專利名稱：一種微孔階躍多模聚合物光纖液體折射率傳感裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于光纖傳感的技術領域，具體涉及一種基于微孔結構的聚合物光纖液體折射率傳感裝置。
背景技術：
目前國內外應用在生物、化學、環境領域的液體折射率光纖傳感器，大部分都是基于石英光纖的液體折射率傳感器，包括光纖光柵傳感器、F-P腔傳感器、光纖SPR傳感器等多種。但它們都存在一些諸如測量的非線性和測量范圍小等缺點，且其制作工藝要求很高，決定了石英光纖傳感器的生產成本難以降低。現有的液體折射率聚合物光纖傳感器，結構包括光源模塊、光纖傳感器、光電探測器、控制與處理電路等幾個部分。2012年6月答辯的吉林大學碩士學位論文《雙錐型塑料 光纖液體折射率傳感器》公開的塑料光纖液體折射率傳感器結構如圖I所示，光源模塊為調制的半導體光源，光纖傳感器是被拉直的一段塑料光纖，光電探測器即光電檢測器，控制與處理電路為數字示波器。該塑料光纖液體折射率傳感器的液體折射率檢測范圍在I. 333
I.41，靈敏度為18dB/RIU，參見圖2的雙錐形塑料光纖傳輸損耗與液體折射率的關系曲線，圖2即是該碩士學位論文的圖4. 12。該塑料光纖液體折射率傳感器同樣限制于測量的非線性和測量范圍小等弱點。因此研制線性好和測量范圍大的光纖傳感器具有重要意義。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，針對現有技術的液體折射率傳感器的測量非線性和測量范圍小等弱點，公開一種微孔結構的階躍多模聚合物光纖液體折射率傳感器，達到測量液體折射率的范圍大，且具有高靈敏度的目的。本發明為解決技術問題所采取的技術方案是—種微孔階躍多模聚合物光纖液體折射率傳感裝置，結構有光源模塊I、光纖傳感器、光電探測器3和控制與處理電路4，光纖傳感器的輸入端經聚合物光纖與光源模塊I相連，光纖傳感器輸出端經聚合物光纖與光電探測器3相連，光電探測器3與控制與處理電路4相連；其特征是，所述的聚合物光纖，是階躍多模聚合物光纖；所述的光纖傳感器，是多模光纖傳感器2，由階躍多模聚合物光纖的一段構成，在該段光纖上開有柱狀的橫向穿透光纖的微孔，微孔的軸線與光纖的中心軸垂直相交。基于微孔階躍多模聚合物光纖液體折射率傳感裝置，各類型階躍多模聚合物光纖及多模光纖傳感器2的參數如下(I)所用階躍多模聚合物光纖為各種標準尺寸的塑料光纖，光纖外直徑可分別為
O.25mm、0. 50mm、0. 75mm、I. 00mm、2. 00mm、3. OOmm 等各種標準尺寸。(2)所述的多模光纖傳感器2由具有微孔結構的階躍折射率多模塑料光纖構成，微孔的高度為小于光纖的直徑、微孔的直徑約為10微米至2. 6毫米之間。(3)傳感器類型一多模光纖傳感器2可以是單微孔的結構。
(4)傳感器類型二 多模光纖傳感器2可以是2 10個多微孔的結構，孔的間距不限。多微孔的結構更詳細的可以是，(5)相鄰微孔的軸線相互平行或相鄰微孔的軸線相互垂直的微孔結構，孔的間距不限。(6)相鄰微孔的軸線相互平行和相互垂直的混合微孔結構，孔的間距不限。本發明中，所述的光源模塊1，是利用信號源發出一定頻率的方波信號，通過驅動電路控制半導體發光二極管(或半導體激光器)的電流實現光源的直接調制。本發明中，所述的多模光纖傳感器2，是單微孔或多微孔的多模聚合物光纖傳感器，它們是利用微型數控機床和三維精密移動平臺加工的多模聚合物光纖傳感器，柱狀微
孔的軸向垂直于光纖的中心軸。并可以將加工好的多模光纖傳感器2固定在基板上，以免外界的環境變化導致光纖形變而產生誤差。本發明中，所述的光電探測器3，是接收光信號并將光信號轉換成電信號的光電管、光電倍增管或光電二極管等器件。本發明中，所述的控制與處理電路4，包括信號放大模塊7、A/D轉換模塊(數字/模擬轉換模塊)6、單片機(CPU) 7、顯示模塊8和通信模塊9。液體折射率精確便捷測量方法，包括以下步驟(I)將待測液體滴入多模光纖傳感器2的微孔,或將多模光纖傳感器2浸入待測液體中；(2)利用驅動電路控制半導體光源發出光波，經過多模光纖傳感器2后，由光電探測器3將檢測到的光信號變成電信號傳送給控制與處理電路4。(3)控制與處理電路4根據檢測到的功率值，比照標準的液體折射率與光透射功率關系圖，給出液體折射率。本發明與現有技術相比具有以下優點通過液體對光波功率的衰減進行數值分析，實現液體折射率的測量；本發明由于采用階躍多模聚合物光纖和多模光纖傳感器，能迅速得到待測液體導致輸出光功率數據，提高了液體折射率的測量范圍和精確度，對液體折射率的測量線性度好，靈敏度達到了 21. 00dB/RIU，所測量的液體折射率范圍達到I. 333 I. 475，具有很好的實用價值；并且它具有制作方便、操作簡單、傳感系統成本低廉等優點。
