一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器的制造方法
【專利摘要】一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，其特征在于：由第一單模光纖、SPR傳感器、液體槽、液體槽蓋、第二單模光纖、光開關(guān)、第三單模光纖、LED光源、CCD攝像頭、反射光柵、擴束器、圖像存儲硬盤、數(shù)據(jù)連接線以及計算機組成；在SPR傳感器的兩端分別連接第一單模光纖和第二單模光纖，將第一單模光纖的另一端口連接到擴束器，擴束器出射光線能垂直射到反射光柵上，將反射光柵安裝在CCD攝像頭前，第二單模光纖的另一端口和第三單模光纖一端分別接在光開關(guān)的兩側(cè)，第三單模光纖另一端與LED光源相連，圖像儲存硬盤與計算機用數(shù)據(jù)連接線連接。本實用新型靈敏度高、使用方便、成本較低，可以應用于檢測各種環(huán)境指標及生理健康參數(shù)。
【專利說明】
一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]—種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)在測量技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器與傳統(tǒng)電傳感器相比，由于具有不受電磁干擾、靈敏度高、體積小、重量輕、可復用性強、可埋入各種結(jié)構(gòu)和材料等優(yōu)點而逐漸被人們所重視。近年來，人們已經(jīng)研制出了各種光纖傳感器用于對溫度、壓力、應變等物理量的測量，在實際應用中，液體溶液濃度、成分的測量也具有相當重要的意義，各種基于表面等離子體共振光纖傳感器也逐漸被人們所提出。本實用新型中所述的一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，其基本原理是基于光線在不同濃度溶液中經(jīng)過表面等離子體共振光纖后具有不同的波長，從而衍射產(chǎn)生不同的光譜。
[0003]表面等離子體共振(SPR)是一種光學物理現(xiàn)象。當一束光線在一定的角度內(nèi)入射到棱鏡端面，在棱鏡與金屬薄膜(Au或Ag)的界面將產(chǎn)生表面等離子波。當表面等離子體波與入射光線傳播常數(shù)匹配時，在光線的激勵下引起金屬膜內(nèi)自由電子產(chǎn)生共振，即表面等離子共振，從而導致透射光波長變化，而表面等離子體波的傳播很大程度上與周圍介質(zhì)的折射率有關(guān)，所以表面等離子體共振傳感器可以被制成高精度折射計。不同濃度的溶液具有不同的折射率，光纖通過不同濃度的溶液就會產(chǎn)生不同程度的波長變化，讓通過了 SPR光纖傳感器后的光線通過衍射光柵，不同波長的透射光線就會產(chǎn)生不同的光譜，這樣由CCD攝像頭拍攝到的圖像中的RGB像素點數(shù)量就會發(fā)生相應變化，通過提前標定LED光源光線通過各種濃度溶液后的RGB像素點變化情況，就可以制成一個用于測量溶液濃度的基于計算機使用的液體折射率和溶液濃度光纖傳感器。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本實用新型的目的在于提供一種可以在計算機上使用的利用圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器。該裝置能夠通過對通過處于不同溶液濃度中的SPR傳感器的LED光源的衍射光譜圖像分析實現(xiàn)對溶液濃度的快速測量。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、檢測快速等特點。
[0005]本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0006]—種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，其特征在于:由第一單模光纖(I)、SPR傳感器(2)、液體槽(3)、液體槽蓋(4)、第二單模光纖(5)、光開關(guān)
(6)、第三單模光纖(7)、LED光源(8)、CCD攝像頭(9)、反射光柵(10)、擴束器(11)、圖像存儲硬盤(12)、數(shù)據(jù)連接線(13)以及計算機(14)組成;在SPR傳感器(2)的兩端分別連接第一單模光纖(I)和第二單模光纖(5)，將第一單模光纖(I)的另一端口連接到擴束器(11)，擴束器(I I)的出射光線能垂直射到反射光柵(1)上，將反射光柵(10)安裝在CCD攝像頭(9)前，第二單模光纖(5)的另一端口和第三單模光纖(7)—端分別接在光開關(guān)(6)的兩側(cè)，第三單模光纖(7)另一端與LED光源(8)相連，SPR傳感器(2)安裝在液體槽(7)中，液體槽蓋(8)可覆蓋液體槽(7)，第一單模光纖(I)、第二單模光纖(5)、光開關(guān)(6)、第三單模光纖(7)、LED光源
