CN207937360U - 一种基于倏逝波的小型光纤传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于倏逝波的小型光纤传感系统，包括电源模块、光源模块、光纤耦合器、光纤探针、光学耦合系统、光电转换模块和采样模块；光源模块发出的激发光通过激发修饰在光纤探针上的荧光物质从而获得荧光信号，通过光纤耦合器以及光学耦合系统的信号光被光电转换模块接收转换为电信号再经过采样模块对数据进行采样及处理。该系统采用了倏逝波传感检测的方法和光纤传感的手段，并基于便携式的设计，采用小型化的各种模块；本实用新型能够实现对各种物质浓度(如pH值、金属离子浓度)准确的测量，并实现了仪器的小型化、智能化，便于携带，且成本低，操作简单。

Description

一种基于倏逝波的小型光纤传感系统

技术领域

本实用新型涉及传感系统，具体涉及一种样品检测的光纤传感系统。

背景技术

在实际的生产生活中，有很多需要进行物质浓度测量的场合，如污水中的有害金属离子浓度，化学实验中的各种离子浓度，医疗检测中的血红蛋白浓度以及各种溶液的pH值。随着人们生活节奏的加快，人们对检测此类物质的仪器的速度、准确性、便携程度的要求越来越高。

目前，市场上用来检测物质浓度的设备主要有紫外分光光度计、荧光光度计、各类极谱仪、色谱仪、质谱仪等。这类仪器大多数需要采样后拿到实验室进行检测，成本昂贵，且需要专业的检测技术人员进行鉴定，获取结果周期长。部分基于电化学方法研发的环境检测仪，体积较大，检测结果准确性低，且电极容易损坏，需要长期的校正，使用方法复杂。因此，传统物质的浓度的检测的设备不能满足热门进行即时、准确以及便携的检测要求，开发一种便携性好、成本低、获取结果迅速准确的检测系统尤为重要。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供了一种基于倏逝波的小型光纤传感系统，其具有体积小、成本低、获取结果迅速准确的特点。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种基于倏逝波的小型光纤传感系统，包括电源模块、光源模块、光纤耦合器、光纤探针、光学耦合系统、光电转换模块和采样模块；

由所述电源模块为整个小型光纤传感系统提供工作电源；

所述光源模块用于提供激发光；

所述光纤探针具有连接段和传感段，此传感段的部分或全部纤芯裸露出来，此裸露的纤芯依次附着于有羟基层、氨基层、能与所述氨基层偶联的量子点层和牛血清白蛋白层，所述羟基层、所述氨基层、所述量子点层和所述牛血清白蛋白层构成特异性荧光物质层；

所述光纤耦合器耦合连接于所述光源模块与所述光纤探针之间，用以将所述光源模块提供的激发光传输至所述光纤探针并能够回传荧光信号；

所述光学耦合系统通过所述光纤耦合器与所述光纤探针进行耦合连接，用于接收所述光纤探针上的所述特异性荧光物质层所反射的荧光信号和原有的激发光，并滤除其中的激发光信号只保留荧光信号；

所述光电转换模块放置于所述光学耦合系统的出射端，用以接收所述荧光信号，将光强信号转换为电信号；

所述采样模块电连接于所述光电转换模块的输出端，采集并存储所述电信号；

所述光源模块、所述光纤耦合器、所述光学耦合系统、所述光电转换模块和所述采样模块均安装于一盒体内，所述光纤探针位于此盒体外，且此盒体的一侧面设有供安装所述光纤探针的光纤接口。

所述光源模块、所述光学耦合系统、所述光电转换模块和所述采样模块均采用小型标准件。

所述电源模块采用电源适配器，此电源适配器的输入端连接市电，输出端通过电源线引至所述盒体内为所述光源模块、所述光电转换模块和所述采样模块供电。

所述盒体的一侧面设有控制所述电源模块的电源回路的电源开关。

所述盒体的一侧面设有供连接所述电源线穿入所述盒体内的通孔。

所述光纤探针呈柱锥结合的结构，包括依次衔接的第一柱段、锥段和第二柱段，所述第一柱段的径向尺寸大于所述第二柱段的径向尺寸，所述第一柱段即为所述连接段。

所述光学耦合系统包括镜筒、带通滤光片和透镜，所述带通滤光片和所述透镜沿光路安装于所述镜筒内，所述光电转换模块中的光电探测器放置于所述镜筒的出射端对应于所述透镜的焦点位置。

采用上述方案后，本实用新型一种基于倏逝波的小型光纤传感系统，采用倏逝波传感结构设计，能够免去测量不同浓度的溶液对光纤探针清洗的步骤。光纤探针上的特异性荧光物质层结合不同浓度的溶液中的物质能够产生不同的光信号，反射的荧光信号和原有的激发光通过光纤耦合器到达光学耦合系统中，经过光学耦合系统滤除激发光信号只保留荧光信号，通过光电转换器将此荧光信号的光强信号转换为电信号，最后经过采样模块将电信号采集并存储。本实用新型的基于倏逝波的小型化光纤传感系统，是一种便携的检测装置，能够即时、准确的检测出物质的浓度且基于倏逝波的光纤传感技术不仅能够无损伤的深入到微小的细孔环境以及人体内部进行测量，而且抗干扰能力强探测信号稳定可靠。

