本發(fā)明屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域，涉及光纖微氣泡濃度傳感器，具體提供一種基于納米金膜光熱效應(yīng)的光纖微氣泡濃度傳感器及其傳感方法。

背景技術(shù)：

由于光纖傳感器具有靈敏度高，抗電磁干擾，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)，在通信和傳感技術(shù)方面，被廣泛應(yīng)用于石油化工、電力、醫(yī)學(xué)、土木工程等諸多領(lǐng)域中。傳統(tǒng)的光纖傳感器大多采用微加工技術(shù)在光纖上加工微納結(jié)構(gòu)，例如法珀微干涉腔、光纖光柵等，通過(guò)對(duì)傳感器透射或反射光波的光譜特性隨被測(cè)量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感。這類(lèi)光纖傳感器靈敏度高，測(cè)量精確，但是制作工藝較復(fù)雜，高精度的光譜解調(diào)儀器也大大增加了裝置的成本，甚至對(duì)操作人員的能力提出要求，限制了其應(yīng)用范圍。

為克服上述問(wèn)題，申請(qǐng)?zhí)枮椋?01610871752、專(zhuān)利名稱(chēng)為：光纖微泡法珀傳感器及其傳感方法的中國(guó)專(zhuān)利中公開(kāi)一種在光纖端面鍍碳納米管薄膜，通過(guò)碳納米管薄膜的傳熱性能，產(chǎn)生微泡，實(shí)現(xiàn)流速、溫度等物理量測(cè)量的傳感器；然而該傳感器僅能用于液體環(huán)境的物理量測(cè)量，并不適用于液體濃度測(cè)量?；诖?，本發(fā)明提供一種基于納米金膜的光纖微氣泡濃度傳感器及其傳感方法，具有低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于納米金膜光熱效應(yīng)的光纖微氣泡濃度傳感器及其傳感方法，用以實(shí)現(xiàn)液體濃度的測(cè)量。本發(fā)明基于納米金膜的光熱效應(yīng)，在單模光纖平端面處離子束濺射均勻的納米金膜構(gòu)成基于納米金膜光熱效應(yīng)的光纖微氣泡濃度傳感器；將傳感器浸沒(méi)在液體樣品中時(shí)，激光器提供的光能，經(jīng)單模光纖傳輸，從光纖端面出射，照射在納米金膜上，由于納米金膜具有良好的光熱性能，在納米金膜處形成一個(gè)微氣泡；微氣泡的形成受到液體樣品濃度的影響，通過(guò)顯微成像技術(shù)對(duì)微氣泡進(jìn)行直觀的圖像探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體樣品濃度的傳感。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大大降低了光纖端面微結(jié)構(gòu)制備的難度，并且體積小、成本低，操作靈活，可對(duì)微流系統(tǒng)內(nèi)任意位置進(jìn)行傳感；另外，采用成像技術(shù)直接對(duì)微氣泡的變化進(jìn)行觀察，降低了探測(cè)的操作難度和成本。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

基于納米金膜的光纖微氣泡濃度傳感器，其特征在于，所述傳感器由單模光纖，以及均勻?yàn)R射于單模光纖平端面的納米金膜構(gòu)成。

進(jìn)一步的，所述納米金膜的厚度為1納米至50納米，采用離子束濺射于單模光纖平端面。

上述基于納米金膜的光纖微氣泡濃度傳感器的傳感方法，其特征在于，將傳感器浸沒(méi)在液體環(huán)境中，激光器提供的光能，經(jīng)單模光纖傳輸，從光纖平端面出射，照射在納米金膜上，在納米金膜處形成微氣泡，通過(guò)檢測(cè)單位時(shí)間微氣泡大小的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體濃度的傳感。

進(jìn)一步的，所述單位時(shí)間微氣泡大小的變化采用顯微成像技術(shù)檢測(cè)。

進(jìn)一步的，所述激光器的波長(zhǎng)為1550nm、功率為10～400毫瓦。

本發(fā)明中的微泡濃度傳感傳感方法是基于納米金膜的光熱效應(yīng)，利用離子束濺射儀，將納米金粒子濺射到單模光纖端面上，形成均勻的納米金膜，將微氣泡結(jié)構(gòu)生成部浸入液體樣品中時(shí)，打開(kāi)1550nm激光器，由于納米金膜的光熱效應(yīng)，因此，納米金膜可以將光能轉(zhuǎn)化成熱能，使熱能集中在納米金膜的表面，生成微氣泡，即微泡濃度傳感器；外界液體環(huán)境的濃度信息會(huì)影響微氣泡的生成速度，因此，通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間生成的微氣泡尺寸信息，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)微流通道內(nèi)液體濃度信息的傳感。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明提供的基于納米金膜光熱效應(yīng)的光纖微氣泡濃度傳感器，由于光纖本身的尺寸小，在光纖端面形成的微氣泡法珀腔的尺寸也足夠小，有利于集成；傳感元件為探頭式的，可彎曲纏繞，操控更加靈活，探頭式傳感器可被操控在任意位置進(jìn)行傳感，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微流通道內(nèi)的液體濃度信息的定點(diǎn)測(cè)量。

(2)本發(fā)明提供的基于納米金膜光熱效應(yīng)的光纖微氣泡濃度傳感器，在單模光纖端面，離子束濺射均勻的納米金膜，依據(jù)納米金膜的光熱效應(yīng)，光能轉(zhuǎn)化為熱能，在納米金膜表面積聚，使納米金膜表面的液體樣品迅速升溫，在光纖端面納米金膜表面形成一個(gè)微氣泡，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體樣品濃度的傳感，該方法制作工藝簡(jiǎn)單、成熟，操作方便，大大降低了光纖探頭的制作工藝，也降低了成本，同時(shí)鍍膜方式成熟，鍍膜結(jié)果可控，重復(fù)性好，穩(wěn)定性高。

