CN213181234U - 一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置 - Google Patents
一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN213181234U CN213181234U CN202021799466.XU CN202021799466U CN213181234U CN 213181234 U CN213181234 U CN 213181234U CN 202021799466 U CN202021799466 U CN 202021799466U CN 213181234 U CN213181234 U CN 213181234U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- period fiber
- fiber grating
- long
- monitoring device
- coated
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
Abstract
本实用新型公开一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，其包括通过光纤依次连接的光源发射器、pH传感器以及光谱分析仪，所述pH传感器包括长周期光纤光栅以及涂覆在所述长周期光纤光栅表面的水凝胶膜层。在实用新型中，当pH传感器进入不同pH值的溶液中，所述水凝胶膜层的体积会发生变化，水凝胶膜层的折射率也会随之变化，从而导致长周期光纤光栅的共振波长随之发生位移变化，通过监测长周期光纤光栅的透射光谱的变化，便可以监测溶液的pH值。本发明提供的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置展现出范围宽、重复性好、稳定性高等优点，除此之外，该基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置制作简单，成本低廉，适用于大范围酸性环境的连续检测。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤技术、光纤光栅刻写技术、纳米薄膜制备技术的交叉领域，尤其涉及一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置。
背景技术
pH值是表示溶液中氢离子浓度的一种标准，也是人们常用的溶液酸碱程度的衡量尺度，具体表示为溶液中氢离子浓度取常用对数的负数值。利用pH值作为衡量溶液酸碱性的尺度已经在很多领域取得了应用，工业生产、食品安全、生物医学等领域中pH值是监测和调控的基础。例如，在海水水质监测中，pH值在生物或化学反应过程方面有着十分密切的联系。通过监测pH值可以迅速了解到大气、生物和水之间的相互作用，这对人类生存环境的稳定至关重要。在医学研究中，活体血液pH值一般处在6-8之间，细胞外的pH值的变化可以认为是影响肿瘤细胞的侵袭行为的一个因素，检测血液等pH值的变化，对预测癌细胞进展和决定合适的抗肿瘤治疗也至关重要。在农业生产中，检测土壤的pH值使农作物一直处在适合自己生长的土壤环境中，有利于产生高效的农作物；在工业生产中，监测生产过程中处理的污水的pH值，有利于保证污水的排放安全。
尽管最常用的pH测量方法是比色法和电化学法。前者是通过酸碱指示剂在其特定pH范围的水溶液中产生不同颜色的原理，若向pH值不同溶液中加入指示剂，溶液会生成不同的颜色，将其与指示剂的标准显色管目视比色，可得到大致的pH值，但其测量十分不准确。后者是通过pH选择电极(如玻璃电极)来测量出溶液的pH，也是目前使用最多的一种测量方法，但是这个仪器本身体积大且不稳定，不适用于连续检测的环境。近年来，光纤pH传感器因此得到了广泛的研究和应用，它有其体积小、灵敏度高、相容性好、耐化学腐蚀、在体内测量安全等优点，越来越多的光纤pH传感器被提出并实现。
迄今为止，已经有各式各样的光纤pH传感器被提出。基于不同的pH响应材料，就有两大类。其中一种是基于固定在光纤表面上的pH指示剂，pH指示剂也被公认为是常用的荧光材料。被测溶液的pH值可由各项指标的光学性质决定，包括吸光度、荧光强度和荧光寿命。然而，这类传感器的制备和使用易受到光强波动、温度、持续时间等因素的影响，比较不稳定。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
实用新型内容
鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，旨在解决现有pH传感器容易受光强波动、温度、持续时间等因素影响导致监测结果不准确且不稳定的问题。
本实用新型的技术方案如下：
一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，其中，包括通过光纤依次连接的光源发射器、pH传感器以及光谱分析仪，所述pH传感器包括长周期光纤光栅以及涂覆在所述长周期光纤光栅表面的水凝胶膜层。
所述的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，其中，所述水凝胶膜层包括依次涂覆在所述长周期光纤光栅表面的聚丙烯酸层和聚乙烯醇层。
所述的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，其中，长周期光纤光栅包括设置有光栅的纤芯，以及包覆在所述纤芯外的包层。
所述的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，其中，所述长周期光纤光栅的周期为0.52nm。
所述的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，其中，所述光源发射器为ASE光源。
所述的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，其中，所述基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置的pH值监测范围为1.916-8.878。
有益效果：本实用新型提供了一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，当pH传感器进入不同pH值的溶液中，所述水凝胶膜层的体积会发生变化，水凝胶膜层的折射率也会随之变化，从而导致长周期光纤光栅的共振波长随之发生位移变化，通过监测长周期光纤光栅的透射光谱的变化，便可以监测溶液的pH值。本发明提供的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置展现出范围宽、重复性好、稳定性高等优点，除此之外，该基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置制作简单，成本低廉，适用于大范围酸性环境的连续检测。
附图说明
图1为本发明一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置较佳实施例的结构示意图。
图2本实用新型中长周期光纤光栅的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型提供一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
请参阅图1-图2，本实用新型提供了一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，如图所示，其包括通过光纤10依次连接的光源发射器20、pH传感器30以及光谱分析仪40，所述pH传感器30包括长周期光纤光栅31以及涂覆在所述长周期光纤光栅31表面的水凝胶膜层32。
