[发明专利]侧向照射式多点、多参数光纤传感器

说明书

相关申请的引用

[01]本发明已于2009年1月30日获得美国临时专利保护。专利号：61/148,564

技术领域

本发明所提出的光纤传感器是基于光谱学技术研制而成。具体而言，该光纤传感器通过测量光散射、光吸收、比色值、受激激发荧光以及磷光的变化，对外界待探测物质进行测量。

背景技术

基于光谱学技术的光纤传感器可以多种裁量的检测，例如应力、压力、温度、化学物质、浊度、色彩和其他性质。这些传感器通常分为两大类：光极传感器和分布式传感器。

光极传感器为最简单的光纤传感器。它由位于光纤远端的指示剂和位于光纤近端的激发光源与检测器组成。激发光沿光纤传输，同指示剂发生相互作用后，产生一个光谱信号(荧光、磷光、比色和/或吸收光信号)。该光谱信号传回致光纤的近端，到达检测器。检测器采集的光谱信号直接反应待检物质的参数变化。在光极传感器的结构中，唯一的感应点位于光纤的远端，光纤本身作为光的传输通道，将光信号从光源传至指示剂继而传回。

在分布式传感中，整条光纤或光纤的某段区域，可以既作为光信号传输的通道，同时也作为传感器。光纤的包层作为对待测物质敏感区域，可以采用单层或相互间隔的多层结构。无论采用包层结构，这些敏感区域或感应区域，在被激发光照射下，会构成了一个多点、准分布式的传感器。当需要进行分布式多点检测时，分布式传感器只需一条光纤，而光极传感器则须多条光纤。因此，分布式传感器的优势在于其能够利用单根光纤进行空间中的多点检测。

分布式光纤传感器的感应点可采用两种方式接收探测光：轴向探测以及横向探测。其中，横向探测被认为是较为优秀的探测模式。

轴向探测是光纤传感器常用的探测方法。在轴向探测中，探测光由光纤的一端沿轴向入射，光场的渐逝场同周围的包层发生相互作用。包层在吸收了渐逝场区域中的探测光后，产生的吸收光、散射光或荧光激发光信号，这些光信号在光纤的任一一端进行检测。

这种基于轴向探测的激发方式有不足之处。例如，激发光的渐逝场与包层之间的相互作用很弱，产生的信号需要昂贵的仪器设备(如大功率电源)通过复杂的检测手段以及很长的光纤来进行检测。此外，这种轴向入光的方式决定了光源与光纤之间需要精准的轴向耦合。

施瓦贝克(Schwabacher)等人的专利，《一维光纤阵列》国际刊号WO2001/71316(′316)(美国专利号7,244,572，2007年7月7日发布)，展示了一种沿光纤线形排列的化学传感器阵列，阵列中的每个感应点位可感应某种化学物质。相邻的感应点位由高度惰性的区域(如包层)分隔开来。惰性区域的最小长度为250cm。专利′316同时描述了轴向和横向两种激发方法。而轴向激发被认为是较好的模式。

专利′316推荐使用窄带激光脉冲作为激发光，轴向入射进入光纤。光纤上的每个感应点位惰性物质分开至上述的最小间隔。依据专利′316中的参数设置，此长度间隔用来避免相邻感应点位的荧光激发光产生重叠。光源(如激光器、激光二极管、气体激光器、染料激光器、固体激光器、发光二极管等)产生的激发光轴向入射进入光纤，而后被传送至感应点。

在几个甚至数百个感应点中，确定具体发生相互作用的感应点，需要测量激发脉冲光与返回光信号间的时间延迟，并与每个感应点同光源之间的距离进行比对。此项测量过程需要使用示波器、光电倍增管等仪器对时间、距离以及波长进行精确地测量。在检测上百个样品时，这种设计还需要极长的光纤，进而增加了整个系统的尺寸以及操作复杂度。此外，高精度仪器的使用也大幅提高了系统的成本。

激发光也可以由一条或多条激发光纤导入检测光纤的感应点。每一个感应点都配有一根激发光纤。激发光从轴向入射进入到激发光纤，通过激发光纤的传输，从横向入射进入检测光纤上的感应点。

另一种装置要求使用分光器将激发光横向导入致每个感应点。分光技术需用到昂贵的高能激光，且经过多个分光器后，激发光分配至每个感应点时，其强度也会衰减。

在另一种装置中，激发(或发光)光纤沿着轴向分隔成多个不同区域。每个区域的包层被去掉，并将裸露的纤芯区域放置在检测光纤的感应点附近。这种结构可以使得激发光的渐逝场横向入射至感应点处。这样做的缺点在于激发光纤的渐逝场非常微弱，因此到达检测光纤感应点的能量很少。其他使用轴向或横向激发的方法也被提讨论过，然而这些方法大都缺乏性价比。