圖I是背景技術的雙錐形塑料光纖液體折射率傳感器結構示意圖。圖2是背景技術的雙錐形塑料光纖傳輸損耗與液體折射率的關系曲線。圖3是本發明的微孔階躍多模聚合物光纖液體折射率傳感裝置的結構框圖。其中，I為光源模塊，2為多模光纖傳感器,3為光電探測器,4為控制與處理電路。圖4是一種控制與處理電路4的框圖。其中，5為信號放大模塊，6為A/D轉換模塊(數字/模擬轉換模塊)，7為單片機(CPU)，8為顯示模塊，9為通信模塊。圖5是本發明的單微孔結構的多模光纖傳感器2的微孔處橫截面圖。圖6是相互平行微孔結構多模光纖傳感器2的微孔位置示意圖。圖7是相互垂直微孔結構多模光纖傳感器2的微孔位置示意圖。圖8是相鄰微孔相互平行和相互垂直的混合微孔結構多模光纖傳感器2的微孔位置示意圖。圖9是本發明的一種液體折射率與光透射功率的標準關系曲線。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的說明。實施例I微孔階躍多模聚合物光纖液體折射率傳感裝置的結構參照圖3，本發明的微孔階躍多模聚合物光纖液體折射率傳感裝置的結構，包括光源模塊I，微孔結構的多模光纖傳感器2,光電探測器3、控制與處理電路4。微孔結構的多模光纖傳感器2的輸入端經階躍多模聚合物光纖和光源模塊I相連，多模光纖傳感器2輸出端經階躍多模聚合物光纖和光電探測器3的輸入端相連，光電探測器3的輸出端和控制與處理電路4相連。
光源模塊I是由半導體發光二極管或半導體激光器、信號發生器和驅動電路構成，且通過驅動電路實現光源的內調制；若以半導體激光器作為光源，則需另外加溫度與光功率控制電路。控制與處理電路4的結構如圖4所示，包括信號放大模塊5，A/D轉換模塊6，單片機7,顯不模塊8和通信模塊9。信號放大模塊5的輸入端作為控制與處理電路4的輸入端，信號放大模塊5的輸出端與A/D轉換模塊6的輸入端連接，A/D轉換模塊6的輸出端與單片機7的第一 IO 口相連，顯示模塊8與單片機7的第二 IO 口相連，通信模塊9與單片機7的串行或者并行通信端口相連。其中單片機(CPU) 7可選用STC 89C5單片機，A/D轉換模塊6可選用ADC084芯片，顯示模塊8可選用0CMJ4X8C-3液晶，通信模塊9可選用74LS165移位寄存器。實施例2不同類型微孔結構的多模光纖傳感器2圖5、6、7、8分別給出多模光纖傳感器2上的微孔排列位置的示意圖。圖5是單微孔的剖面圖，在多模光纖傳感器2上只有I個微孔；階躍多模聚合物光纖的中心軸垂直紙面，微孔的軸線在紙面上，兩軸垂直相交。圖6是相鄰微孔軸線相互平行的排列示意圖，各微孔整齊的排成一列。圖6給出的3個微孔軸線平行且方向垂直紙面，而階躍多模聚合物光纖的中心軸平行于紙面，兩軸垂直相交。圖7是相鄰微孔軸線相互垂直的排列示意圖，相當于有兩排微孔，兩排微孔的軸線相互垂直。圖7給出4個水平軸向的微孔和3個豎直軸向的微孔的排列的情況，水平軸向的微孔與豎直軸向的微孔相間排列。圖8是相鄰微孔軸線相互平行和相互垂直的混合微孔結構的排列示意圖，在兩個水平軸向的微孔之間可以有O 4個豎直軸向的微孔。圖8給出的是在2個水平軸向的微孔之間有I個或O個豎直軸向的微孔，而在2個豎直軸向的微孔之間有2個水平軸向的微孔。當微孔的個數為O或I時，待測液體進入多模光纖傳感器2較少，影響折射率的檢測靈敏度；當微孔的個數太多時，在多模光纖傳感器2傳輸的光會有較多的損失也影響折射率的檢測靈敏度，甚至探測不到光信號。本發明優選微孔的個數為2 5個混合微孔結構。