(8)、CCD攝像頭(9)、反射光柵(10)、擴束器(11)均內(nèi)嵌于圖像儲存硬盤(12)，液體槽(3)、液體槽蓋(4)在圖像儲存硬盤(12)表面，圖像儲存硬盤(12)與計算機(14)用數(shù)據(jù)連接線(13)連接。
[0007]所述的一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，其特征在于:第一單模光纖(1)、SPR傳感器(2)、第二單模光纖(5)、第三單模光纖(7)的纖芯直徑為400μπιο
[0008]所述的一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，其特征在于:第一單模光纖(I)、SPR傳感器(2)、第二單模光纖(5)以及第三單模光纖(7)的纖芯材質(zhì)為PCS聚合物。
[0009]所述的一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，其特征在于:SPR傳感器(2)的光纖長度為10mm，光纖表面鍍銀，銀膜厚度為20-100nm。
[0010]所述的一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，其特征在于:反射光柵(10)的光柵常數(shù)0.67μπι?0.83μπι。
[0011]所述的一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，其特征在于:反射光柵(10)表面用Slygard 184硅橡膠進行固化處理，固化后在室溫下靜置48小時，然后再與第一單模光纖(I)連接。
[0012]本實用新型的工作原理是:LED光源(8)發(fā)出光線首先耦合進入第三單模光纖(7)，經(jīng)過光開關(guān)(6)和第二單模光纖(5)后再經(jīng)過浸沒在待測溶液中的SPR傳感器(2)，光線透過SPR傳感器(2)后進入第一單模光纖(I)，擴束器(11)能將第一單模光纖(I)的出射光線擴大并使之垂直射照射到反射光柵(10)上，反射光柵(10)產(chǎn)生的衍射光譜圖像將由CCD攝像頭
(9)拍攝，拍攝到的衍射圖像傳輸?shù)接嬎銠C(13)后經(jīng)處理就可以得到待測溶液的濃度。表面等離子體共振(SPR)是一種光學物理現(xiàn)象。當一束光線在一定的角度內(nèi)入射到棱鏡端面，在棱鏡與金屬薄膜(Au或Ag)的界面將產(chǎn)生表面等離子波。當表面等離子體波與入射光線傳播常數(shù)匹配時，在光線的激勵下引起金屬膜內(nèi)自由電子產(chǎn)生共振，即表面等離子共振，從而導致透射光波長變化，而表面等離子體波的傳播很大程度上與周圍介質(zhì)的折射率有關(guān)，所以表面等離子體共振傳感器可以被制成高精度折射計。不同濃度的溶液具有不同的折射率，光纖通過不同濃度的溶液就會產(chǎn)生不同程度的波長變化，讓通過了 SPR光纖傳感器后的光線通過衍射光柵，不同波長的透射光線就會產(chǎn)生不同的光譜，這樣由CCD攝像頭拍攝到的圖像中的RGB像素點數(shù)量就會發(fā)生相應變化，通過提前標定LED光源光線通過各種濃度溶液后的RGB像素點變化情況，就可以制成一個用于測量溶液濃度的基于計算機使用的液體折射率和溶液濃度光纖傳感器。
[0013]本實用新型的有益效果是:所述一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，所述傳感器一體化安裝在圖像傳輸硬盤上，使用時只需將數(shù)據(jù)傳輸硬盤連接到計算機，打開蓋子清洗后將待測溶液滴入凹槽即可測量溶液濃度，不使用時蓋上蓋子即可防塵防水，使用非常方便，檢測精度也很高。
【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型的一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器；
[0015]圖2是本實用新型的手機攝像頭拍攝到的衍射光譜的相應灰度強度分布曲線；
[0016]圖3是本實用新型的測得的丙三醇溶液濃度與相應折射率關(guān)系。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖及實施實例對本實用新型作進一步描述:
[0018]參見附圖1，一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，其特征在于:由第一單模光纖(I)、SPR傳感器(2)、液體槽(3)、液體槽蓋(4)、第二單模光纖
