CN207730653U - 一种光纤传感头及其有机气体光纤传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及传感器领域，更具体地，涉及一种光纤传感头及其有机气体光纤传感装置。光纤传感头包括两端固定在支架上的侧边抛磨光纤，侧边抛磨光纤的抛磨区悬空朝上，抛磨区上均匀涂覆有胆甾相液晶薄膜。本实用新型的光纤传感头将敏感材料胆甾相液晶薄膜涂覆到侧边抛磨光纤的抛磨平坦区构成，胆甾相液晶薄膜构成一高折射率波导，抛磨光纤纤芯中的光场与液晶波导中的高阶模相互耦合，在侧边抛磨光纤的输出光谱中可以看到多个共振峰。当有机气体渗透进液晶薄膜时，会引起液晶波导的有效折射率发生改变，导致光纤传输光谱中共振峰发生漂移，实现有机气体的传感，可以将本实用新型中的光纤传感头应用于有机气体的检测。

Description

一种光纤传感头及其有机气体光纤传感装置

技术领域

本发明涉及传感器领域，更具体地，涉及一种光纤传感头及其有机气体光纤传感装置。

背景技术

目前有很多技术可以检测有机气体分子，比如气相色谱分析法，离子迁移谱，质谱分析法等。尽管这些技术在检测有机气体时，具有很好的灵敏度和准确性，但需要庞大昂贵的仪器设备和复杂的操作流程，且无法实时在线检测微小空间内的有机气体。

气体传感器是一种将气体中的特定成份检测出来并转化成电信号的器件，可以用来对有毒、有害气体的探测，对易爆易燃等气体的安全报警，对人类生产生活中所需了解的气体进行检测、分析研究等。电子传感器是其中一类气体传感器，其具有相对小的体积，但是电子传感器需要电，容易产生电火花并引起有机气体爆炸，且容易受到电磁干扰的影响。

光纤传感器是一项正在发展中的具有广阔前景的高新技术，光纤传感器不容易受到电磁干扰的影响、不容易与其它物质发生化学反应、成本低、响应快、可以与光通信设备无缝连接。近些年，学者们研究了各种结构的光纤传感器并用于有机气体的检测，比如荧光型光纤气体传感器、光谱吸收型光纤气体传感器等。光谱吸收型传感器是利用有机气体的吸收谱，而荧光型传感器利用有机气体的荧光光谱，或者有机气体对荧光材料所发射荧光的淬灭作用实现检测。光谱吸收型和荧光型光纤气体传感器需要体积庞大的气室，需要对气体进行取样，难以实现气体的在线检测。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种能够用于实时、在线、原位检测有机气体的光纤传感头，还提供一种基于该光纤传感头的有机气体光纤传感装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种光纤传感头，包括两端固定在支架上的侧边抛磨光纤，侧边抛磨光纤的抛磨区悬空朝上，抛磨区上均匀涂覆有胆甾相液晶薄膜。

胆甾相液晶分子的排列呈层状分布，层内液晶分子取向相互平行，而相邻层之间的分子取向逐渐扭曲，经过若干层之后，分子取向正好旋转360°。这种螺旋结构是由液晶分子之间的弱相互作用形成的，所以胆甾相液晶分子的取向很容易受到外界刺激的影响，导致其有效折射率发生变化。有机气体分子渗透胆甾相液晶后，会使得胆甾相液晶分子的螺旋排列发生变化，因此，可通过检测胆甾相液晶的反射谱来传感有机气体。本发明中的光纤传感头是将敏感材料胆甾相液晶薄膜涂覆到侧边抛磨光纤的抛磨平坦区构成，侧边抛磨光纤上的胆甾相液晶薄膜构成一高折射率波导，抛磨光纤纤芯中的光场与液晶波导中的高阶模相互耦合，在侧边抛磨光纤的输出光谱中可以看到多个共振峰。当有机气体渗透进液晶薄膜时，会引起液晶波导的有效折射率发生改变，导致光纤传输光谱中共振峰发生漂移，实现有机气体的传感。由于光纤尺寸小，直接将胆甾相液晶涂覆到光纤上形成小型的光纤传感器，可以应用于微小空间内有机气体的检测，而且是可以直接放置在待检测的环境中进行检测，可以实现有机气体的实时、在线、原位检测。

