[发明专利]基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置及其应用

说明书

本发明公开了基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置及其应用，所述装置以智能手机为平台，搭建于手机自带LED灯和手机自带数码相机之间。与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)本发明所述装置体积小，集成度高，可集成在智能手机平台上，实现低成本，便携式及一键快照式的监测；(2)所述装置仅用3‑5cm的布拉格光纤即可实现高灵敏度的液体折射率监测，其灵敏度优于0.0006RIU，响应时间小于1s，能够实现遥控实时检测；(3)所述装置测试范围广，稳定性好，成本低且易于批量生产。

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，涉及一种折射率计，具体为基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置及其应用。

背景技术

折射率测量在现代工业、化学、食品等领域中十分重要，是一种使用多、要求高的物理量测量。液体的折射率测量，是食品生产中常用的工艺控制指标，根据液体折射率的变化，获知液体浓度或成分的变化，所以液体的折射率测量是探知液体的一种重要手段。

采用光纤折射率计测量液体折射率的方法很多，目前市场上较常见的两种折射率计(光纤折射率计和手持式折光计)，这两种折射率计均存在相应的缺点：二者测量范围较窄，且灵敏度较差；其中光纤折射率计的成本较高，平均达人民币5000元以上，手持式折光计响应时间较长，且需人工操作无法进行远程测量。另外，现有技术中的折射率计均仅限于离线检测，因此，两种商业化的折射率计在实际运用中受到了一定的限制。

发明内容

解决的技术问题：为了克服现有技术的不足，针对商业化折射率计测量精度低，响应时间长，仅限于离线检测等问题，本发明以空心布拉格光纤、简易透射光栅、电感耦合器件及信号采集模块为基础，通过光栅和电感耦合器件提取该光纤的透射光谱特征，从而获取纤芯填充液体的折射率及浓度等信息。

技术方案：基于空芯布拉格光纤和手机平台的液体折射率实时监测装置，所述装置以智能手机为平台，搭建于手机自带LED灯和手机自带数码相机之间；手机自带LED灯正前方设有准直透镜且密封于壳体内，手机自带数码相机正前方设有光栅且二者均密封于液芯光纤固定壳体内；液芯光纤固定壳体内光栅的正前方设有液芯光纤固定座A和液芯光纤固定座B，且两个固定座之间设有液芯布拉格光纤，液芯布拉格光纤两端分别连接有液芯光纤液体出口和液芯光纤液体入口；壳体内准直透镜前方设有多模光纤，且多模光纤另一端伸入液芯光纤固定壳体内位于液芯光纤固定座A上方。

优选的，液芯布拉格光纤两端分别插入液芯光纤固定座A和液芯光纤固定座B的光学模块通道，两端均由光学玻璃封堵；且均通过密封薄膜与液芯光纤固定座A和液芯光纤固定座B分别形成密闭空间；液芯光纤液体出口和液芯光纤液体入口均通过液体通道分别与相应的密闭空间连通。

优选的，液芯光纤固定座A和液芯光纤固定座B的两端均开设光学入射窗。

优选的，多模光纤的一端与准直透镜中心相对，另一端与液芯布拉格光纤相对。

优选的，所述液芯布拉格光纤为聚合物布拉格光纤。

优选的，所述液芯布拉格光纤为聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯分别作为高、低折射率的聚合物包层构成。通过追踪该光纤透射光谱的中心波长，可以获取纤芯填充液体的折射率及浓度信息。根据不同应用场合中不同液体的光谱特性(吸收、透射等)，可以通过设计、优化光纤的几何结构，从而调节其工作波段，满足不同的应用需求。本发明采用的布拉格光纤长度仅需3-5cm，由于其体积小，可将该光纤传感器集成在智能手机平台上。利用手机自带的LED作为光源，通过透射光栅分光，采用手机相机纪录其透射光谱，开发手机App对LED及相机进行控制，可以实现一种低成本、便携式、一键快照式的高精度折射率监测装置。另外，本发明也可以采用不同的实现方式和配置，从而实现遥控监测，例如，在工业过程控制或者液体浓度监测过程中，可以液体主主通道引入一个支路即可实现液体的遥控、实时监测，因此，可以用于环境较为恶化或者污染的场合，而不会对人员造成影响。