本实施例提供的是一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，所述涂层为水凝胶膜层，所述水凝胶膜层的折射率(RI)的变化与pH值有关，因此被测溶液的pH值可以使水凝胶折射率的变化。通过这点来设计pH传感器30，即基于水凝胶膜层的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置结构紧凑、抗外界干扰能力强且易于制造。
在一种具体的实施方式中，所述水凝胶膜层32由依次涂覆在所述长周期光纤光栅表面的聚丙烯酸层和聚乙烯醇层组成。
在本实施提供的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置中，如图1所示，当所述pH传感器20进入不同pH值的溶液11中，所述水凝胶膜层32的体积会发生变化，水凝胶膜层32的折射率也会随之变化，从而导致长周期光纤光栅31的共振波长随之发生位移变化，所述光谱分析仪40通过监测所述长周期光纤光栅31的透射光谱的变化，便可以监测溶液的pH值。本实施例提供的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置展现出范围宽、重复性好、稳定性高等优点，除此之外，该基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置制作简单，成本低廉，适用于大范围酸性环境的连续检测。
具体的，在本实施例中，涂覆有聚丙烯酸层和聚乙烯醇层的pH传感器在不同pH值溶液下的光谱会发生变化，当溶液pH值从1.916变化到8.878时，透射谱的波长逐渐红移，其原因是决定聚丙烯酸层和聚乙烯醇层的体积发生变化的pH值调节了薄膜的电离状态，水凝胶膜层的折射率高于溶液。随着水凝胶膜层体积的增大，光纤表面的折射率增大，使得包层模式的有效折射率增大，所述长周期光纤光栅的透射谱向更长的波长移动。同样，当水凝胶膜层的体积变小时，光纤表面的折射率也会减小，从而导致光谱波长的蓝移，后续通过分析光谱移动便可以得出溶液的pH值。
在一些实施方式中，如图2所示，所述长周期光纤光栅31包括设置有光栅01的纤芯02，以及包覆在所述纤芯外02的包层03。本实施例中，所述长周期光纤光栅作为一种不同于布拉格光栅的损耗型光纤滤波器，在光纤通信和光纤传感领域得到了更广泛的应用，布拉格光栅反射谱与长周期光栅透射谱。在一些具体的实施方式中，所述长周期光纤光栅的周期为0.52nm。
在一些实施方式中，所述光源发射器为ASE光源。具体来讲，ASE(放大自发辐射)光源是专为生产和实验室实验设计的,光源主体部分是增益介质掺铒光纤和高性能的泵浦激光器。独特的atc和apc电路通过控制泵浦激光器的输出保证了输出功率的稳定；通过调节apc，可在一定范围内调节输出功率,简便和智能的操作与远程控制。
在一些实施方式中，所述光谱分析仪为OSA型光谱分析仪。具体来讲，所述光谱分析仪的分析原理是将光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品的蒸汽中待测元素的基态原子所吸收，由发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量。它符合郎珀-比尔定律A＝-lg I/I o＝-LgT＝KCL式中I为透射光强度，I0为发射光强度，T为透射比，L为光通过原子化器光程由于L是不变值所以A＝KC。物理原理任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成的，原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级，因此，一个原子核可以具有多种能级状态。能量最低的能级状态称为基态能级(E0＝0)，其余能级称为激发态能级，而能最低的激发态则称为第一激发态。正常情况下，原子处于基态，核外电子在各自能量最低的轨道上运动。如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子，当外界光能量E恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差E时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应的激发态，而产生原子吸收光谱。电子跃迁到较高能级以后处于激发态，但激发态电子是不稳定的，大约经过10-8秒以后，激发态电子将返回基态或其它较低能级，并将电子跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去，这个过程称原子发射光谱。
在一些具体的实施方式中，所述光谱分析仪的分比率为0.02nm。
在一些具体的实施方式中，来自光源(ASE)的光通过涂覆聚丙烯酸层和聚乙烯醇层的pH传感器直接传播，并通过分辨率为0.02nm的光谱分析仪(OSA)进行检测。将pH传感器放入pH缓冲溶液中，通过加入盐酸(HCl)或氢氧化钠(NaOH)改变溶液的pH值。在具体实施过程中，要避免弯曲折射对透射谱的干扰，确保长周期光纤光栅(LPG)不弯曲，整个实验过程中环境温度保持在24℃左右，湿度保持在55％RH左右。所述基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置的pH值监测范围为1.916-8.878。
综上所述，和现有技术相比，本发明提供的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，在pH值大小的上升或下降过程中，涂覆聚丙烯酸层和聚乙烯醇层的pH传感器器的pH响应基本相同，该pH传感器可以不受pH变化方向的影响而可逆地使用。为研究pH测量的稳定性，本发明随机选取pH值为1.916、2.885和4.885的三种溶液进行长时间反复测试，每10分钟将传感器放入溶液中，检测其波长的变化，共80分钟，随着时间的推移，传感器性能稳定，波长漂移较小，最大偏差为0.149nm。这表明本发明提供的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置漂移极小，性能稳定。所以，在1.916-8.878的pH范围内，该基于水凝胶膜层的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置展现出范围宽、重复性好、稳定性高等优点。除此之外，该传感器制作简单，成本低廉，适用于大范围酸性环境的连续检测。
应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，其特征在于，包括通过光纤依次连接的光源发射器、pH传感器以及光谱分析仪，所述pH传感器包括长周期光纤光栅以及涂覆在所述长周期光纤光栅表面的水凝胶膜层。
2.根据权利要求1所述的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，其特征在于，所述水凝胶膜层包括依次涂覆在所述长周期光纤光栅表面的聚丙烯酸层和聚乙烯醇层。
3.根据权利要求1所述的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，其特征在于，长周期光纤光栅包括设置有光栅的纤芯，以及包覆在所述纤芯外的包层。
4.根据权利要求3所述的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，其特征在于，所述长周期光纤光栅的周期为0.52nm。
5.根据权利要求1所述的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，其特征在于，所述光源发射器为ASE光源。
