提高测试灵敏度迈上了一个新台阶，它的灵敏度要高出吸收式1～4个数量级，如美国Shriver-Lake等用标记的荧光法测量水中的爆炸物TNT污染含量，测试灵敏度已达到8μg/L。用标记进行荧光测量是因为仅有20～30％的被测物质能自发荧光，大多数荧光式测试系统需要加入一些指示剂(如啶橙黄荧光素等)才能进行分析测定。荧光法由于荧光信号弱，所以需要高灵敏度检测仪器，同时有标记指示剂加入也会干扰被测物分子吸收能力及测量准确度，造成测试污染。相比之下，我国的相关研究相对滞后。但近几年来，国内也有一些学者从事该方面的研究，如天津大学利用双光束补偿吸收原理测试水中的SO₃ ^2-，最低测限达到1600μg/L；厦门大学利用猝灭法测量水中的溶解氧，最低测限为30μg/L。

到目前为止，国内外研究的重点主要放在吸收原理、荧光原理的渐逝波传感器上。但是，无标记的高灵敏度和高选择性测量一直是制约其应用和发展的难点问题。因此，研究一种新的传感机理和传感方法，解决传感技术应用中的共性难题，使其实现的光纤传感器具有可靠性好、灵敏度高、选择性强、无采样、无试剂测量的特点是很有必要、也是急需的。

发明内容

针对以上问题，本发明从测试的传感机理入手，提出了一种新型的耦合式高灵敏度保偏光纤渐逝波传感器。它基于光波耦合理论和光纤的渐逝波理论，利用熔锥型保偏光纤耦合器作为光纤渐逝波传感元件，从而得到具有耦合效应的渐逝波。

本发明的目的在于提供一种灵敏度高、选择性强的耦合式保偏光纤渐逝波传感器。

本发明的一种耦合式保偏光纤渐逝波传感器，包括光源、单色仪、传感用光纤耦合器探头或传感元件、探测器、信号处理单元及盛有被侧介质的容器；其特征在于传感用光纤耦合器探头或传感元件是一种熔锥型保偏光纤耦合器探头，并作为光纤渐逝波的传感元件；该保偏光纤耦合器探头的保偏光纤锥区安装于基体内，，保偏光纤耦合器探头的两端各有两根保偏光纤引入端，保偏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；保偏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保偏光纤锥区的最小直径为纤芯的5-9倍。

本发明的耦合式保偏光纤渐逝波传感器的工作原理如下所述：当包围保偏耦合器传感头锥区的介质变化时，耦合器锥区的渐逝波就会与介质相互作用，不同的介质(或同一介质不同的浓度)将改变保偏光纤耦合器的耦合效应，从而使耦合器的分光比发生变化，这样检测分光比就能得到被测物质的参数。由于利用耦合原理，测试的输出信号是耦合器的分光比，所以它与光路的光强变化无关，有很强的抗干扰能力；由于被测物质改变的是保偏耦合器的耦合效应而不是光强，所以有很高的测试灵敏度；由于采用保偏光纤耦合器作为传感元件，所以消除了偏振干扰对传感器的影响。

若要区分被测混合物中不同的物质，即解决选择性的问题，则可在光路上利用光波扫描，得到混合物质的全波谱图，然后再在信号处理过程中，分析全波谱图，提取被测物质。

本发明的耦合式保偏光纤渐逝波传感器具有结构简单、灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强等优点，它可应用于生物、化学、医药、环境、材料等领域中的液体、气体的高精度、高分辨率测量、提取、鉴别等。

附图说明

图1是本发明耦合式保偏光纤渐式波传感器原理图

图中：1-光源；2-单色仪、3-传感用保偏光纤耦合器探头或传感元件；4、5——探测器、6-信号处理单元；7-容器；8-被测介质

图2为光纤耦合器探头或传感元件的封装示意图

图中：31-保偏光纤耦合器的薄片光纤引入端；32-基体；33-固定胶；34-传感的保偏光纤锥区；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保偏光纤渐逝波传感器，包括光源1、单色仪2、传感用光纤耦合器探头或传感元件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；传感用光纤耦合器探头或传感元件3是一种熔锥型保偏光纤耦合器探头，并作为光纤渐逝波的传感元件；该保偏光纤耦合器探头3的保偏光纤锥区34安装于基体32内，，保偏光纤耦合器探头的两端各有两根保偏光纤引入端31，保偏光纤引入端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；保偏光纤耦合器探头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内的传感保偏光纤锥区34的最小直径为纤芯的5-9倍。

具体操作原理及过程描述如下：光源1发出的光进入单色仪2并发出一束单色光，进入传感用保偏光纤耦合器探头或传感元件3，该探头或传感单元3有容器7所盛的混合被测介质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，既改变了保偏耦合器的分光比，然后经过光电转换变成电信号进入信号处理单元6。信号处理单元6与单色仪2的波长扫描同步两路输出信号的谱分析，并用小波分析(WT)和偏最小二乘法(PLS)相结合方法分析混合的波谱图，分解成各组分的波谱图，并滤除无关的信息，提取有用信号。这样就会高选择性地得到混合被测介质的不同含量信息。

本发明的保偏光纤耦合器传感元件在制作过程中，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；另外光纤拉锥的速度要相对比较慢；拉锥的长度要视传感器的灵敏度而定，锥区越长灵敏度越高，但抗干扰的能力越差，一般选择锥区的最小直径为纤芯的5～9倍即可。

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沾接耦合器的两个非锥端与基板，如二次UV固化胶。

对于混合介质测量，为了提高传感器的选择性、分辨出单一的物质，所选用的光源必须覆盖被测物质的所有波段，所以该光源应是宽谱带的光源，或是几个光源的组合；

所采用的单色仪也应覆盖被测物质的所有波段，单色仪的分辨率要视被测的各种单一物质的中心波长分布而定，如果中心波长相距较近就选用高分辨率的单色仪，反之采用分辨率低的单色仪即可。

Claims (2)

1.一种耦合式保偏光纤渐逝波传感器，包括光源(1)、单色仪(2)、传感用光纤耦合器探头或传感元件(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)；其特征在于传感用光纤耦合器探头或传感元件(3)是一种熔锥型保偏光纤耦合器探头，并作为光纤渐逝波的传感元件；该保偏光纤耦合器探头(3)的保偏光纤锥区(34)安装于基体(32)内，保偏光纤耦合器探头(3)的两端各有两根保偏光纤引入端(31)，保偏光纤引入端(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)；保偏光纤耦合器探头(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。

2.根据权利要求1所述的一种耦合式保偏光纤渐逝波传感器，其特征是所述的基体(32)内的传感保偏光纤锥区(34)的最小直径为纤芯的5-9倍。