圖9給出具有2個軸向相互垂直的微孔的多模光纖傳感器2的液體折射率與光透射功率的標準關系曲線。實施例3本發明裝置的工作方式經內調制后的光源輻射光經過階躍多模聚合物光纖進入多模光纖傳感器2(即，光纖微孔區)和光電探測器3，當多模光纖傳感器2的微孔置入待測液體時，多模光纖傳感器2處的光波功率的大小與微孔中介質(待測液體)的折射率相關，當微孔內注入的液體折射率較大時，光纖中傳輸的光功率損耗就會較少，探測到的光纖中的光波功率隨微孔內液體折射率的增大而增大；當微孔內注入的待液體折射率較小時，光纖中多模光纖傳感器2處傳輸的光波功率衰減就會較大，導致光電探測器接收到的光波功率隨微孔內液體折射率的減小而減小。由光電探測器3實施光電變換后的電信號經信號放大模塊5放大并輸入至A/D轉換模塊6，A/D轉換模塊6將放大的信號轉換成數字信號輸入到單片機(CPU) 7，計算出相應的液體折射率，最后通過顯示模塊8顯示。本發明能夠測量液體折射率的關鍵在于階躍多模聚合物光纖經過打微孔后，光 經過微孔時，滴定不同的液體或不同濃度的同一液體后，相對于不同的折射率，光功率損耗呈線性變化。這種基于微孔結構的光纖傳感器操作簡單、線性度好、測量范圍大、靈敏度高，可實現液體折射率在I. 333 I. 475范圍內的測量，且靈敏度達到21. 00dB/RIU，具有很高的應用價值。
權利要求
1.一種微孔階躍多模聚合物光纖液體折射率傳感裝置，結構有光源模塊(I)、光纖傳感器、光電探測器(3)和控制與處理電路(4)，光纖傳感器的輸入端經聚合物光纖與光源模塊(I)相連，光纖傳感器輸出端經聚合物光纖與光電探測器(3)相連，光電探測器(3)與控制與處理電路(4)相連；其特征是，所述的聚合物光纖，是階躍多模聚合物光纖；所述的光纖傳感器，是多模光纖傳感器(2)，由階躍多模聚合物光纖的一段構成，在該段光纖上開有柱狀的橫向穿透光纖的微孔，微孔的軸線與光纖的中心軸垂直相交。
2.根據權利要求I所述的微孔階躍多模聚合物光纖液體折射率傳感裝置，其特征是，所述的微孔，直徑為10微米至2. 6毫米之間。
3.根據權利要求I或2所述的微孔階躍多模聚合物光纖液體折射率傳感裝置，其特征是，所述的多模光纖傳感器(2)，是單微孔的結構。
4.根據權利要求I或2所述的微孔階躍多模聚合物光纖液體折射率傳感裝置，其特征是，所述的多模光纖傳感器(2)，相鄰微孔的軸線相互平行或相鄰微孔的軸線相互垂直的微孔結構。
5.根據權利要求I或2所述的微孔階躍多模聚合物光纖液體折射率傳感裝置，其特征是，所述的多模光纖傳感器(2)，相鄰微孔的軸線相互平行和相互垂直的混合微孔結構。
6.根據權利要求I或2所述的微孔階躍多模聚合物光纖液體折射率傳感裝置，其特征是，所述的多模光纖傳感器(2)，固定在基板上。
7.根據權利要求I或2所述的微孔階躍多模聚合物光纖液體折射率傳感裝置，其特征是，所述的控制與處理電路(4)，包括信號放大模塊(5)，A/D轉換模塊￠)，單片機(7)，顯示模塊⑶和通信模塊(9);信號放大模塊(5)的輸入端作為控制與處理電路⑷的輸入端，信號放大模塊(5)的輸出端與A/D轉換模塊￠)的輸入端連接，A/D轉換模塊￠)的輸出端與單片機(7)的第一 IO 口相連，顯示模塊(8)與單片機(7)的第二 IO 口相連，通信模塊(9)與單片機(7)的串行或者并行通信端口相連；其中單片機(7)選用STC89C5單片機，A/D轉換模塊(6)選用ADC084芯片，顯示模塊(8)選用0CMJ4X8C-3液晶，通信模塊(9)選用74LS165移位寄存器。
全文摘要
本發明的一種微孔階躍多模聚合物光纖液體折射率傳感裝置屬于光纖傳感的技術領域。結構有光源模塊(1)、多模光纖傳感器(2)、光電探測器(3)和控制與處理電路(4)；多模光纖傳感器(2)是由階躍多模聚合物光纖的一段構成，在該段光纖上開有柱狀的橫向穿透光纖的微孔，微孔的軸線與光纖的中心軸垂直相交。多模光纖傳感器(2)可以是單微孔的結構，也可以是微孔軸向相互平行或/和相互垂直的多微孔的結構。本發明能迅速得到待測液體輸出光功率數據，提高了液體折射率的測量范圍和精確度，對液體折射率的測量線性度好，具有很好的實用價值；并且具有制作方便、操作簡單、傳感系統成本低廉等優點。
文檔編號G01N21/41GK102809548SQ20121029882
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月22日 優先權日2012年8月22日
發明者徐曉峰, 辛高鵬, 谷志民, 康智慧, 韋玨, 彭坤 申請人:吉林大學