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CN109211839B - 一种双通道边孔光纤光栅传感装置 - Google Patents

一种双通道边孔光纤光栅传感装置 Download PDF

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Abstract

一种双通道边孔光纤光栅传感装置，属于光纤传感领域。本发明包括经过斜磨处理的单模光纤、经过斜磨处理的第一边孔光纤、第二边孔光纤、第一注液泵、第二注液泵、第一注液微管、第二注液微管、第一毛细管、第二毛细管、第一封装胶、第二封装胶，其中经过斜磨处理的第一边孔光纤和第二边孔光纤具有双孔；第二边孔光纤上还具有第一光栅结构和第二光栅结构，光纤熔融焊接机将端第一面和经过斜磨处理的第一边孔光纤的左端焊接在一起，第二端面和第二边孔光纤的左端焊接在一起，本发明实现单孔注液和双孔注液的功能，即基于改结构的微流芯片实现了单工和双工两种工作方式，在双工工作方式下，微流芯片的工作效率理论上是单工的两倍。

Description

一种双通道边孔光纤光栅传感装置
技术领域
本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种双通道边孔光纤光栅传感装置。
背景技术
随着社会的不断进步，食品药物安全和环境保护等相关问题逐渐受到人们的重视，需要对食品、药物以及水质快速准确的分析。对于生物检测和药物合成领域而言，基于微流控技术的片上实验室具有很广泛的应用，而光纤作为一种微米尺度上的器件，很方便地与片上实验室结合。光纤光栅是光纤通信领域一种很重要的无源器件，相对于其它传感器而言，光纤光栅器件具有免疫电磁干扰、长期稳定和结构紧凑的优点。因此将光纤光栅应用于片上实验室具有广阔的应用前景。
通常应用于微流芯片上的光纤光栅一般来说有两种，一种是传统光纤光栅，制作这类光纤光栅的光纤端面无孔，是标准单模光纤，外径125μm,芯径4-8μm。文献《Opticalfiber LPG biosensor integrated microfluidic chip for ultrasensitive glucosedetection，Biomedical Optical Express,2016,7(5):2067-2077》中报道了一种基于单模光纤光栅的微流芯片，其微流通道主要在微流芯片上，传感通道实际上只有一个，因此这种微流芯片的检测速率一般较慢。还有一类就是微结构光纤光栅，这一类光纤光栅的端面有孔，孔内让流体通过，文献《Fiber-Based Helical Channels Refractive Index SensorAvailable for Microfluidic Chip,2017,29(23)：2087-2090》报道了一种内微流式的光纤光栅，该光栅实现了内外通道传感，若将这种光纤光栅用于微流芯片中，则理论上将检测速率提升一倍。但是文章中的微结构光纤的注液结构不够稳定，焊点较为脆弱，实际应用中传感器容易损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构稳定的双通道边孔光纤光栅传感装置，通过对边孔光纤和单模光纤的特别处理和封装，在光纤内实现边孔光纤注液的多通道微流传感。
本发明的目的是这样实现的：
一种双通道边孔光纤光栅传感装置，包括经过斜磨处理的单模光纤1、经过斜磨处理的第一边孔光纤2、第二边孔光纤3、第一注液泵4-1、第二注液泵4-2、第一注液微管5-1、第二注液微管5-2、第一毛细管6-1、第二毛细管6-2、第一封装胶7-1、第二封装胶7-2，其中经过斜磨处理的第一边孔光纤2具有双孔，分别为第一孔2-1和第二孔2-2，第二边孔光纤3具有双孔，分别为第三孔3-1和第四孔3-2；经过斜磨处理的单模光纤1的斜磨端面为第一端面1-1，经过斜磨处理的第一边孔光纤2的斜磨端面为第二端面2-3；第二边孔光纤3上还具有第一光栅结构3-3和第二光栅结构3-4，用光纤熔融焊接机将第一端面1-1和经过斜磨处理的第一边孔光纤2的左端焊接在一起，第二端面2-3和第二边孔光纤3的左端焊接在一起，第一毛细管6-1将第一注液微管5-1、第一端面1-1和经过斜磨处理的第一边孔光纤2的左端焊接处封装在一起，并且两端用第一封装胶7-1密封，第二毛细管6-2将第二注液微管5-2、第二端面2-3、第二边孔光纤3的左端焊接处封装在一起，并且两端用第二封装胶7-2密封，第一注液泵4-1通过第一注液微管5-1向第一毛细管6-1内注液，第二注液泵4-2通过第二注液微管5-2向第二毛细管6-2内注液，第一液体通过经过斜磨处理的第一边孔光纤2的第一孔2-1进入到第二边孔光纤3的第四孔3-2中，第二液体通过第二边孔光纤3进入到第三孔3-1中。
所述的第一端面1-1的斜磨深度不超过58.5μm。
所述的第二端面2-3的斜磨深度不超过58.5μm。
所述的经过斜磨处理的第一边孔光纤2和第二边孔光纤3的双孔大小均不超过40μm。
所述的第一注液微管5-1和第二注液微管5-2为空芯光纤或者细毛细管。
所述的空芯光纤的外径为125μm，内径为60μm，细毛细管的外径不大于125μm。
所述的第一毛细管6-1和第二毛细管6-2为玻璃毛细管，内径均大于250μm。
所述的第一液体和第二液体的折射率不同。
所述的第一封装胶7-1和第二封装胶7-2为AB胶。
所述的第一光栅结构3-3和第二光栅结构3-4在光纤的不同径向角度被写入，从而导致第三孔3-1和第四孔3-2对于栅区有着不同的响应系数，第一光栅结构3-3和第二光栅结构3-4的周期存在差异，周期相差20-80nm，通过测试得到第一光栅结构3-3和第二光栅结构3-4的折射率响应参数，得到传感器的传感矩阵K，即
