[发明专利]光纤干涉传感器

说明书

本发明涉及生物医学和其它用途的光纤传感器系统。更具体地说，本发明涉及其利用了一束光与另一束光进行相位比较的光纤传感系统，其中一束光对分析物敏感，另一束光用作为参考。通过干涉技术实行该相位比较。

在常规的光纤传感系统中，一个或多个波长的光通过光纤光导从光电基本单元传输到远端的传感元件。远端的传感元件位于将要被分析的环境中。该传感元件调制与该环境中出现的一个或多个分析物成已知比例的入射光。然后调制光通过同样的输入光纤或通过一根或多根其它光纤返回基本单元。分析物的含量可通过相对于传输到传感器的光强对从传感器返回到基本单元的光强进行定量估算而得知。使用定量光强估算的系统在这里称之为强度调制传感系统。

在一个光强调制传感系统的现有技术中，传感元件包括基本完全置于形成在多模光纤本身远端内的孔中的化学反应物质。一个或多个波长的光从光纤的近端传输到有孔的远端，在那里光与可由荧光或光衰减物质组成的化学反应物质相互作用。荧光发射的大小、或由衰减物质进行光衰减的程度通过与光纤远端接触的特定分析物的浓度成正比。荧光强度或光衰减程度可由位于光纤近端的仪器测出。

与这种类型常规强度调制传感系统有关的一个问题是光的调制可能受该分析物浓度以外的因素影响。如果在传导期间多模光纤弯折，由于在光纤内导模转换为辐射模，要损失一些传输到传感器上的光。另外，由于同样机制还可能损失一些从传感器返回的光。由于分析物含量和光调制程度间的相互关系已定，这种光损失可能作为分析物浓度的变化而被错误理解。事实上，影响在光纤中传输的光能量绝对大小的所有因素都可能被系统错误地理解为分析物浓度的变化。这些因素包括，但不限于此，照明强度的变化、在光纤耦合点传输的变化以及在传感器内诸如发光材料光学漂白的内部变化。

与某些强度调制传感系统有关的另一问题是非常低的总工作效率，经常低于10^-10。这样极端低的工作效率在该系统上附加了严厉的约束。为了在这些不利条件下保持充分的信噪比，必须使用高强度照明（例如激光或电弧灯）和高效率检测器（例如电子倍增管）。为使照明与传感材料最佳匹配通常需要复杂和昂贵的波长选择装置。由于光源和检测器所需要的光谱能量和效率特性，将常规强度调制传感系统元件转变为固态光学装置的努力在生物医学传感领域尚没有特别的成功。

与某些强度调制传感系统有关的一些问题可通过使用单模保偏光纤波导形成诸如在美国专利第4，697，876号中所述的干涉传感系统加以克服。在这样的系统中，将来自诸如激光器的相干光源的光引导通过一个分束器，它将一半光送入参考光纤，将另一半光送入传感器光纤。将传感器光纤与试图检测的环境相耦合以致于光的相位由环境信号所调制。然后由第二分束器将两光纤中的光重新汇合并馈给只对该综合信号的幅度敏感的光电探测器。调节该系统在无零信号中对所反映的环境条件中的任何变化产生一个锐零。在这样的系统获得大大增强的对强度调制传感系统的环境信号的灵敏度的同时，该系统作为整体还由于系统的马赫-伦德尔结构诸如所需要的位于光纤远端的光学检测器和用以提供对非零信号进行所希望的量化的非常复杂的信号处理算法而呈现其它问题。

因此本发明的一个目的是提供不依靠强度调制的光纤传感系统以确定一个或多个分析物的浓度。

本发明的另一个目的是提供对环境和其它噪声源不敏感的光纤传感系统。

本发明还有一个目的是提供其效率充分大于常规光纤传感系统的光纤传感系统。

本发明还有一个目的是提供使用非常简单的信号处理算法对所检测的变化定量处理的光纤传感系统。

根据本发明，提供一种用于检测流体介质中一个或多个物质或分析物浓度变化的装置。该装置包括第一和第二单模光纤，至少第一光纤具有允许由其周围的介质通过该波的瞬逝分量对在光纤内传输的导光波进行相位调制的传感部分。该装置还包括将已知特性的光导入第一和第二光纤两者中的装置。另外，提供用于将从第一和第二光纤出射的光进行光学混合的装置以形成以两光纤中光之间相互相位为特征的条纹图样。提供观察该条纹图样的装置以致于可将该图样中可再现的特性变化与分析物浓度中的变化相联系。原则上本发明的焦点是在体内对一个或多个物质或分析物的浓度进行探测和测量，但该装置也可用来检测物理作用诸如压力、温度和张力，该装置预期的用途不应被认作为对本发明范围的限制。