CN208091901U - 一种基于光纤微腔结构的反射式挥发性有机化合物传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于光纤微腔结构的反射式挥发性有机化合物传感器，属于光纤传感技术领域，由宽带光源、光谱分析仪、单模光纤、环形器、空气腔传感头组成；空气腔传感头由空心光纤，PDMS薄膜组成；PDMS薄膜在空心光纤内构成空腔，其中空心光纤的长度为150μm～300μm，PDMS薄膜的厚度为100μm～280μm，空腔的长度为25μm～55μm；利用浓度引起空气腔长度的变化，通过测量干涉波长的漂移可以实现浓度的测量。本实用新型具有工艺简单，成本低廉，方便操作，结构紧凑等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及了一种光纤挥发性有机化合物传感器，尤其涉及一种基于光纤微腔结构的反射式挥发性有机化合物传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
挥发性有机化合物是许多家庭产品中常见的空气污染物。常见的室内挥发性有机化合物主要来源于装修建材、家具以及一些塑料制品。根据环境保护局的报告，如果没有足够的通风设备使空气流通，并且挥发性有机化合物存在于室内，那么室内空气污染程度将会比室外空气严重10倍之多。在我们的日常生活中使用了成千上万种不同的挥发性有机化合物，但是我们很难发现挥发性有机物是怎样对我们空气质量产生影响。因此，挥发性有机物的检测和监测变得越来越重要。在各种检测方法中，用于挥发性有机物监测的光纤传感器越来越受到人们的关注。基于不同原理的种类繁多的光纤挥发性有机化合物传感器已被提出，例如基于瑞利散射，基于表面等离子体共振(SPR)方法，基于光子晶体光纤，基于光纤光栅等。在这些不同的原理结构中，基于干涉的挥发性有机化合物的传感器具有更高的灵敏度。
挥发性有机化合物检测的灵敏度、响应时间通常取决于敏感膜。PDMS 是由弹性体聚合物交联结构的重复单元构成的。非极性溶剂，如挥发性有机化合物，可以很容易地渗透到交联的PDMS基体中。由于具有弹性，在渗透过程中往往还伴随着PDMS的有效溶胀效应。PDMS涂层具有优异的高透气性能力。在实际实施对挥发性有机化合物的检测时，通常会在传感器的传感区域镀上一层 PDMS薄膜。当PDMS薄膜置于挥发性有机化合物环境中时，薄膜会发生膨胀，从而导致参量的变化，实现对挥发性有机化合物的测量。
实用新型内容
本实用新型的目的是：为了解决用光纤测量挥发性有机化合物的问题，提供了一种基于光纤微腔结构的反射式挥发性有机化合物传感器，该传感器具有制作简单、操作方便、灵敏度高等优点。
本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为：
一种基于光纤微腔结构的反射式挥发性有机化合物传感器，包括宽带光源(1)、光谱分析仪(2)、单模光纤(3)、环形器(4)、空气腔传感头(5)，其特征在于：宽带光源(1)通过单模光纤(3)与环形器(4)的401端口相连，环形器(4)的402端口通过单模光纤(3)与空气腔传感头(5)相连，环形器 (4)的403端口通过单模光纤(3)与光谱分析仪(2)相连；光谱分析仪(2) 作为信号解调部分；所述空气腔传感头(5)由空心光纤(6)，PDMS薄膜(7) 组成；PDMS薄膜(7)在空心光纤(6)内构成空腔(8)；空心光纤(6)的长度为150μm～300μm，PDMS薄膜(7)的厚度为100μm～280μm，空腔(8) 的长度为25μm～55μm。
本实用新型的有益效果为：微腔结构工艺简单，易于实现，成本低廉，方便操作，结构紧凑。
附图说明
图1为一种基于光纤微腔结构的反射式挥发性有机化合物传感器。
具体实施方式
下面结合附图及其实施实例对本实用新型作进一步说明。
参见附图1，本实用新型包括宽带光源(1)，光谱分析仪(2)，单模光纤(3)，环形器(4)，空气腔传感头(5)；其中空气腔传感头(5)由空心光纤 (6)，PDMS薄膜(7)组成；PDMS薄膜(7)在空心光纤(6)内构成空腔(8)；宽带光源(1)通过单模光纤(3)与环形器(4)的401端口相连，环形器(4) 的402端口通过单模光纤(3)与空气腔传感头(5)相连，环形器(4)的403端口通过单模光纤(3)与光谱分析仪(2)相连；光谱分析仪(2)作为信号解调部分。
本实用新型的系统工作方式为：宽带光源(2)发出的光由环形器(4) 进入空气腔传感头(5)，一部分光在单模光纤(3)的端面发生反射，一部分光进入空腔(8)，在PDMS薄膜(7)内表面发生反射。两束光因光程不同，在环形器(4)中发生干涉，形成干涉条纹。当挥发性有机化合物浓度变化，会导致 PDMS薄膜(7)膨胀或收缩，从而影响光程差。随着挥发性有机化合物浓度增加，干涉光谱会向短波方向移动。相位差可以表示为：
n是空气的折射率，λ为光波长，L为空腔(8)的长度，(1)式中，各级干涉极小值的波长为：
m为干涉级次。对公式(2)进行微分运算，可得
Δλ为波长漂移量，Δc为挥发性有机化合物的浓度变化量，L0为空腔(8) 的初始腔长，k为PDMS薄膜(7)的膨胀系数。从公式(3)可以看出，波长的漂移量与空气中挥发性有机化合物的浓度变化量成线性关系。利用光谱分析仪 (2)可以测得干涉波谱的波谷波长，由于波长漂移量与温度成线性关系，获得波长即可获得测量温度。实验结果如表1。
表1干涉波长和挥发性有机化合物浓度的变化关系
| 浓度/ppm | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 |
| 干涉波长/nm | 1538.45 | 1537.76 | 1537.05 | 1536.35 | 1535.67 |
本实例中，宽带光源1的输出波长为1400nm-1600nm，单模光纤(3) 用的是常规单模光纤(G.625)，纤芯直径8.2μm，包层直径125μm；空心光纤(6) 的型号为TSP075150，内径为75μm，外径为150μm；空心光纤(6)的长度为 225.1μm，PDMS薄膜(7)的厚度为250.3μm，空腔(8)的长度为51.2μm。
挥发性有机化合物浓度从100ppm上升到500ppm，干涉波长由 1538.45nm变化到1535.67nm，变化量为-2.78nm。从表中数据可以看出，温度与干涉光波长成线性关系，灵敏度为-6.83pm/℃。
通过上述实例对本实用新型进行了揭示，但其他对一种测量空气中相对湿度的光纤型传感器的简单变形、替换均将落入本实用新型的权利要求范围内。
Claims (1)
1.一种基于光纤微腔结构的反射式挥发性有机化合物传感器，包括宽带光源(1)、光谱分析仪(2)、单模光纤(3)、环形器(4)、空气腔传感头(5)，其特征在于：宽带光源(1)通过单模光纤(3)与环形器(4)的401端口相连，环形器(4)的402端口通过单模光纤(3)与空气腔传感头(5)相连，环形器(4)的403端口通过单模光纤(3)与光谱分析仪(2)相连；光谱分析仪(2)作为信号解调部分；所述空气腔传感头(5)由空心光纤(6)，PDMS薄膜(7)组成；PDMS薄膜(7)在空心光纤(6)内构成空腔(8)；空心光纤(6)的长度为150μm～300μm，PDMS薄膜(7)的厚度为100μm～280μm，空腔(8)的长度为25μm～55μm。
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