该系统运用了光纤传感技术、光学系统以及单片机数据采集技术，且采用成本低、小型化、便携性高的设计理念，能够实现对样品进行准确的定量检测。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本系统采用量子点对光纤进行修饰，与其他荧光标记物相比，量子点具有宽的激发光谱和窄的发射光谱，便于测量，且量子点荧光寿命长，对人体无害。

2、本系统采用倏逝波光纤传感技术，可以免去测量不同溶液时对光纤探针的清洗，获取结果准确迅速，检测信号抗干扰能力强，且能够深入到细小的环境中。

3、本系统采用小型化仪器设计，所有采用的器件均为小型标准件，采用高精度的AD转换电路板对电信号进行采集，体积小、便于携带，成本低，操作简单。

附图说明

图1为本实用新型的工作原理示意图；

图2为本实用新型的结构示意图(省略盒体的顶盖)；

图3为本实用新型中光纤探针的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种基于倏逝波的小型化光纤传感系统，下面结合附图和实施例对本实用新型作详细说明。

本实用新型的一种基于倏逝波的小型光纤传感系统，如图1－3所示，包括电源模块、光源模块1、光纤耦合器2、光纤探针3、光学耦合系统4、光电转换模块5和采样模块6。

所述光源模块1、所述光纤耦合器2、所述光学耦合系统4、所述光电转换模块5和所述采样模块6均安装于盒体7内，所述光纤探针3位于此盒体7外，盒体7的前侧面设有用以控制电源模块的电源回路通断的电源开关71和用以安装所述光纤探针3的光纤接口72，盒体7上的右侧面上开设有通孔73。

由所述电源模块为整个小型光纤传感系统提供工作电源；本实用新型中，所述电源模块采用电源适配器，此电源适配器的输入端通过插头连接市电，输出端通过电源线引至所述盒体7内为所述光源模块1、所述光电转换模块5和所述采样模块6供电，所述电源线由通孔73引入盒体7内。

所述光源模块1用于提供激发光，本实用新型中，光源模块1采用波长在近紫外波段的半导体激光器或者固体激光器，其末端连接有尾纤，可以和多种光纤进行耦合，本实用新型中，光源模块1通过其尾纤与光纤耦合器2进行连接。

所述光纤探针3为单模/多模石英光纤，具有连接段和传感段，用化学腐蚀法使得此传感段的部分或全部纤芯裸露出来，此裸露的纤芯依次附着于有羟基层、氨基层、能与所述氨基层偶联的量子点层和牛血清白蛋白层，所述羟基层、所述氨基层、所述量子点层和所述牛血清白蛋白层构成特异性荧光物质层；从外观上看，所述光纤探针3呈柱锥结合的结构，包括依次衔接的第一柱段31、锥段32和第二柱段33，所述第一柱段31的径向尺寸大于所述第二柱段32的径向尺寸，所述第一柱段31即为所述连接段，此连接段通过光纤与光纤接头相连接。

所述光纤耦合器2耦合连接于所述光源模块1与所述光纤探针3之间，用以将所述光源模块1提供的激发光传输至所述光纤探针3并能够回传荧光信号；

所述光学耦合系统4通过所述光纤耦合器2与所述光纤探针3进行耦合连接，用于接收所述光纤探针3上的所述特异性荧光物质层所反射的荧光信号和原有的激发光；具体地，所述光学耦合系统4包括镜筒、带通滤光片和透镜，所述带通滤光片和所述透镜沿光路安装于所述镜筒内，所述特异性荧光物质层所反射的荧光信号和原有的激发光经过带通滤光片能够滤除激发光信号只保留荧光信号，荧光信号经透镜聚焦聚集在光电转换模块5上。带通滤光片滤除激发光信号的同时可以保证荧光信号高透过率的通过。

所述光电转换模块5中的光电探测器放置于所述镜筒的出射端对应于所述透镜的焦点位置，用以接收所述荧光信号，将光强信号转换为模拟电信号；

所述采样模块6电连接于所述光电转换模块5的输出端，采样模块6采用高精度的AD转换器，可以将光电转换模块5产生的模拟电信号转换为数字信号并储存，通过配合的数据处理模块便可对数据进行进一步的处理分析，得到物质不同浓度的参数。

光源模块1安装于盒体7内靠近盒体7的前侧壁，光学耦合系统4的镜筒安装于盒体7内靠近盒体7的右侧壁，光电转换模块5的一端伸入至光学耦合系统4的镜筒内，光纤耦合器2安装于的底面中部，采样模块6安装于盒体7的左侧壁。

本实用新型中，所述光源模块1、所述光学耦合系统4、所述光电转换模块5和所述采样模块6均采用小型标准件(其中所述光学耦合系统4的各器件均采用直径为12.5mm的小型标准件)，并均集成在小型盒体7内，光纤接口72位于盒体7的外侧面，方便更换光纤探针3，盒体小而轻便，便于携带。