6.根据权利要求1所述的基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置，其特征在于，所述基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置的pH值监测范围为1.916-8.878。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202021799466.XU CN213181234U (zh) | 2020-08-25 | 2020-08-25 | 一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202021799466.XU CN213181234U (zh) | 2020-08-25 | 2020-08-25 | 一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN213181234U true CN213181234U (zh) | 2021-05-11 |
Family
ID=75769067
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202021799466.XU Active CN213181234U (zh) | 2020-08-25 | 2020-08-25 | 一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN213181234U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114199824A (zh) * | 2021-12-02 | 2022-03-18 | 山东省科学院生物研究所 | 一种用于检测pH值LPFG的制备方法 |
-
2020
- 2020-08-25 CN CN202021799466.XU patent/CN213181234U/zh active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114199824A (zh) * | 2021-12-02 | 2022-03-18 | 山东省科学院生物研究所 | 一种用于检测pH值LPFG的制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhao et al. | A low cost fiber-optic humidity sensor based on silica sol–gel film | |
| US5319975A (en) | Fiber optic moisture sensor | |
| Dybko et al. | Assessment of water quality based on multiparameter fiber optic probe | |
| US5307146A (en) | Dual-wavelength photometer and fiber optic sensor probe | |
| US4548907A (en) | Fluorescent fluid determination method and apparatus | |
| Glazier et al. | Phosphate-selective polymer membrane electrode | |
| Leiner et al. | Theory and practice in optical pH sensing | |
| Netto et al. | A fiber-optic broad-range pH sensor system for gastric measurements | |
| US7263246B1 (en) | Oxygen detection using evanescent fields | |
| EP0871865B1 (de) | Vorrichtung zur messung des partialdruckes von in flüssigkeiten gelösten gasen | |
| CN213181234U (zh) | 一种基于涂层长周期光纤光栅的pH值监测装置 | |
| He et al. | Linear response function for fluorescence-based fiber-optic CO2 sensors | |
| Lehmann et al. | Fiber-optic pH meter using NIR dye | |
| Wolfbeis et al. | Optical fibre titrations. Part 3. Construction and performance of a fluorimetric acid-base titrator with a blue LED as a light source | |
| Baldini | Critical review of pH sensing with optical fibers | |
| US6436717B1 (en) | System and method for optical chemical sensing | |
| WO1986005589A1 (en) | Fibre optic chemical sensor | |
| Martín et al. | Optoelectronic instrumentation and measurement strategies for optical chemical (bio) sensing | |
| Jones et al. | A field-deployable dual-wavelength fiber-optic pH sensor instrument based on solid-state optical and electrical components | |
| Costa-Fernández et al. | Portable fibre optic oxygen sensor based on room-temperature phosphor escence lifetime | |
| Gruber et al. | Instrumentation for optical measurement of dissolved oxygen based on solid state technology | |
| WO1997049985A1 (de) | Vorrichtung zur messung des partialdruckes von in flüssigkeiten gelösten gasen | |
| Hao et al. | A pH sensor constructed with two types of optical fibers: the configuration and the initial results | |
| DE102014103721A1 (de) | Optischer Sensor, insbesondere zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen in wässrigen Lösungen mittels einer Chemilumineszenz-, Absorptions- oder Fluoreszenzmessung | |
| RU10457U1 (ru) | Устройство для контроля уровня уф-излучения |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |