CN106841109A

CN106841109A - 多槽结构的u型塑料光纤液体折射率传感器

Info

Publication number: CN106841109A
Application number: CN201710069231.1A
Authority: CN
Inventors: 郑杰; 滕传新; 于放达; 丁悦
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2017-06-13
Anticipated expiration: 2037-02-08
Also published as: CN106841109B

Abstract

一种多槽结构的U型塑料光纤液体折射率传感器，属于光纤传感技术领域。由光源、多槽结构的U型塑料光纤探头以及光电检测装置组成。该多槽结构的U型塑料光纤探头是将塑料光纤垂直放置在表面具有截面是三角形锯齿结构的钢制模具下面，三角形的顶点共同指向塑料光纤的中心线；再使用夹具对钢制模具施加压力，在压力的作用下，利用模具的三角形锯齿结构在塑料光纤沿中心线截面的纤芯上压制出多个V型槽的多槽结构；然后将该塑料光纤与多槽结构相对称的另一侧面绕在一个加热至75～95℃左右的圆柱形钢柱上，最后在光纤的两端施加一个3～6N左右的拉力而制备得到。该传感器具有结构和制备工艺简单、成本低廉，并且具有较高灵敏度的特点。

Description

多槽结构的U型塑料光纤液体折射率传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种多槽结构的U型塑料光纤液体折射率传感器。

背景技术

折射率是物质的一个重要的光学参数，它的测量在食品、环境、制药以及生物化学等领域有着重要意义。通过对液体折射率的测量还可以得到液体浓度等重要参数。近年来，利用光纤传感技术测量液体折射率得到了越来越多的研究与应用，它具有抗电磁干扰、绝缘、抗腐蚀、可进行远程工作和可实现分布式传感等优势。

目前现有的光纤液体折射率传感器一般采用光纤光栅，例如：专利申请号201210152365.7的中国发明专利“一种微纳光纤光栅折射率传感器”提供了一种利用微纳光纤光栅来实现液体折射率的测量。但这种光纤光栅是通过紫外曝光法、飞秒激光刻写法、聚焦离子束蚀刻法或红外曝光法制备的，工艺复杂，并且成本也很高。专利申请号201310335715.8的中国发明专利“光纤干涉仪、光纤传感器及其制备方法”提供了一种结构简单的光子晶体光纤F-P干涉仪，可用于液体折射率的测量。但这种干涉仪的制作也需要使用二氧化碳激光器或者熔接机，工艺也较为复杂，所采用的光子晶体光纤价格也比较昂贵。并且上述结构的光纤折射率传感器都需要采用光谱仪对信号进行测量，从而增加了测试的成本。因此，开发一种结构和制备工艺简单，并且成本低廉的光纤折射率传感器显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、制备工艺简单、成本低廉，并且具有较高灵敏度的多槽结构的U型塑料光纤液体折射率传感器。

为解决上述问题，作为本发明的第一方面，提供了一种多槽结构的U型塑料光纤探头的制备方法，包括S1：将塑料光纤垂直放置在表面具有截面是三角形锯齿结构的钢制模具下面，三角形的顶点共同指向塑料光纤的中心线；S2：使用夹具对钢制模具施加压力，在压力的作用下，利用模具的三角形锯齿结构在塑料光纤沿中心线截面的纤芯上压制出多个V型槽的多槽结构；S3：将该塑料光纤与多槽结构相对称的另一侧面绕在一个加热至75～95℃左右的圆柱形钢柱上，然后在光纤的两端施加一个3～6N左右的拉力，从而制备得到多槽结构的U型塑料光纤探头。

作为本发明的第二方面，提供了一种多槽结构的U型塑料光纤液体折射率传感器，它由光源、多槽结构的U型塑料光纤探头以及光电检测装置组成。因所制备的多槽结构的U型塑料光纤探头具有对称结构，它的任意一端均可与光源相连，而另一端则与光电检测装置相连。

本发明还可以包括：

1、U型塑料光纤探头多槽结构的深度可以通过调节夹具施加压力的大小进行控制；所述的U型塑料光纤探头多槽结构的槽间宽度，V型槽角度和总长度可以通过使用具有不同锯齿宽度、锯齿形角度和不同长度的钢制模具进行改变。

2、多槽结构的U型塑料光纤探头可以通过使用不同直径的圆柱形钢柱来改变光纤探头的弯曲半径。

3、多槽结构的U型塑料光纤探头一方面可以产生更大的传输损耗和更强的消逝场，从而对周围环境的折射率变化更加敏感，因为这种结构的光纤探头可以增加芯层模与包层模和辐射模的耦合效率，当探头周围折射率发生变化时，光纤中传输光的全反射条件极易被破坏，这会导致其传输损耗发生明显的变化；另一方面，U型的探头结构有利于传感器的设计与操作。