上述方案中，侧边抛磨光纤的抛磨区表面离纤芯表面的距离为0μm-1.5μm。在此范围内，侧边抛磨光纤中的光场会泄露出来，与胆甾相液晶薄膜中的高阶模相耦合，当相位匹配条件满足时，也就是某特定波长下，光纤中导模的有效折射率与液晶薄膜中某高阶模的有效折射率相同时，光纤中的光场会耦合进入液晶薄膜，在光纤的传输光谱中会看到干涉谷；当相位条件不满足时，光纤中的光场就不会耦合到液晶薄膜，在光纤的传输光谱中会看到干涉峰。也就是说，此距离确保了侧边抛磨光纤纤芯中的光场与胆甾相液晶薄膜中光场的强烈耦合。

上述方案中，抛磨区上胆甾相液晶薄膜的厚度为8-15μm。液晶为浑浊流体，如果液晶薄膜太厚，会对光场吸收太多，使得干涉峰的峰峰值下降，甚至消失，不利于传感。如果液晶太薄，很难形成梳状的共振峰，因此，该尺寸范围下液晶厚度适宜，确保液晶在对光场吸收不多的情况下形成梳状的共振峰。

上述方案中，所述支架为U型支架，侧边抛磨光纤两端固定在U型支架的两端，侧边抛磨光纤的抛磨区悬空朝上。将侧边抛磨光纤两端固定到U型支架上，可以确保光纤的抛磨区处于水平状态，从而减少液晶在光纤抛磨区流动。

上述方案中，支架为玻璃支架。

一种有机气体光纤传感装置，包括上述所述的光纤传感头，光纤传感头两端分别连接宽带光源和光谱仪的输入端，光谱仪的输出端连接计算机。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明以胆甾相液晶作为敏感材料，以侧边抛磨光纤作为光传输介质，将混合胆甾相液晶涂覆在侧边抛磨光纤的抛磨区表面，构成基于胆甾相液晶的光纤传感器件。当有机气体分子渗透进入液晶薄膜时，会引起液晶薄膜的有效折射率发生变化，改变相位匹配条件，导致侧边抛磨光纤传输光谱中的共振损耗峰发生漂移，共振峰漂移的量与渗透的有机气体浓度有关。侧边抛磨光纤采用单模光纤制作而成，光纤的直径只有125μm，非常细小，因此将胆甾相液晶涂覆到侧边抛磨光纤上形成的是微小尺寸的传感器，可以用于微小空间内有机气体的实时、在线、原位检测。而且检测过程不会对检测环境的气体成分造成影响，还可以使用任意波段的宽带光源和光谱仪，通过共振波长的漂移量来计算气体的浓度，两者之间成线性关系，使得检测结果直观，检测数据不需要特殊且复杂的处理过程。

附图说明

图1为本发明一种光纤传感头的结构示意图。

图2为本发明中侧边抛磨光纤的放大示意图。

图3为本发明中一种光纤传感头制备方法的流程图。

图4为侧边抛磨光纤涂覆胆甾相液晶前后的传输光谱曲线。

图5为胆甾相液晶薄膜与侧边抛磨光纤之间的光场耦合示意图。

图6为本发明一种有机气体光纤传感装置的结构示意图。

图7为本发明中光纤的光场直接在光纤中传输的示意图。

图8为光纤中的光场耦合到液晶薄膜中的示意图。

其中，1为宽带光源，2为光纤传感头，3为密闭容器，4为光谱仪，5为计算机，7为侧边抛磨光纤，8为胆甾相液晶薄膜，9为支架，10为紫外胶，11为纤芯，12为包层，n^eff _CLC,m为液晶薄膜中的m阶模的有效折射率，n^eff _core为光纤纤芯导模的有效折射率，n_air为光纤上方空气的折射率，n_core为纤芯的折射率，n_clad为包层的折射率，d为液晶薄膜的厚度。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸。

在本发明的描述中，需要理解的是，此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1和2所示，为本发明一种光纤传感头具体实施例的结构示意图。参见图1和2，本具体实施例一种光纤传感头具体包括两端固定在支架9上的侧边抛磨光纤7，侧边抛磨光纤7的抛磨区悬空朝上，抛磨区上均匀涂覆有胆甾相液晶薄膜8。

光纤传感头由侧边抛磨光纤7制成，制作方法为将一段单模光纤去掉涂覆层后放置到轮式光纤抛磨机的磨轮上，电脑控制轮式抛磨机的磨轮顺时针、逆时针旋转，将光纤的包层12逐渐抛磨掉，通过实时在线检测光纤抛磨过程中的插入损耗，制作所需深度的抛磨光纤。制作过程中采用细丝测量仪(型号：XS-01-05-001，分辨率0.1μm)测量侧边抛磨光纤7的剩余厚度，即侧边抛磨光纤7的抛磨区表面离纤芯11表面的距离，标准单模光纤的包层12和纤芯11直径分别为125μm和8μm，剩余包层厚度(也就是抛磨平面到纤芯表面的距离)约0μm-1.5μm范围。实际应用中，如果侧边抛磨光纤抛磨深度太深，光纤损耗大，测量结果中会出现很多噪声；如果抛磨深度太小，光纤中的光场与液晶薄膜之间的耦合小。这个深度保证了侧边抛磨光纤纤芯11中的光场和胆甾相液晶薄膜8中光场的强烈耦合。

本具体实施例中的侧边抛磨光纤长度大约8mm，抛磨平坦区大约长5mm。制作好的侧边抛磨光纤7用无水乙醇清洗干净烘干后备用。

胆甾相液晶分子的排列呈层状分布，层内液晶分子取向相互平行，而相邻层之间的分子取向逐渐扭曲，经过若干层之后，分子取向正好旋转360°。这种螺旋结构是由液晶分子之间的弱相互作用形成的，所以胆甾相液晶分子的取向很容易受到外界刺激的影响，导致其有效折射率发生变化。有机气体分子渗透胆甾相液晶后，会使得胆甾相液晶分子的螺旋排列发生变化，因此，可通过检测胆甾相液晶薄膜8的反射谱来传感有机气体。本发明中的光纤传感头是将敏感材料胆甾相液晶薄膜8涂覆到侧边抛磨光纤7的抛磨平坦区构成，侧边抛磨光纤7上的胆甾相液晶薄膜8构成一高折射率波导，抛磨光纤纤芯11中的光场与液晶波导中的高阶模相互耦合，在侧边抛磨光纤7的输出光谱中可以看到多个共振峰。当有机气体渗透进胆甾相液晶薄膜8时，会引起液晶波导的有效折射率发生改变，导致光纤传输光谱中共振峰发生漂移，实现有机气体的传感。

具体实施过程中，所述支架9为U型支架，优选为U型玻璃支架，侧边抛磨光纤7两端通过紫外胶10固定在U型支架的两端，侧边抛磨光纤7的抛磨区悬空朝上。将侧边抛磨光纤7两端固定到U型支架上，可以确保光纤的抛磨区处于水平状态，从而减少液晶在光纤抛磨区流动。

具体实施过程中，本具体实施例一种光纤传感头可以按照图3所示的流程图制备得到。参见图3，一种光纤传感头的制备方法具体步骤包括：

S101.制作一段侧边抛磨光纤。所用到的侧边抛磨光纤是用轮式抛磨技术制作的，采用细丝测量仪(型号：XS-01-05-001，分辨率0.1μm)测量抛磨光纤的剩余厚度，本实施例所制作的侧边抛磨光纤长度大约8mm，抛磨平坦区的长度大约5mm。标准单模光纤的包层和纤芯直径分别为125μm和8μm，剩余包层厚度(也就是抛磨平面到纤芯表面的距离)大约为1μm。这个深度确保了侧边抛磨光纤纤芯中的光场与胆甾相液晶薄膜中光场的强烈耦合。制作好的侧边抛磨光纤用无水乙醇清洗干净烘干后备用。

S102.制作胆甾相液晶。所用的胆甾相液晶由三种胆甾醇衍生化合物按照一定质量比混合组成，具体为18％wt氯化胆甾醇(cholesteryl chloride，CC)、36％wt胆固醇油醇碳酸酯(cholesteryl oleyl carbonate，COC)、16％wt胆固醇壬酸酯(cholesterylnonanoate，CN))。其混合比例可以根据实际需求配置，只需要保证混合后形成的液晶在常温下处于液晶态，且混合构成的液晶有效折射率位于光纤的敏感范围内(1.44-1.60)。

如在一个实施例中，氯化胆甾醇(cholesteryl chloride，CC)、胆固醇油醇碳酸酯(cholesteryl oleyl carbonate，COC)、胆固醇壬酸酯(cholesteryl nonanoate，CN)三种化合物的质量混合比例为9：18：8，利用阿贝折射率测量出这种比例液晶的有效折射率为1.5，处于光纤的敏感范围内(1.44-1.60)。

具体的，将三种胆甾醇衍生化合物按照一定质量比混合后加热到100℃或以上，然后在70℃或以上的环境下超声30min,使得三种化合物充分混合均匀，然后冷却到室温下，构成室温下的混合胆甾相液晶，该混合胆甾相液晶处于胆甾相的温度范围为15℃～70℃。该混合液晶的有效折射率正好处于侧边抛磨光纤的敏感范围内。具体实施过程中，判断混合液晶的有效折射率是否处于侧边抛磨光纤的敏感范围可以通过测量液晶的折射率来实现。

具体实施过程中，三种胆甾醇衍生化合物都是固体，如果温度低于100℃很难融化并混合在一起构成液晶，但如果温度太高，比如高于120℃，则没有必要，而且会因为温度高存在不安全的因素，因此设置在100℃-120℃范围内进行化合物的混合最适宜，而110℃为最佳。混合后构成的液晶的温度范围一般在15-70℃，加热到70℃以上，液晶就变为各向同性态，因此在70℃-90℃范围超声都可以。S103.用擦拭干净的光纤沾取微量胆甾相液晶轻轻涂覆在侧边抛磨光纤的抛磨区表面；在偏光显微镜(Zeiss Scope A1)下，可以清楚的看到，胆甾相液晶薄膜覆盖在抛磨区上呈蓝绿色。

S104.将覆盖了胆甾相液晶的侧边抛磨光纤放置在热台上加热到70℃，使得胆甾相液晶呈各向同性态；

S105.将涂覆了胆甾相液晶薄膜的侧边抛磨光纤静置一定时间，如1小时，使其冷却到室温(25℃)。加热后再冷却的方法避免了侧边抛磨光纤上液晶的不均匀，使得液晶分子重新排列，形成更加稳定均匀的液晶薄膜。该液晶薄膜的厚度大约为～12μm。

在制作过程中，在进行S103-S105过程中，可以用卤钨灯作为宽带光源，用光谱仪实时监测混合胆甾相液晶涂覆过程以及加热冷却过程中侧边抛磨光纤的传输光谱。当侧边抛磨光纤的传输光谱出现梳状的共振峰并且稳定下来后，光纤传感头就被制作好了。具体实施时，将侧边抛磨光纤两端分别连接宽带光源和光谱仪，光谱仪连接计算机，通过宽带光源提供输入光，利用光谱仪实时检测胆甾相液晶涂覆过程以及加热冷却过程中侧边抛磨光纤的传输光谱，当侧边抛磨光纤的传输光谱出现梳状的共振峰并且稳定下来后则完成制作，如图4所示。