Figure BDA0001786117660000021
通过读取光栅光谱中共振波长的变化ΔλA和ΔλB，得到第三孔3-1和第四孔3-2内折射率的变化Δn1和Δn2。
本发明的有益效果在于：
本发明实现单孔注液和双孔注液的功能，即基于该结构的微流芯片实现了单工和双工两种工作方式，在双工工作方式下，微流芯片的工作效率理论上是单工的两倍。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为传感系统框图；
图3为经过斜磨处理的单模光纤和经过斜磨处理的第一边孔光纤的连接示意图；
图4为经过斜磨处理的第一边孔光纤和第二边孔光纤的连接示意图；
图5为单模光纤的端面示意图；
图6为第二边孔光纤的端面示意图；
图7为第二边孔光纤光栅的透射谱；
图8为第二边孔光纤中通道A的折射率响应曲线；
图9为第二边孔光纤中通道B的折射率相应曲线。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
实施例1整套检测装置如图2所示：其中包含光源8，边孔光纤注液整体装置9和探测器10。
光源8由光纤光栅的工作波长选定，为ASE光源或者超连续谱光源或者稳频光源。
如图1-8所示，一种双通道边孔光纤光栅传感装置，所述的装置包括经过斜磨处理的单模光纤1、经过斜磨处理的第一边孔光纤2、第二边孔光纤3、第一注液泵4-1、第二注液泵4-2、第一注液微管5-1、第二注液微管5-2、第一毛细管6-1、第二毛细管6-2、第一封装胶7-1、第二封装胶7-2，其中经过斜磨处理的第一边孔光纤2具有双孔，分别为第一孔2-1和第二孔2-2，第二边孔光纤3具有双孔，分别为第三孔3-1和第四孔3-2；经过斜磨处理的单模光纤1的斜磨端面为第一端面1-1，经过斜磨处理的第一边孔光纤2的斜磨端面为第二端面2-3；第二边孔光纤3上还具有第一光栅结构3-3和第二光栅结构3-4，用光纤熔融焊接机将端第一面1-1和经过斜磨处理的第一边孔光纤2的左端焊接在一起，第二端面2-3和第二边孔光纤3的左端焊接在一起，第一毛细管6-1将第一注液微管5-1、第一端面1-1和经过斜磨处理的第一边孔光纤2的左端焊接处封装在一起，并且两端用第一封装胶7-1密封，第二毛细管6-2将第二注液微管5-2、第二端面2-3、第二边孔光纤3的左端焊接处封装在一起，并且两端用第二封装胶7-2密封，第一注液泵4-1通过第一注液微管5-1向第一毛细管6-1内注液，第二注液泵4-2通过第二注液微管5-2向第二毛细管6-2内注液，第一液体通过经过斜磨处理的第一边孔光纤2的第一孔2-1进入到第二边孔光纤3的第四孔3-2中，把此通道称为通道A，第二液体通过第二边孔光纤3进入到第三孔3-1中，把此通道称为通道B，从而在一根光纤中实现对不同液体的同时传感。
所述的第一端面1-1的斜磨深度不超过58.5μm。
所述的第二端面2-3的斜磨深度不超过58.5μm。
所述的经过斜磨处理的第一边孔光纤2和第二边孔光纤3的双孔大小均不超过40μm。
所述的第一注液微管5-1和第二注液微管5-2为空芯光纤或者细毛细管。
所述的空芯光纤的外径为125μm，内径为60μm，细毛细管的外径不大于125μm。
所述的第一毛细管6-1和第二毛细管6-2为玻璃毛细管,内径均大于250μm。
所述的第一液体和第二液体的折射率不同。
所述的第一封装胶7-1和第二封装胶7-2为AB胶。
所述的第一光栅结构3-3和第二光栅结构3-4在光纤的不同径向角度被写入，从而导致第三孔3-1和第四孔3-2对于栅区有着不同的响应系数，第一光栅结构3-3和第二光栅结构3-4的周期存在差异，周期相差20-80nm，通过测试得到第一光栅结构3-3和第二光栅结构3-4的折射率响应参数，进而得到传感器的传感矩阵K，即
Figure BDA0001786117660000041
通过读取光栅光谱中共振波长的变化ΔλA和ΔλB，我们获知第三孔3-1和第四孔3-2内折射率的变化Δn1和Δn2。
图7是微流式光纤光栅传感器的透射谱，其中两个共振“谷”分别来自于第一光栅结构3-3和第二光栅结构3-4，长周期光纤光栅由于其轴向的周期性折射率调制，光能量在通过该类器件时会在包层中被散射和吸收，从而导致光谱中出现对应不同共振波长的“谷”。其共振波长的相位匹配公式为：
Figure BDA0001786117660000042
式中λ为共振波长，
Figure BDA0001786117660000043
为纤芯折射率，
Figure BDA0001786117660000044
为包层折射率，Λ为光纤光栅周期。当光纤的空气通道通过不同液体时，包层折射率
Figure BDA0001786117660000045
会发生变化，从而引起共振波长λ的变化。
图8是通道A中第一光栅结构3-3和光栅结构3-4的折射率响应，由于第一光栅结构3-3和第二光栅结构3-4在光纤中的写入角度不同，从而导致通道A中两个光栅的折射率响应不同。在通道A中第一光栅结构3-3的折射率响应为80nm/RIU,第二光栅结构3-4的折射率响应为150.93nm/RIU。
图9是通道B中第一光栅结构3-3和第二光栅结构3-4的折射率响应，在通道B中第一光栅结构3-3的折射率响应为160nm/RIU,第二光栅结构3-4的折射率响应为87.14nm/RIU。
这里必须指出的是，本发明中给出的其他未说明的实施方式和结构说明因为都是本领域的公知方式和公知结构，根据本发明所述的名称或描述，本领域技术人员就能够找到相关记载的文献，因此未做进一步说明。本方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术。

