[发明专利]一种基于倾斜光纤光栅束腰放大熔接技术的pH值传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于倾斜光纤光栅束腰放大熔接技术的pH值传感器。

背景技术

pH值是表示溶液中氢离子浓度的一种标准，也是人们常用的溶液酸碱程度的衡量标准。测量和控制pH值在生物医学诊断、临床医学、环境科学、工程建筑和工农业生产等领域都具有现实而重要的意义。例如，在海水和天然水中，pH值和水中的生物或化学过程有着极为密切的关系，通过监控可以迅速了解到大气、生物与水之间的相互关系；在生物医学上，活体血液的pH值一般处于6.0-8.0之间，一旦出现pH值的大幅度波动，就有可能出现活体的生理病状；在农业生产中，控制土壤的pH值使之适应所生长的植物的酸碱环境，有利于产生高效的农作物；在工业中，使用pH计监测生产过程中处理的污水，保证污水的排放安全等。

光纤传感器具有抗电磁干扰、易微型化、耐腐蚀、测量精度高、适于易燃易爆环境下使用以及远距离稳定传感等优点。目前，基于光纤的pH值传感器大量涌现，缺点是不能解决环境温度和光源波动引起的交叉敏感效应。

一种基于倾斜光纤光栅束腰放大熔接技术的pH值传感器采用刻有倾斜光纤光栅的单模光纤与标准单模光纤束腰放大熔接所得，制作简单，成本低廉。本发明就是在倾斜光纤光栅上涂覆一层pH敏感膜来实现pH值的传感。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于倾斜光纤光栅束腰放大熔接技术的pH值传感器，以解决光纤pH值传感器温度引起的交叉敏感效应。

所述的一种基于倾斜光纤光栅束腰放大熔接技术的pH值传感器，其特征是包括宽带光源、1×2光纤耦合器、束腰放大熔接点、倾斜布拉格光纤光栅、pH敏感膜、光电二极管和数据处理模块，倾斜布拉格光纤光栅与标准的单模光纤束腰进行放大熔接，构成传感装置的传感探头，所述的1×2光纤耦合器a端其中一根光纤与自发辐射宽带光源相连，b端与传感探头相连，a端另一根光纤与光电二极管相连，光电二极管与数据处理模块的输入端相连。

所述的一种基于倾斜光纤光栅束腰放大熔接技术的pH值传感器，其特征在于所述的倾斜布拉格光纤光栅是刻蚀在载氢的光敏单模光纤上制成的，光栅周期约为1070nm，栅区长度为3-5cm，光栅条纹与光纤轴线夹角约为3°-8°。

所述的一种基于倾斜光纤光栅束腰放大熔接技术的pH值传感器，其特征在于所述的束腰放大熔接点可将反射包层模放大耦合到纤芯中传输。

所述的一种基于倾斜光纤光栅束腰放大熔接技术的pH值传感器，其特征在于所述的pH敏感膜是由无毒的聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酸(PAA)热交联的水凝胶。

本发明专利的优点在于：利用束腰放大熔接技术，大大提高反射包层模与芯模之间的耦合效率，从而提高了系统的测量灵敏度，倾斜光纤光栅的布拉格反射模不受pH值影响的特性，可以补偿光源功率波动对测量结果的影响，同时外界温度变化不影响反射光谱强度，测量结果不受环镜温度的影响。

附图说明

图1是本发明结构示意图

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进一步说明：

如图1所示，一种基于倾斜光纤光栅束腰放大熔接技术的pH值传感器，包括宽带光源1、1×2光纤耦合器2、束腰放大熔接点3、倾斜布拉格光纤光栅4、pH敏感膜5、光电二极管6、数据处理模块7，所述的倾斜布拉格光纤光栅4与标准的单模光纤进行束腰放大熔接形成束腰放大熔接点3，所述的1×2光纤耦合器2的a端一根光纤与宽带光源1相连，b端与束腰放大熔接点3相连，a端另一根光纤依次经光电二极管6与数据处理模块7的输入端相连，所述的pH敏感膜5涂覆在倾斜布拉格光纤光栅4的表面，该材料的折射率随外界溶液的pH值变化而变化。

本发明装置的工作方式为：宽带光源发出的光经过1×2光纤耦合器a端口其中一根光纤输入到1×2光纤耦合器，由b端口输出的光经束腰放大熔接点输入到倾斜布拉格光纤光栅，倾斜布拉格光纤光栅反射光由布拉格反射模和一系列包层模组成，通过束腰放大熔接技术将这些包层模与芯模之间实现放大耦合，重新进入单模光纤的纤芯传输，反射光经1×2光纤耦合器a端口另一根光纤输出。传感探头反射回来的包层模光信号经1×2光纤耦合器、光电二极管，将光信号转换成模拟电信号进入数据处理模块。PVA/PAA水凝胶的折射率受液体pH调制，数据处理模块对光电信号进行处理，根据光电信号的幅度值与折射率的关系可以算出相应的水凝胶折射率，通过水凝胶折射率可以计算相应的pH值。

本发明能够实现pH测量的关键为：利用束腰放大熔接技术，大大提高反射包层模与芯模之间的耦合效率，从而提高了系统的测量灵敏度，PVA/PAA水凝胶配置重量分数为15％PVA和7.5％PAA的溶液，并在温度为80℃下搅拌1小时，待溶解后，将PVA和PAA溶液以重量比4∶1比例混合，并用去离子水稀释成不同浓度的混合溶液，在60℃下搅拌形成透明均匀稠状溶液，其pH值的增大使得水凝胶薄膜的折射率减小。