4、所述的塑料光纤为多模塑料光纤，光纤的外径为250～1500μm，纤芯直径范围为240～1480μm。

5、所述的多槽结构的U型塑料光纤探头的多槽结构的深度为50～500μm，多槽结构的槽间宽度为0.5～2.5mm，多槽结构的总长度为0.5～23mm，V型槽角度为30～150°。

6、所述的多槽结构的U型塑料光纤探头的弯曲半径为2～7mm。

7、所述的光源可以是发射波长为650nm的半导体激光器，也可以是中心发射波长为650nm的LED；所述的光电检测装置是光功率计。

本发明是利用具有多槽结构的U型塑料光纤探头在与被测液体接触时所产生的传输损耗的变化来实现对折射率的测量，具有多槽结构的U型塑料光纤探头可以增加传感器对周围环境折射率变化的敏感性，实现对液体折射率的高灵敏度测量。

本发明是基于光纤长周期光栅的原理，制备在塑料光纤上的多槽结构会引起光纤中传输模式之间的功率耦合，从而会产生传输损耗。

由于所使用的塑料光纤为多模塑料光纤，具有大量的芯层模与包层模，它们的耦合发生在所有的波段上，波长是不可解的，因此该传感器更适用于强度调制而不是波长调制。模式间的耦合导致了传输损耗的发生，这种耦合包括芯层模与包层模的耦合和芯层模与辐射模的耦合。辐射模会泄露到光纤芯层和包层的外面，进入到环境介质当中。U型的结构会使更多的芯层模与包层模和辐射模进行耦合，从而导致更多的传输损耗，增加传感器的灵敏度。这种耦合所产生的损耗可以被周围环境的折射率变化所调制，因此通过监测传输损耗的变化就可以得到待测液体折射率的变化。另外，通过液体浓度与折射率的关系，该传感器还可以用来测量液体的浓度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明的折射率传感器传感探头的制作不需要复杂的光栅写入设备，也不需要腐蚀或者抛磨，制作工艺简单，容易控制，成本低廉，便于商业化生产。

2)本发明的折射率传感器的光源采用半导体激光器或者LED，其价格便宜，并且只需使用光功率计检测输出信号的变化，这样降低了整个传感器的成本。

3)本发明的折射率传感器采用的是多模塑料光纤，其芯径较大，柔韧性好，因此操作简单，并且该传感器工作在可见光波段，安装与调试都十分的简单。

4)本发明的折射率传感器所采用的多槽结构的U型塑料光纤探头测量液体折射率具有较高的灵敏度。

附图说明

图1是本发明的塑料光纤折射率传感器的结构示意图；

图2是本发明的多槽结构塑料光纤的制作过程示意图；

图3是本发明的具有多槽结构塑料光纤的示意图；

图4是本发明的具有多槽结构的U型塑料光纤探头的制作过程示意图；

图5是本发明装置测量的液体折射率与传输损耗的关系及拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质相同的等同替换均属于本发明的保护范围。实施例1：以测量甘油水溶液为例

参见图1，本发明的多槽结构的U型塑料光纤折射率传感器，由光源1、多槽结构的塑料光纤传感探头2和光功率计3组成。由于所制作的光纤探头具有对称结构，光源可以与光纤探头的任意一端通过光纤相连，光纤探头的另一端则通过光纤与光功率计相连。在工作时，光源1发出的光经过光纤到达了具有多槽结构的U型塑料光纤探头2，当具有多槽结构的U型塑料光纤探头2插入到被测溶液中时，光信号与被测溶液产生了相互作用，被调制后的光信号经光纤输入到光功率计当中，光功率计经过光电转换与信号处理将所检测到的光功率值显示出来，所显示的光功率值会随着溶液的折射率值的变化而改变。通过测量得到的光功率值可以计算传输损耗，传输损耗由下式计算得到，

Loss＝-10*log(P_s/P_w)dB

式中P_s和P_w分别是测量的甘油水溶液和去离子水时检测器的平均输出光功率。

通过测量光功率值可以计算得到不同折射率(浓度)甘油水溶液对应的传输损耗值(折射率或浓度为已知)，进而拟合得到传输损耗与折射率(浓度)间的响应曲线，再利用这个响应曲线，通过测量得到的传输损耗值就可以计算出甘油水溶液的折射率值。

