CN205091262U - 一种结合智能手机和单模-细芯-单模光纤的甘油浓度检测系统 - Google Patents
一种结合智能手机和单模-细芯-单模光纤的甘油浓度检测系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种结合智能手机和单模-细芯-单模光纤的甘油浓度检测系统，由发光二极管、输入单模光纤、细芯光纤、输出单模光纤、衍射光栅、智能手机相机镜头、手机背板、样品槽组成。发光二极管发出的光依次经过输入单模光纤、加载有样品槽的细芯光纤和输出单模光纤后发生马赫-增特干涉，由衍射光栅入射到智能手机相机镜头，并在手机内观察到干涉图像；当甘油溶液滴加入样品槽时，通过手机照相功能，得到一张JPEG格式照片，再利用Matlab软件将其转化为灰阶强度分布图，从而得到干涉光谱图，计算得到甘油浓度。装置将光纤传感结构集成到智能手机背面，利用智能手机的高像素成像功能便捷地测量甘油浓度，具有结构简单、体积小、成本低，可实现在线测量等优势。
Description
技术领域
本实用新型公开了一种结合智能手机和单模-细芯-单模光纤的甘油浓度检测系统，属于光纤传感技术领域。
背景技术
为了开拓传感器的化学/生物应用，实现点护理和对环境的监控，各种光学传感器正结合智能手机被探索，例如已有一种与智能手机相结合的测量人体皮肤吸收光谱的光谱仪，也已经有了依靠手机的自适应摄像镜头来获取工业上需进行点护理的实时数据等。但由于外部光源和一个自由空间光的光路径是必需的，到目前为止所研究出的方法都比较庞大。
甘油在食品、医药、化工领域都有着广泛的用途。它在用于不同试剂制剂时，对其浓度有着严格的要求。当其浓度不适合时，会产生严重后果，例如爆炸，而药用时若浓度不当甚至会导致溶血等症状。因此，对甘油浓度的检测非常需要一种实时简便的测量方法。基于单模-细芯-单模光纤结构的传感器是利用外界环境的变化引起干涉谱峰值发生漂移来测量折射率的仪器，具有例如电磁抗扰性，抗侵蚀，光学损耗小，高灵敏度和远程感应等诸多优点。当甘油浓度变化时，会发生折射率的变化，因此可以用该光纤传感器进行检测。另一方面通过将基于单模-细芯-单模的光纤传感器与智能手机相结合，利用智能手机背面的发光二极管(LED)和自带相机用作光源和检测器，可在没有外部棱镜，光学透镜情况下实现简单的光耦合，因此可现场监控甘油浓度。整套检测系统具有微型实时高效且低成本等优点。
发明内容
本实用新型目的在于提供一种结合智能手机和单模-细芯-单模光纤的甘油浓度检测系统。该装置把单模-细芯-单模光纤结构集成于智能手机的背板上，将位于智能手机背面的发光二极管和相机分别用作光源和检测器，把接触的不同浓度的甘油溶液的折射率变化转化为光波的变化，通过波长的漂移得出浓度。具有平面化，结构简单操作方便且低成本的优点。
本实用新型通过以下技术方案实现：
一种结合智能手机和单模-细芯-单模光纤的甘油浓度检测系统由发光二极管、输入单模光纤、细芯光纤、输出单模光纤、衍射光栅、智能手机相机镜头、手机背板、样品槽组成；发光二极管发出的光依次经过输入单模光纤、加载有样品槽的细芯光纤和输出单模光纤后发生马赫-增特干涉，由衍射光栅入射到智能手机相机镜头，并在手机内观察到干涉图像；当甘油溶液滴加入样品槽至浸没细芯光纤时，通过智能手机照相功能，得到一张500万像素尺寸JPEG格式的照片，随后利用Matlab软件进行处理，将这张透射光的RGB图像转化为灰阶强度分布图，从而得到与甘油浓度相关的干涉光谱图，利用Matlab软件可以计算得到甘油浓度。
本实用新型所述的发光二极管、输入单模光纤、细芯光纤、输出单模光纤、衍射光栅、智能手机相机镜头、样品槽都集成在手机背板上。
本实用新型所述的输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯直径是8.2μm；包层直径为125μm。
本实用新型所述的细芯光纤的长度为2cm；纤芯直径为4μm；包层直径为125μm。
本实用新型所述的输入单模光纤与发光二极管连接的一端以及输出单模光纤与智能手机相机镜头连接的一端都抛光成45°角。
本实用新型所述的衍射光栅是以刻线密度为1200线/毫米的衍射光栅为母光栅，用弹性材料PDMS(聚二甲基硅氧烷)进行翻模复制，得到的透射衍射光栅。
本实用新型所述的发光二极管的波长范围为1500nm到1600nm，包含光经由输入单模光纤、细芯光纤和输出单模光纤形成的马赫-增特干涉光谱。
本实用新型所具有的特点优势为：所述将单模-细芯-单模光纤结构集成到智能手机背面，利用智能手机的高像素成像功能便捷地测量甘油浓度，与现有技术相比，所用仪器材料都很普遍，结构简单、体积小、成本低，并且可在线测量，对甘油浓度进行测定，操作简单，安全可靠。
附图说明
图1是单模-细芯-单模光纤传感器示意图：
