專利名稱：耦合式單模光纖漸逝波傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明述及一種新型的耦合式單模光纖漸逝波傳感器，屬光學(xué)纖維及傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖漸逝波傳感技術(shù)是通過(guò)透出光纖波導(dǎo)的漸逝波與被測(cè)物的相互作用，使光纖內(nèi)傳輸光的強(qiáng)度、相位或頻率發(fā)生變化，測(cè)量這些變化，從而得到被測(cè)物濃度、折射率、pH值等參數(shù)的方法。當(dāng)應(yīng)用于環(huán)境、生物、化學(xué)等領(lǐng)域時(shí)，因要測(cè)試的物質(zhì)含量、折射率變化等參數(shù)非常微小，如飲用水質(zhì)測(cè)量、DNA測(cè)量、生物免疫測(cè)量等。如何提高光纖漸逝波傳感器的靈敏度、降低噪聲，使測(cè)試系統(tǒng)具有高分辨率、滿足微量測(cè)試就成了一個(gè)急待解決的問(wèn)題。目前，許多研究者為解決該問(wèn)題，從傳感原理、傳感頭方式及傳感光纖三個(gè)方面做了大量工作，并取得了一定的成績(jī)。
在傳感原理方面，用吸收原理實(shí)現(xiàn)的吸收式光纖漸逝波傳感器是最基本的漸逝波傳感形式，也是一種最直接的測(cè)量方法。它利用光纖的衰減全反射特性，使?jié)u逝波與吸收介質(zhì)相互作用，檢測(cè)其光強(qiáng)變化。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試方便、易于應(yīng)用，但靈敏度較低(一般水質(zhì)及一些液體可在100ppb)，且因直接檢測(cè)光強(qiáng)，易受光源及環(huán)境因素的影響。為了提高測(cè)試靈敏度，就出現(xiàn)了熒光式漸逝波傳感器，這是一種標(biāo)記測(cè)量方法，它的靈敏度要高于吸收式漸逝波傳感器2～4個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，僅有20～30％的被測(cè)物質(zhì)能夠自發(fā)熒光，大多數(shù)熒光式測(cè)試系統(tǒng)還需要加入一些指示劑(如啶橙黃熒光素、β-甲基-馓形酮、中性丫啶等)才能進(jìn)行分析測(cè)定，這些指示劑被漸逝波激發(fā)后，會(huì)直接發(fā)出熒光而被檢測(cè)。熒光法由于熒光信號(hào)弱，所以需要高靈敏度的檢測(cè)儀器，同時(shí)指示劑的加入也會(huì)干擾被測(cè)物分子的吸收能力及測(cè)量準(zhǔn)確度。
在傳感頭形式方面，目前主要D形光纖、裸芯光纖和錐形光纖三種。
在傳感光纖方面，目前漸逝波傳感器多采用多模光纖。
研究者們采用不同的方法去提高光纖漸逝波傳感器的靈敏度、減低噪聲，并圍繞這一主題已花費(fèi)了大量的人力、物力。然而，到目前為止，無(wú)標(biāo)記(無(wú)熒光)的高靈敏度漸逝波傳感器多參數(shù)在線測(cè)量，尚是一個(gè)沒(méi)有解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)這一問(wèn)題，本專利提出了基于光纖耦合原理，利用光纖耦合器實(shí)現(xiàn)的一種單模光纖漸逝波傳感器。本發(fā)明的目的在于提供一種靈敏度高的熔錐型耦合式單模光纖漸逝波傳感器。
本發(fā)明的一種耦合式單模光纖漸逝波傳感器，主要由光源、光學(xué)纖維、光纖漸逝波傳感元件、探測(cè)器、信號(hào)處理單元及盛有被側(cè)介質(zhì)的容器組成；其特征在于光學(xué)纖微為單模光纖；光纖漸逝波傳感元件為熔錐型單模光纖耦合器探頭；該熔錐型單模光纖耦合器探頭封裝于基體內(nèi)，基體內(nèi)有一傳感的單模光纖錐區(qū)，兩端各有一傳感用單模光纖耦合器的單模光纖引入端，它由固定膠使光纖固定在基體上；在光纖錐區(qū)附近還留有使被測(cè)氣體或液體通過(guò)并包圍光纖錐區(qū)的中空進(jìn)出槽；熔錐型單模光纖耦合器探頭或傳感元件放置于盛有被測(cè)介質(zhì)的容器中，且被被測(cè)介質(zhì)所包圍。
上述的基體內(nèi)的傳感保偏光纖錐區(qū)的最小直徑為纖芯的3—7倍。
