[发明专利]一种基于微孔结构的塑料光纤折射率传感器及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微孔结构的塑料光纤折射率传感器及其制备方法与应用，属于传感器的技术领域。

背景技术

光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、抗化学腐蚀、尺寸小和快速响应等特点。与传统石英光纤相比，塑料光纤具有芯径大、韧性高、价格低廉、制作简单、维护简便、可靠性高等优点。因此，塑料光纤(POF)传感器是目前国内外广泛研究的一种传感器。其中，基于塑料光纤的折射率传感器在环境监测、临床检验、食品检测等众多领域有着极为重要的应用。但是目前国内外针对光纤的研究主要存在以下问题：

1)国内外报道的光纤折射率传感器多数基于特种光纤或者干涉仪结构，存在价格昂贵、折射率温度交加敏感以及稳定性差等问题；

2)有关塑料光纤的研究较多，而将其应用于折射率传感领域的研究却较少。

发明内容

针对现有的技术不足，本发明提供一种基于微孔结构的塑料光纤折射率传感器。

本发明还提供一种上述折射率传感器的制备方法。

本发明还提供一种利用上述折射率传感器测量液体折射率的方法。本发明具有工艺简单、生产率高、成本低、对温度不敏感以及稳定性好等优点。

本发明的技术方案如下：

一种基于微孔结构的塑料光纤折射率传感器，包括作为基底的塑料光纤和在塑料光纤侧面加工的微孔结构，所述微孔的轴向垂直横穿塑料光纤的轴向；在所述塑料光纤的一端设置有提供光信号的光源，在所述塑料光纤的另一端设置有功率计，以检测光源经所述塑料光纤传播后的功率损耗。本发明所述的塑料光纤是低损耗类光波导，在一定的长度下忽略在光波导中的传输损耗，所以光纤的损耗只与传感头，即微孔结构部位的损耗有关，而与传感微孔的位置无关。

根据本发明优选的，所述塑料光纤为直径0.5mm的塑料光纤。

根据本发明优选的，所述塑料光纤为Mitsubishi公司生产的EL250型塑料光纤。

根据本发明优选的，所述塑料光纤的参数：芯材为PMMA，包层为氟树脂；几何尺寸为480/500μm；纤芯折射率1.49，纤芯数值孔径(NA)为0.5，包层折射率1.40；透光率/％*m^-1≥95(570nm),损耗/dB*km^-1≤200(570nm)；波长范围为420—680nm,适用温度-20℃～70℃。

根据本发明优选的，所述的微孔的孔径为0.1-0.4mm。

根据本发明优选的，所述的微孔的孔径为0.35mm。当微孔孔径为0.35mm时传感器的明敏度最高。

一种上述折射率传感器的制备方法，采用现有机械加工的方法横穿整个塑料光纤的包层和纤芯加工微孔，所述微孔的轴向垂直横穿塑料光纤的轴向。本发明采用现有的机械加工的方法制作而成。具有工艺简单，生产率高，成本低等优点。

一种利用上述折射率传感器测量液体折射率的方法，包括步骤如下：

1)波长为652nm的LED光源经光纤输入端口耦合到一段内外径为480/500μm的塑料光纤中，并在具有包层束缚下在塑料光纤中传输；

2)光线在到达所述微孔区域后，光线经微孔的负透镜效应发生折射，并向外发散使得全反射条件被破坏，导致光耦合出塑料光纤；

3)当微孔中填充不同折射率的液体时，其负透镜效应会不同，进而光的折射路径会不同，导致的光的损耗会不同；通过检测接收光的损耗，实现对微孔中折射率的实时监测。

根据本发明优选的，外界待测液体通过微流控装置流入所述微孔中；进而实现对外界待测液体折射率的快速实时监测。

本发明的优势：

(1)本发明采用塑料光纤作为传感光纤，具有芯径大、韧性高、价格低廉、制作简单、维护简便、可靠性高等的优势；

(2)本发明利用机械加工法在塑料光纤侧面制作微孔结构，具有工艺简单，生产率高，成本低等优点；并发现了微孔优选的孔径范围，以获得测量的最好效果。

(3)本发明通过简易微流控设备使待测液体通过微孔结构，可以实现对待测液的实时监测。

(4)本发明制作的基于微孔的传感结构，有良好的温度稳定性,且对折射率极其敏感。

附图说明

图1是本发明所述传感器的结构示意图；

图2是本发明在塑料光纤上所制备的微孔，其在显微镜下的实物图，微孔正面图；

图3是本发明在塑料光纤上所制备的微孔，其在显微镜下的实物图，微孔侧面图；

其中：1、塑料光纤；2、微孔；