(3)本發(fā)明提供的基于納米金膜光熱效應(yīng)的光纖微氣泡濃度傳感器，傳感結(jié)果可通過(guò)顯微成像技術(shù)直接觀測(cè)微氣泡的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體樣品的濃度信息的傳感，該方式直觀，易于操作，所需器材降低了檢測(cè)成本，同時(shí)也降低了對(duì)操作人員的能力要求。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例中提供的基于納米金膜的光纖微氣泡濃度傳感器的傳感裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例中提供基于納米金膜的光纖微氣泡濃度傳感器的傳感系統(tǒng)示意圖；

圖3為實(shí)施例中探測(cè)在功率為p的情況下，經(jīng)過(guò)時(shí)間t1至t2，微氣泡的直徑變化量與液體樣品濃度關(guān)系曲線圖；

其中：1—1550nm激光器，2—1550單模光纖，3—納米金膜，4—微氣泡，5—微流通道，6—傳感器，7—顯微鏡載物臺(tái)，8—顯微鏡，9—計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例中提供的基于納米金膜光熱效應(yīng)的光纖微氣泡濃度傳感器的傳感裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：1550nm激光器1、1550單模光纖2、納米金膜3、微氣泡4、微流通道5、傳感器6構(gòu)成。

其中，普通單模光纖2為工作波長(zhǎng)是1550nm的單模光纖，光纖纖芯很細(xì)，纖芯直徑一般為8至10um，包層直徑125um，是常用的通信波段的單模光纖；納米金膜3的厚度為1nm。

將各段光纖熔接，其中熔接具體操作方法為：首先制備光纖端面，將光纖涂覆層剝除，并對(duì)剝除光纖涂覆層的裸纖進(jìn)行清潔，防止污染，切割裸纖，將切割好的兩光纖平端面通過(guò)熔接機(jī)熔接，其中熔接機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理為所屬領(lǐng)域的公知常識(shí)，不再贅述。

本實(shí)施例中激光器提供的光能在納米金膜3上積聚熱量，在液體環(huán)境中，產(chǎn)生微氣泡4，實(shí)現(xiàn)傳感。

上述傳感裝置的傳感過(guò)程為：將傳感器6插入進(jìn)入微流通道5內(nèi)，調(diào)節(jié)至傳感位置，打開(kāi)1550nm激光器1，光能經(jīng)1550單模光纖2傳輸，在微氣泡生成部6的納米金膜3上產(chǎn)生熱效應(yīng)，形成微氣泡4，利用顯微成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感。

實(shí)施例2

本實(shí)施例在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步限定，所述傳感器6為在切割平整的1550單模光纖端面處鍍均勻的納米金膜3，依據(jù)納米金膜的光熱特性，在液體環(huán)境中生成微氣泡4，即用于傳感的微氣泡結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有技術(shù)探頭式的光纖傳感器大都采用在光纖端面進(jìn)行微加工的方式，這些方法制作工藝復(fù)雜，難度大，本實(shí)施例中的傳感元件制作簡(jiǎn)單，降低了光纖光操控方法的制作難度，縮短制備時(shí)間，降低了成本。

實(shí)施例3

本實(shí)施例還提供了一種基于納米金膜光熱效應(yīng)的光纖微氣泡濃度傳感器的制備方法，具體包括以下步驟：

步驟1)：將單模光纖的一個(gè)端面切割平整，獲得光纖平端面；

步驟2)：將單模光纖置于噴金儀中，平端面豎直朝上正對(duì)金靶，固定；

步驟3)：通過(guò)調(diào)節(jié)噴金儀的參數(shù)，控制在單模光纖平端面的鍍膜厚度，完成在單模光纖平端面上鍍納米金膜的操作，得到傳感器。

實(shí)施例4

本實(shí)施例還提供了基于納米金膜光熱效應(yīng)的光纖微氣泡濃度傳感器的傳感方法，具體包括以下步驟：

步驟a、將調(diào)節(jié)1550單模光纖2，使傳感器6置于微流通道5內(nèi)的操控位置處；

步驟b、在微流通道5的另一端，通過(guò)毛細(xì)效應(yīng)使液體充滿(mǎn)微流通道5；

步驟c、打開(kāi)1550nm激光器1，調(diào)節(jié)功率至p，接通光路，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，傳感器6開(kāi)始形成微氣泡4；

步驟d、t1時(shí)刻，讀取微氣泡4的尺寸信息d1，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，t2時(shí)刻,再次讀取微氣泡4的尺寸信息d2，通過(guò)尺寸變化d2-d1，可對(duì)微流通道內(nèi)液體樣品濃度信息進(jìn)行傳感。

其中如圖2所示，微流通道5置于顯微鏡載物臺(tái)7上，微氣泡4生成的過(guò)程由光學(xué)顯微系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，光學(xué)顯微系統(tǒng)由顯微鏡8與計(jì)算機(jī)9連接組成，便于觀察和保存微氣泡直徑變化量信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體樣品的濃度信息的傳感。

其中在靜止的液體樣品中，微氣泡t1至t2時(shí)刻的尺寸變化和微流通道內(nèi)液體樣品濃度的曲線如圖3所示，圖3結(jié)果顯示，在激光器功率為p的情況下，微氣泡在t1至t2時(shí)刻直徑變化量是隨著液體樣品濃度的升高遞增的。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本說(shuō)明書(shū)中所公開(kāi)的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類(lèi)似目的的替代特征加以替換；所公開(kāi)的所有特征、或所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。