本發(fā)明的原理是利用兩光纖的耦合作用，使耦合器錐區(qū)的漸逝波與包圍錐區(qū)的被測(cè)介質(zhì)相互作用，這樣被測(cè)介質(zhì)的變化就會(huì)非常敏感地反應(yīng)到耦合器輸出端的分光比，該分光比與熔錐區(qū)的長(zhǎng)度、波長(zhǎng)、熔錐區(qū)周圍介質(zhì)等參數(shù)有關(guān)，只要檢測(cè)其結(jié)果即能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)各參數(shù)的目的。
本發(fā)明中采用單模光纖，因?yàn)槎嗄９饫w在傳輸和傳感過(guò)程中模式相互作用，會(huì)出現(xiàn)模式噪聲，探測(cè)器無(wú)法分辨這些噪聲和被測(cè)信號(hào)；而單模光纖不會(huì)產(chǎn)生上述的問(wèn)題，單模光纖僅有基模傳輸，沒(méi)有模式噪聲存在。另外在等量耦合功率下，單模光纖比多模光纖在光纖表面上平均電場(chǎng)高，所以單模比多模漸逝波傳感器有更高的傳感效率。
本發(fā)明采用熔錐型單模光纖，良好的熔錐技術(shù)可保證錐形光纖的制作，當(dāng)光纖拉錐一定程度時(shí)(如光纖直徑接近纖芯)會(huì)有大于90％的導(dǎo)波轉(zhuǎn)變成漸逝波。
本發(fā)明的耦合式單模光纖漸逝波傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)靈敏度高，基于耦合原理的漸逝波傳感器它測(cè)定的不是吸收光強(qiáng)，而是耦合器的分光比。它有干涉儀的靈敏度，比吸收式的靈敏度高、可與熒光式的靈敏度相媲美；(2)兩根光纖的熔融耦合，在傳感形式上比單根錐形光纖的有效作用面大，所以傳感的效率高、靈敏度大。另外，它的錐區(qū)也要比單根錐形光纖的長(zhǎng)；(3)可根據(jù)不同的要求及測(cè)量范圍，確定不同的熔錐長(zhǎng)度，可以得到不同的靈敏度；(4)輸出信號(hào)是分光比，信號(hào)輸出與光強(qiáng)變化和噪聲無(wú)關(guān)。
本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)、無(wú)需采樣測(cè)量，便于網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，它的最低測(cè)限達(dá)到ppb-ppm級(jí)。


圖1是本發(fā)明的耦合式單模光纖漸式波傳感器原理中1—光源；2—單模光纖、3—傳感用單模光纖耦合器探頭；4、5——探測(cè)器、6—信號(hào)處理單元；7—容器；8—被測(cè)介質(zhì)圖2為單模光纖耦合器探頭的封裝示意中31—傳感用的單模光纖耦合器的單模光纖引入端；32—基體；33—固定膠；34—傳感的單模光纖錐區(qū)；35—被測(cè)氣體或液體的中空進(jìn)出槽。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例，將本發(fā)明進(jìn)一步敘述于后實(shí)施例一參見(jiàn)圖1和圖2，本發(fā)明的一種耦合式單模光纖漸逝波傳感器，主要由光源1、光學(xué)纖維2、光纖漸逝波傳感元件3、探測(cè)器4、5、信號(hào)處理單元6及盛有被側(cè)介質(zhì)8的容器7組成；其特征在于光學(xué)纖維2為單模光纖；光纖漸逝波傳感元件3為熔錐型單模光纖耦合器探頭；該熔錐型單模光纖耦合器探頭3封裝于基體32內(nèi)，基體32內(nèi)有一傳感的單模光纖錐區(qū)34，兩端各有一傳感用單模光纖耦合器的單模光纖引入端31，它由固定膠33使光纖31固定在基體32上；在光纖錐區(qū)34附近還留有使被測(cè)氣體或液體通過(guò)并包圍光纖錐區(qū)34的中空進(jìn)出槽35；熔錐型單模光纖耦合器探頭或傳感元件3放置于盛有被測(cè)介質(zhì)8的容器7中，且被被測(cè)介質(zhì)所包圍。
上述的基體32內(nèi)的傳感保偏光纖錐區(qū)34的最小直徑為纖芯的3-7倍。
具體操作原理及過(guò)程描述如下利用與被測(cè)物質(zhì)吸收波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的光源1(如LED、LD等)，通過(guò)單模光纖2進(jìn)入傳感用單模光纖耦合器探頭3，傳感單元3有容器7所盛的被測(cè)介質(zhì)8所包圍，被測(cè)介質(zhì)與傳感元件3的漸逝波相互作用，改變了傳輸?shù)教綔y(cè)器4和5的光強(qiáng)，既改變了單模光纖耦合器的分光比，然后經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理單元6可得到被測(cè)液體或氣體介質(zhì)的含量(或濃度)信息。