Claims (1)

1.一种双通道边孔光纤光栅传感装置，其特征在于：所述的装置包括经过斜磨处理的单模光纤(1)、经过斜磨处理的第一边孔光纤(2)、第二边孔光纤(3)、第一注液泵(4-1)、第二注液泵(4-2)、第一注液微管(5-1)、第二注液微管(5-2)、第一毛细管(6-1)、第二毛细管(6-2)、第一封装胶(7-1)、第二封装胶(7-2)，其中经过斜磨处理的第一边孔光纤(2)具有双孔，分别为第一孔(2-1)和第二孔(2-2)，第二边孔光纤(3)具有双孔，分别为第三孔(3-1)和第四孔(3-2)；经过斜磨处理的单模光纤(1)的斜磨端面为第一端面(1-1)，经过斜磨处理的第一边孔光纤(2)的斜磨端面为第二端面(2-3)；第二边孔光纤(3)上还具有第一光栅结构(3-3)和第二光栅结构(3-4)，用光纤熔融焊接机将第一端面(1-1)和经过斜磨处理的第一边孔光纤(2)的左端焊接在一起，第二端面(2-3)和第二边孔光纤(3)的左端焊接在一起，第一毛细管(6-1)将第一注液微管(5-1)、第一端面(1-1)和经过斜磨处理的第一边孔光纤(2)的左端焊接处封装在一起，并且两端用第一封装胶(7-1)密封，第二毛细管(6-2)将第二注液微管(5-2)、第二端面(2-3)、第二边孔光纤(3)的左端焊接处封装在一起，并且两端用第二封装胶(7-2)密封，第一注液泵(4-1)通过第一注液微管(5-1)向第一毛细管(6-1)内注液，第二注液泵(4-2)通过第二注液微管(5-2)向第二毛细管(6-2)内注液，第一液体通过经过斜磨处理的第一边孔光纤(2)的第一孔(2-1)进入到第二边孔光纤(3)的第四孔(3-2)中，第二液体通过第二边孔光纤(3)进入到第三孔(3-1)中；
所述的第一端面(1-1)的斜磨深度不超过58.5μm；
所述的第二端面(2-3)的斜磨深度不超过58.5μm；
所述的经过斜磨处理的第一边孔光纤(2)和第二边孔光纤(3)的双孔大小均不超过40μm；
所述的第一注液微管(5-1)和第二注液微管(5-2)为空芯光纤或者细毛细管；
所述的空芯光纤的外径为125μm，内径为60μm，细毛细管的外径不大于125μm；
所述的第一毛细管(6-1)和第二毛细管(6-2)为玻璃毛细管,内径均大于250μm；
所述的第一液体和第二液体的折射率不同；
所述的第一封装胶(7-1)和第二封装胶(7-2)为AB胶；
所述的第一光栅结构(3-3)和第二光栅结构(3-4)在光纤的不同径向角度被写入。
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