本具体实施例所制作的光纤传感头的传感原理为：当相位条件满足时，也就是侧边抛磨光纤纤芯中基模的有效折射率和胆甾相液晶薄膜中m阶模的有效折射率相同时，侧边抛磨光纤纤芯中的基模就会从光纤纤芯中耦合到胆甾相液晶层中。这种共振耦合使得光纤的传输光谱中出现共振损耗峰，图5所示；当有机气体分子渗入胆甾相液晶薄膜时，胆甾相液晶分子螺旋排列的螺距增加了，这降低了胆甾相液晶的密度，使得胆甾相液晶薄膜的平均折射率降低，最终导致了光纤传输光谱的共振峰的漂移。这种光纤传感头可用于微小空间内有机气体的实时、在线、原位检测。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明还提供一种基于该光纤传感头的有机气体光纤传感装置。如图6所示，该有机气体光纤传感装置包括实施例1所述的光纤传感头2，光纤传感头2两端分别连接宽带光源1和光谱仪4的输入端，光谱仪4的输出端连接计算机5。

具体实施过程中，如需要进行特定浓度的气体检测实验，则需要如图6所示将光纤传感头2放入密闭容器3中，从而确保实验结果的准确度。

在实际应用中，只需要将光纤传感头2置于实际环境中进行检测即可，不需要密闭容器的。

在实施例1中的光纤传感头中，其侧边抛磨光纤7上的胆甾相液晶薄膜8构成高射折射率波导，如图7所示，当相位条件不满足时，也就是侧边抛磨光纤7纤芯中基模的有效折射率n^eff _core和胆甾相液晶薄膜8中m阶模的有效折射率n^eff _CLC,m不相同时，光纤中的光场就不会耦合到液晶薄膜，在光纤的传输光谱中会看到干涉峰；如图8所示，当相位条件满足时，也就是侧边抛磨光纤7纤芯中基模的有效折射率n^eff _core和胆甾相液晶薄膜8中m阶模的有效折射率n^eff _CLC,m相同时，侧边抛磨光纤7纤芯中的基模就会从光纤纤芯中耦合到胆甾相液晶薄膜8中。这种共振耦合使得光纤的传输光谱中出现共振损耗峰。当有机气体分子渗入胆甾相液晶薄膜8时，胆甾相液晶分子螺旋排列的螺距增加了，这降低了胆甾相液晶的密度，使得胆甾相液晶薄膜8的平均折射率降低，最终导致了光纤传输光谱的共振峰的漂移。

具体的，定义胆甾相液晶的气折变系数Γ＝Δn_CLC/Δc_gas，其中Δn_CLC表示渗透有机气体后胆甾相液晶有效折射率的变化量，Δc_gas表示有机气体浓度的变化量。气折变系数Γ给出了有机气体浓度每变化1mmol/L，胆甾相液晶有效折射率的变化量，气折变系数除了与胆甾相液晶有关，还与有机气体的分子量有关。该光纤传感头的灵敏度与液晶的气折变系数有关，气折变系数越大，灵敏度越高。

具体实施过程中，宽带光源1中含有多个波长的光，当宽带光进入侧边抛磨光纤8时，有些波长的光满足相位匹配条件，其大部分光能会耦合到液晶层中并损耗掉，而有些波长的光不满足相位匹配条件，其大部分光能仍然在光纤中传输，当宽带光输入侧边抛磨光纤时，在侧边抛磨光纤的输出端可获得梳状的共振干涉谱，通过计算机5可以看到在光纤的传输光谱中梳状的共振峰。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光纤传感头，其特征在于，包括两端固定在支架上的侧边抛磨光纤，侧边抛磨光纤的抛磨区悬空朝上，抛磨区上均匀涂覆有胆甾相液晶薄膜。

2.根据权利要求1所述的光纤传感头，其特征在于，侧边抛磨光纤的抛磨区表面离纤芯表面的距离为0μm-1.5μm。

3.根据权利要求1所述的光纤传感头，其特征在于，抛磨区上胆甾相液晶薄膜的厚度为8～15μm。

4.根据权利要求1所述的光纤传感头，其特征在于，所述支架为U型支架，侧边抛磨光纤两端固定在U型支架的两端，侧边抛磨光纤的抛磨区悬空朝上。

5.一种有机气体光纤传感装置，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的光纤传感头，光纤传感头两端分别连接宽带光源和光谱仪的输入端，光谱仪的输出端连接计算机。