参见图2，本实施例所采用的塑料光纤为江西大圣塑料光纤有限公司生产的多模商用塑料光纤，光纤的外径为1000±1μm，芯径为980±1μm。利用模压成型的方法可以将多槽结构制备在塑料光纤4上。制作具有多槽结构塑料光纤的装置包括三角形锯齿结构的钢制模具5和夹具6。具体的制备方法为：将塑料光纤4垂直放置在具有三角形锯齿结构的钢制模具5下面，然后通过夹具6对钢制模具5施加压力，在压力的作用下，在塑料光纤4上会形成多槽结构；

参见图3，具有多槽结构的塑料光纤7主要有四个技术指标，分别为：多槽深度、V型槽角度、槽间宽度和多槽长度。请参见图2，通过调节夹具6所施加的压力大小，模具5的锯齿形角度和锯齿宽度的大小以及模具的长短，可以改变上述多槽结构的技术指标。优选地，多槽深度为200μm，V型槽角度为60°，槽间宽度为1mm，多槽长度为10mm。

参见图4，本实施例采用热定型的方法将具有多槽结构的塑料光纤7制成U型光纤探头。具体的制备方法为：将该塑料光纤7与多槽结构相对称的另一侧面绕在一个加热到80℃的圆柱形钢柱8上，然后在光纤的两端施加一个5N左右的拉力，从而可获得一个带有多槽结构的U型塑料光纤探头2。优选地，U型塑料光纤探头的弯曲半径为3mm。

图5为制作的多槽结构的U型塑料光纤折射率传感器所测得的不同折射率值(浓度)的甘油水溶液的响应曲线。测量时需要将塑料光纤传感探头浸入到甘油水溶液当中，然后读出检测器的输出光功率，每一次的测量我们都记录十组数据，并以它们的平均值作为传感器的输出值。在每一次测量之后，需要使用酒精和去离子水将探头洗净，然后吹干再进行下一次的测量。最后将测量所得到的结果以传输损耗的形式给出，参见图1所述，这样就得到了该传感器的响应曲线。

该传感器的折射率测量范围为1.333～1.410，其测量灵敏度S可以由响应曲线的斜率来确定，它可以表示为，

其中L和n分别是传输损耗和折射率，该传感器的灵敏度可达111.30dB/RIU(RIunit)，分辨率为7.81×10^-4RIU。

另外，由于不同折射率值的甘油水溶液是通过改变溶液中甘油的体积分数而得到的，因此还可以建立传输损耗与甘油浓度(体积分数)之间的关系。

甘油水溶液的不同体积浓度与折射率的对应关系如表1所示。

表1：甘油溶液的不同体积浓度与折射率的对应关系

甘油溶液体积浓度(％)	对应折射率
		0	1.333
5.38	1.340
		13.08	1.350
20.77	1.360
		28.46	1.370
36.15	1.380
		43.85	1.390
51.54	1.400
		59.23	1.410

Claims

1.一种多槽结构的U型塑料光纤液体折射率传感器，其特征在于：由光源、多槽结构的U型塑料光纤探头以及光电检测装置组成，多槽结构的U型塑料光纤探头的一端与光源相连，另一端则与光电检测装置相连；且该多槽结构的U型塑料光纤探头由如下步骤制备得到，

S1：将塑料光纤垂直放置在表面具有截面是三角形锯齿结构的钢制模具下面，三角形的顶点共同指向塑料光纤的中心线；

S2：使用夹具对钢制模具施加压力，在压力的作用下，利用模具的三角形锯齿结构在塑料光纤沿中心线截面的纤芯上压制出多个V型槽的多槽结构；

S3：将该塑料光纤与多槽结构相对称的另一侧面绕在一个加热至75～95℃左右的圆柱形钢柱上，然后在光纤的两端施加一个3～6N左右的拉力，从而制备得到多槽结构的U型塑料光纤探头。

2.如权利要求1所述的一种多槽结构的U型塑料光纤液体折射率传感器，其特征在于：塑料光纤为多模塑料光纤，光纤的外径为250～1500μm，纤芯直径为240～1480μm。

3.如权利要求1所述的一种多槽结构的U型塑料光纤液体折射率传感器，其特征在于多槽结构的深度为50～500μm，多槽结构的槽间宽度为0.5～2.5mm，多槽结构的总长度为0.5～23mm，V型槽角度为30～150°。

4.如权利要求1所述的一种多槽结构的U型塑料光纤液体折射率传感器，其特征在于：多槽结构的U型塑料光纤探头的弯曲半径为2～7mm。

5.如权利要求1所述的一种多槽结构的U型塑料光纤液体折射率传感器，其特征在于：光源是发射波长为650nm的半导体激光器或是中心发射波长为650nm的LED。

6.如权利要求1所述的一种多槽结构的U型塑料光纤液体折射率传感器，其特征在于：光电检测装置是光功率计。