(5)、光開關(guān)(6)、第三單模光纖(7)、LED光源(8)、CCD攝像頭(9)、反射光柵(10)、擴束器
(11)、圖像存儲硬盤(12)、數(shù)據(jù)連接線(13)以及計算機(14)組成;在SPR傳感器(2)的兩端分別連接第一單模光纖(I)和第二單模光纖(5)，將第一單模光纖(I)的另一端口連接到擴束器(11)，擴束器(11)的出射光線能垂直射到反射光柵(10)上，將反射光柵(10)安裝在CCD攝像頭(9)前，第二單模光纖(5)的另一端口和第三單模光纖(7)—端分別接在光開關(guān)(6)的兩側(cè)，第三單模光纖⑴另一端與LED光源(8)相連，SPR傳感器(2)安裝在液體槽(3)中，液體槽蓋(4)可覆蓋液體槽(3)，第一單模光纖(I)、第二單模光纖(5)、光開關(guān)(6)、第三單模光纖
(7)、LED光源(8)、CCD攝像頭(9)、反射光柵(10)、擴束器(11)均內(nèi)嵌于圖像儲存硬盤(12)，液體槽(3)、液體槽蓋(4)在圖像儲存硬盤(12)表面，圖像儲存硬盤(12)與計算機(14)用數(shù)據(jù)連接線(13)連接。
[0019]LED光源(8)發(fā)出光線首先耦合進入第三單模光纖(7)，經(jīng)過光開關(guān)(6)和第二單模光纖(5)后再經(jīng)過浸沒在待測溶液中的SPR傳感器(2)，SPR傳感器(2)的銀膜厚度為50nm，光線透過SPR傳感器(2)后進入第一單模光纖(I)，擴束器(11)能將第一單模光纖(I)的出射光線擴大并使之垂直射照射到反射光柵(10)，反射光柵(10)的光柵常數(shù)為0.83μπι反射光柵
(10)產(chǎn)生的衍射光譜圖像將由CCD攝像頭(9)拍攝，拍攝到的衍射圖像傳輸?shù)接嬎銠C(13)后經(jīng)處理就可以得到待測溶液的濃度。
【主權(quán)項】
1.一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，其特征在于:由第一單模光纖(I)、SPR傳感器(2)、液體槽(3)、液體槽蓋(4)、第二單模光纖(5)、光開關(guān)(6)、第三單模光纖(7)、LED光源(8)、CCD攝像頭(9)、反射光柵(10)、擴束器(11)、圖像存儲硬盤(12)、數(shù)據(jù)連接線(13)以及計算機(14)組成;在SPR傳感器(2)的兩端分別連接第一單模光纖(I)和第二單模光纖(5)，將第一單模光纖(I)的另一端口連接到擴束器(11)，擴束器(11)的出射光線能垂直射到反射光柵(10)上，將反射光柵(10)安裝在CCD攝像頭(9)前，第二單模光纖(5)的另一端口和第三單模光纖(7)—端分別接在光開關(guān)(6)的兩側(cè)，第三單模光纖(7)另一端與LED光源(8)相連，SPR傳感器(2)安裝在液體槽(3)中，液體槽蓋(4)可覆蓋液體槽(3)，第一單模光纖(I)、第二單模光纖(5)、光開關(guān)(6)、第三單模光纖(7)、LED光源(8)、CCD攝像頭(9)、反射光柵(10)、擴束器(11)均內(nèi)嵌于圖像儲存硬盤(12)，液體槽(3)、液體槽蓋(4)在圖像儲存硬盤(12)表面，圖像儲存硬盤(12)與計算機(14)用數(shù)據(jù)連接線(13)連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，其特征在于:第一單模光纖(I)、SPR傳感器(2)、第二單模光纖(5)、第三單模光纖(7)的纖芯直徑為400μηι。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，其特征在于:第一單模光纖(I)、SPR傳感器(2)、第二單模光纖(5)以及第三單模光纖(7)的纖芯材質(zhì)為PCS聚合物。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，其特征在于:SPR傳感器(2)的光纖長度為10mm，光纖表面鍍銀，銀膜厚度為20-100nm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，其特征在于:反射光柵(10)的光柵常數(shù)為0.67μπι?0.83μπι。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像分析和表面等離子體共振的液體折射率光纖傳感器，其特征在于:反射光柵(10)表面用Slygard 184硅橡膠進行固化處理，固化后在室溫下靜置48小時，然后再與第一單模光纖(I)連接。
【文檔編號】G01N9/24GK205483905SQ201620044986
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月13日
【發(fā)明人】李文軍, 沈晗, 包立峰, 沈常宇
【申請人】中國計量學院