图2是一种结合智能手机和单模-细芯-单模光纤的甘油浓度检测系统示意图：
图3是单模-细芯-单模光纤结构的干涉光谱的峰值波长随着折射率发生改变的曲线关系：
图4是甘油浓度与折射率的关系对应表。
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：
参见附图1，图1是单模-细芯-单模光纤传感器示意图。由单模-细芯-单模光纤传感器构成的马赫-增特光纤干涉结构由输入单模光纤(2)、细芯光纤(3)和输出单模光纤(4)利用光纤熔接机依次连接构成，样品槽(8)加载在细芯光纤(3)上。不同甘油样品溶液滴加入样品槽(8)内。每次测量完一种样品后，需要先滴加足量乙醇溶液，再加入过量蒸馏水对细芯光纤进行清洗，并保证干涉光谱图回到初始状态，方可进行下一次测量。
参见附图2，图2是一种结合智能手机和单模-细芯-单模光纤的甘油浓度检测系统示意图。其特征在于：由发光二极管(1)、输入单模光纤(2)、细芯光纤(3)、输出单模光纤(4)、衍射光栅(5)、智能手机相机镜头(6)、手机背板(7)、样品槽(8)组成；发光二极管(1)发出的光依次经过输入单模光纤(2)、加载有样品槽(8)的细芯光纤(3)和输出单模光纤(4)后发生马赫-增特干涉，由衍射光栅(5)入射到智能手机相机镜头，并在手机内观察到干涉图像；当将甘油溶液滴加入样品槽(8)至浸没细芯光纤(3)时，得到一张与甘油浓度相关的500万像素尺寸(2592x1944像素)JPEG格式的照片，随后利用Matlab软件进行处理，将这张透射光的RGB图像转化为灰阶强度分布图。由于透射衍射光栅分散光纤传感器输出的干涉光，将其转换成线谱，得到的灰阶强度分布图等于光纤传感器的干涉光谱图。当甘油浓度改变，可得到明显干涉波长漂移，并使干涉光谱图发生改变。最后利用Matlab软件可以计算得到甘油浓度。
参见附图3，图3是单模-细芯-单模光纤结构的干涉光谱的峰值波长随着折射率发生改变的曲线关系。可以看出随着折射率的增大，干涉条纹的中心波长也逐渐增大，波长和折射率之间存在很好的线性关系，线性度达到0.9784。通过这个线性关系，可以实现折射率的测量。
参见附图4，图4是甘油浓度与折射率的关系对应表。因此可以用光纤干涉峰值波长得到折射率，再由这个对应关系表，转换得到样品甘油的浓度。
本领域技术人员清楚地知道，根据本实用新型的方法，可以对其他液体具体如氯化钠溶液等进行测试，装置结构可以进行优化设计，本实用新型的保护范围并不局限于以上实施例。
Claims (7)
1.一种结合智能手机和单模-细芯-单模光纤的甘油浓度检测系统，其特征在于：由发光二极管(1)、输入单模光纤(2)、细芯光纤(3)、输出单模光纤(4)、衍射光栅(5)、智能手机相机镜头(6)、手机背板(7)、样品槽(8)组成；发光二极管(1)发出的光依次经过输入单模光纤(2)、加载有样品槽(8)的细芯光纤(3)和输出单模光纤(4)后发生马赫-增特干涉，由衍射光栅(5)入射到智能手机相机镜头，并在手机内观察到干涉图像；当将甘油溶液滴加入样品槽(8)至浸没细芯光纤(3)时，会得到与甘油浓度相关的干涉光谱图，利用Matlab软件可以计算得到甘油浓度。
2.根据权利要求1所述的一种结合智能手机和单模-细芯-单模光纤的甘油浓度检测系统，其特征在于：所述发光二极管(1)、输入单模光纤(2)、细芯光纤(3)、输出单模光纤(4)、衍射光栅(5)、智能手机相机镜头(6)、样品槽(8)都集成在手机背板(7)上。
3.根据权利要求1所述的一种结合智能手机和单模-细芯-单模光纤的甘油浓度检测系统，其特征在于：输入单模光纤(2)和输出单模光纤(4)的纤芯直径是8.2μm；包层直径为125μm。
4.根据权利要求1所述的一种结合智能手机和单模-细芯-单模光纤的甘油浓度检测系统，其特征在于：细芯光纤(3)的长度为2cm；纤芯直径为4μm，包层直径为125μm。
5.根据权利要求1所述的一种结合智能手机和单模-细芯-单模光纤的甘油浓度检测系统，其特征在于：输入单模光纤(2)与发光二极管(1)连接的一端以及输出单模光纤(3)与智能手机相机镜头(6)连接的一端都抛光成45°角。
6.根据权利要求1所述的一种结合智能手机和单模-细芯-单模光纤的甘油浓度检测系统，其特征在于：发光二极管(1)的波长范围为1500nm到1600nm，包含光经由输入单模光纤(2)、细芯光纤(3)和输出单模光纤(4)形成的马赫-增特干涉光谱。
7.根据权利要求1所述的一种结合智能手机和单模-细芯-单模光纤的甘油浓度检测系统，其特征在于：衍射光栅(5)是以刻线密度为1200线/毫米的衍射光栅为母光栅，用聚二甲基硅氧烷进行翻模复制，得到的透射衍射光栅。
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