在具體制作過(guò)程中，采用氫氧焰燈為微火炬，為了減少應(yīng)力、并保持高偏振態(tài)需要有較長(zhǎng)的預(yù)熱時(shí)間；采用相對(duì)慢的拉錐速度；拉錐的長(zhǎng)度要視傳感器的靈敏度而定，一般選擇錐區(qū)的最小直徑為纖芯的3—7倍即可。另外采用夾具可旋轉(zhuǎn)的改進(jìn)型熔融拉錐機(jī)來(lái)制作傳感用單模光纖耦合器，可選擇螺距為3-5mm。
為了降低溫度對(duì)傳感器的影響，傳感探頭裝配上采用與光纖材料溫度特性相近的材料，如石英。另外，負(fù)溫度系數(shù)的材料作為傳感器頭的基板也會(huì)補(bǔ)償實(shí)際應(yīng)用中的溫度變化。采用溫度影響小的膠粘結(jié)耦合器的兩個(gè)非錐端與基板，如二次UV固化膠。
本發(fā)明的傳感器適合對(duì)氣體或液體物質(zhì)的高靈敏度、高選擇性測(cè)量，可應(yīng)用于生物、化學(xué)、醫(yī)藥、環(huán)境等領(lǐng)域的微量元素識(shí)別、提取、鑒定等。
權(quán)利要求
1.一種耦合式單模光纖漸逝波傳感器，主要由光源(1)、光學(xué)纖維(2)、光纖漸逝波傳感元件(3)、探測(cè)器(4、5)、信號(hào)處理單元(6)及盛有被側(cè)介質(zhì)(8)的容器(7)組成；其特征在于光學(xué)纖微(2)為單模光纖；光纖漸逝波傳感元件(3)為熔錐型單模光纖耦合器探頭；該熔錐型單模光纖耦合器探頭(3)封裝于基體(32)內(nèi)，基體(32)內(nèi)有一傳感的單模光纖錐區(qū)(34)，兩端各有一傳感用單模光纖耦合器的單模光纖引入端(31)，它由固定膠(33)使光纖(31)固定在基體(32)上；在光纖錐區(qū)(34)附近還留有使被測(cè)氣體或液體通過(guò)并包圍光纖錐區(qū)(34)的中空進(jìn)出槽(35)；熔錐型單模光纖耦合器探頭或傳感元件(3)放置于盛有被測(cè)介質(zhì)(8)的容器(7)中，且被被測(cè)介質(zhì)所包圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耦合式單模光纖漸逝波傳感器，其特征是所述的基體(32)內(nèi)的傳感保偏光纖錐區(qū)(34)的最小直徑為纖芯的3-7倍。
全文摘要
本發(fā)明述及一種新型的耦合式高靈敏度單模光纖漸逝波傳感器，屬光學(xué)纖維及傳感器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的一種耦合式單模光纖漸逝波傳感器，主要由光源、光學(xué)纖維、光纖漸逝波傳感元件、探測(cè)器、信號(hào)處理單元及盛有被測(cè)介質(zhì)的容器組成；其特征在于光學(xué)纖微為單模光纖；光纖漸逝波傳感元件為熔錐型單模光纖耦合器探頭；該熔錐型單模光纖耦合器探頭封裝于基體內(nèi)，基體內(nèi)有一傳感的單模光纖錐區(qū)，兩端各有一傳感用單模光纖耦合器的單模光纖引入端，它由固定膠使光纖固定在基體上；在光纖錐區(qū)附近還留有使被測(cè)氣體或液體通過(guò)并包圍光纖錐區(qū)的中空進(jìn)出槽；熔錐型單模光纖耦合器探頭或傳感元件放置于盛有被測(cè)介質(zhì)的容器中，且被被測(cè)介質(zhì)所包圍。本發(fā)明的傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、選擇性好、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)檢測(cè)、無(wú)需采樣測(cè)量，便于網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，它的最低測(cè)限達(dá)到ppb－ppm級(jí)。
文檔編號(hào)G01N21/17GK1558209SQ20041001625
公開(kāi)日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2004年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月12日
發(fā)明者王廷云, 包華育, 陳振宜, 沈育青, 范崢, 郭小勇 申請(qǐng)人:上海大學(xué)