当要对物质的浓度进行检测时，将修饰有特异性荧光物质层的光纤探针3深入到溶液中，打开电源开关，光源模块1、光电转换模块5和采样模块6得电开始工作，光源模块1发出的激发光通过光纤耦合器2耦合至光纤探针3，光纤探针3上的特异性荧光物质层结合不同浓度的溶液中的物质能够产生不同的光信号，所反射的荧光信号和原有的激发光通过光纤耦合器2到达光学耦合系统4中，经过光学耦合系统4的带通滤光片滤除激发光信号只保留荧光信号，此荧光信号经过透镜聚焦聚集在光电转换器上，将此荧光信号的光强信号转换为模拟电信号，再通过采样模块6将光电转换模块5产生的模拟电信号转换为数字信号并储存，通过配合的数据处理模块便可对数据进行进一步的处理分析，得到物质不同浓度的参数。

本实用新型提供一个具体的实施例，本实施例是一种快速检测溶液pH值的光纤传感系统，其光源模块1采用为中心波长在405nm的半导体激光器，光功率约为20mW，光源模块1的尾纤是纤芯和包层直径为105μm和125μm的多模光纤。光纤耦合器2采用二合一光纤耦合器，器件间的连接采用FC/PC型的接头。光纤探针3是对纤芯和包层直径分别为105μm和125μm的多模光纤经过氢氟酸化学腐蚀裸露纤芯并通过化学键结合的方式修饰上对pH值敏感的量子点层。光学耦合系统4中的所有器件均采用12.5mm标准件，光学耦合系统4的带通滤光片能够消除405nm的激发光，荧光信号最终经过透镜聚集在光电转换模块5的光电探测器上，此光电探测器能够检测出不同pH值所对应的光强度的信号变化。采样模块6采用高精度的AD转换器，将光电转换模块5产生的模拟信号转换为数字信号，通过串口可将数据传输至PC机端进行查看。这种方法能够实现对pH值2-12的快速、便捷、准确的检测。

Claims (7)

1.一种基于倏逝波的小型光纤传感系统，其特征在于：包括电源模块、光源模块、光纤耦合器、光纤探针、光学耦合系统、光电转换模块和采样模块；

由所述电源模块为整个小型光纤传感系统提供工作电源；

所述光源模块用于提供激发光；

所述光纤探针具有连接段和传感段，此传感段的部分或全部纤芯裸露出来，此裸露的纤芯依次附着于有羟基层、氨基层、能与所述氨基层偶联的量子点层和牛血清白蛋白层，所述羟基层、所述氨基层、所述量子点层和所述牛血清白蛋白层构成特异性荧光物质层；

所述光纤耦合器耦合连接于所述光源模块与所述光纤探针之间，用以将所述光源模块提供的激发光传输至所述光纤探针并能够回传荧光信号；

所述光学耦合系统通过所述光纤耦合器与所述光纤探针进行耦合连接，用于接收所述光纤探针上的所述特异性荧光物质层所反射的荧光信号和原有的激发光，并滤除此其中的激发光信号只保留荧光信号；

所述光电转换模块放置于所述光学耦合系统的出射端，用以接收所述荧光信号，将光强信号转换为电信号；

所述采样模块电连接于所述光电转换模块的输出端，采集并存储所述电信号；

所述光源模块、所述光纤耦合器、所述光学耦合系统、所述光电转换模块和所述采样模块均安装于一盒体内，所述光纤探针位于此盒体外，且此盒体的一侧面设有供安装所述光纤探针的光纤接口。

2.根据权利要求1所述的一种基于倏逝波的小型光纤传感系统，其特征在于：所述光源模块、所述光学耦合系统、所述光电转换模块和所述采样模块均采用小型标准件。

3.根据权利要求1所述的一种基于倏逝波的小型光纤传感系统，其特征在于：所述电源模块采用电源适配器，此电源适配器的输入端连接市电，输出端通过电源线引至所述盒体内为所述光源模块、所述光电转换模块和所述采样模块供电。

4.根据权利要求1所述的一种基于倏逝波的小型光纤传感系统，其特征在于：所述盒体的一侧面设有控制所述电源模块的电源回路的电源开关。

5.根据权利要求3所述的一种基于倏逝波的小型光纤传感系统，其特征在于：所述盒体的一侧面设有供连接所述电源线穿入所述盒体内的通孔。

6.根据权利要求1所述的一种基于倏逝波的小型光纤传感系统，其特征在于：所述光纤探针呈柱锥结合的结构，包括依次衔接的第一柱段、锥段和第二柱段，所述第一柱段的径向尺寸大于所述第二柱段的径向尺寸，所述第一柱段即为所述连接段。

7.根据权利要求1所述的一种基于倏逝波的小型光纤传感系统，其特征在于：所述光学耦合系统包括镜筒、带通滤光片和透镜，所述带通滤光片和所述透镜沿光路安装于所述镜筒内，所述光电转换模块中的光电探测器放置于所述镜筒的出射端对应于所述透镜的焦点位置。