CN108828263B - 一种基于tfbg测量微流控速度和方向的光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于TFBG测量微流控速度和方向的光纤传感器，由光源，偏振控制器，传输光纤，光纤环形器，光功率计，纳米金涂层，TFBG，传感器，啁啾光纤光栅，第一液体通道口，第二液体通道口，第三液体通道口，微流体通道，微流控芯片，导管，第一储液池，微流泵，第二储液池，光谱仪组成。光源发射出波长为1500nm~1580nm的光，经过传输光纤至传感器的左端，传感器中刻有TFBG和啁啾光纤光栅，并且固定在微流体通道的中间，校准微流泵，使液体可以从微流体通道中流过，TFBG镀有纳米金涂层的部分和没有镀有纳米金涂层的部分在液体中，光谱仪中检测到的透射光谱发生不同情况的波长漂移，利用光谱仪透射光谱中的变化来表征微流体速度和方向变化。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于TFBG测量微流控速度和方向的光纤传感器。
背景技术
近些年来，微流控制技术一直在快速发展，并在化学合成，药物开发，生物分析和光学技术应用等方面得到了广泛的应用。在这些实验室芯片应用中，液体的流量起着重要的作用，液体的流速主导着生物药物的细胞粘附和单克隆抗体产生，流动聚焦发生器中液滴的大小和生成速度以及流式细胞计数和分选的速度和效率。
基于TFBG，即倾斜布拉格光纤光栅的光纤传感器，结构简便，与其他测量方式相比，例如微电子机械***（MEMS），成本较低，并且制作工艺相对简单，而且灵敏度较高，对温度交叉敏感度小，可以实现实时和远程测量。
表面等离子体共振技术，即SPR技术，在光电传感技术中应用广泛，其结构装置简单，灵敏度较高，并且不易受到环境等外界因素的干扰，因此，适用于液体流量较小的微弱条件下的速度和方向测量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于TFBG测量微流控速度和方向的光纤传感器装置，液体流动的变化改变透射光谱信号强度，该结构灵敏度高，便于实现。
本发明通过以下技术方案实现：一种基于TFBG测量微流控速度和方向的光纤传感器装置，由光源（1），偏振控制器（2），传输光纤（3），光纤环形器（4），光功率计（5），纳米金涂层（6），TFBG（7），传感器（8），啁啾光纤光栅（9），第一液体通道口（10），第二液体通道口（11），第三液体通道口（12），微流体通道（13），微流控芯片（14），导管（15），第一储液池（16），微流泵（17），第二储液池（18），光谱仪（19）组成，其特征在于：光源（1）和偏振控制器（2）相互连接，然后通过传输光纤（3）连接于光纤环形器（4）的左端，光纤环形器（4）的下端与光功率计（5）相连，光纤环形器（4）右端与传感器（8）的左端相连，传感器（8）的右端通过传输光纤（3）与光谱仪（19）相连接，将传感器（8）沿着微流控芯片（14）上的微流体通道（13）方向并且固定在微流体通道（13）的中间，微流体通道（13）包含第一液体通道口（10），第二液体通道口（11），第三液体通道口（12）三个液体通道入口，导管（15）固定在微流体通道（13）上液体通道入口的其中两个，左端连接到第一储液池（16），右端连接到第二储液池（18），第一储液池（16）和第二储液池（18）通过导管（15）分别连接到微流泵（17）的左右两端。
所述的传感器（8）是由一个单模光纤构成，其纤芯内刻有倾斜角为8°的TFBG（7）和啁啾光纤光栅（9），表面涂有二分之一的纳米金涂层（6），厚度范围为5-500nm，单模光纤的型号为康宁SMF-28，工作波长为1500nm~1580nm。
所述的偏振控制器（2）由一个偏振片，一个半波片和一个四分之一波片组成。所述的光谱仪（19）采用的型号为Agilent，86142B。
所述的微流泵（17）采用型号为BT600M/2*YZ1515X的蠕动泵，其正反转可逆，可以实现两个方向的微流体流动，转速工作范围为0.1~600rpm。
所述的微流控芯片（14）上面的微流体通道（13）带有刻度，可以直接读出液体流过的长度大小。
本发明的工作原理是：光源（1）发射出波长为1500nm~1580nm的光束，经过偏振控制器（2）调整过偏振态，补偿由沿着通向传感器（8）的光路的光纤弯曲和扭曲引起的偏振状态的任何变化，然后再经过传输光纤（3）连接于光纤环形器（4）的左端，光纤环形器（4）的下端与光功率计（5）相连，光纤环形器（4）右端与传感器（8）的左端相连，传感器（8）中刻有TFBG（7）和啁啾光纤光栅（9），使得入射光被激发至包层膜。为了测量微流体的速度和方向，传感器（8）表面镀有二分之一的纳米金涂层（6），将传感器（8）沿着微流控芯片（14）上的微流体通道（13）方向并且固定在微流体通道（13）的中间，微流体通道（13）包含第一液体通道口（10），第二液体通道口（11），第三液体通道口（12）三个液体通道入口，导管（15）固定在微流体通道（13）上液体通道入口的其中两个，左端连接到第一储液池（16），右端连接到第二储液池（18），第一储液池（16）和第二储液池（18）通过导管（15）分别连接到微流泵（17）的左右两端。通过校准微流泵（17），首先将液体从第一储液池（16）中抽出，从微流体通道（13）的右侧第三液体通道口（12）流入，经过镀有二分之一纳米金涂层（6）的传感器（8）后从液体通道口（10）流出，然后转换微流泵（17）的方向，将液体从第二储液池（18）抽出，从相反方向流过微流体通道（13）。由于传感器（8）表面的纳米金涂层浸入液体中后，包层膜有效折射率发生变化，包层膜共振的扰动量与被液体包围的传感器（8）的长度直接相关。在四种极端情况下，即传感器（8）完全在空气中，完全在液体中，镀有纳米金涂层（6）的部分和没有镀有纳米金涂层（4）的部分在液体中，光谱仪（8）中检测到的透射光谱发生不同情况的波长漂移，得到四种不同的透射光谱。通过啁啾光纤光栅（9）可以选取包层模共振区，将避免不同传感器信号之间的串扰和通过反射光谱的功率强度进行解调，并且通过光功率计（5）表征特定波长反射光谱变化；在液体流过TFBG（7）时，通过光谱仪（19）中检测的完全在空气中透射光谱为基准，由波长的漂移量和漂移方向判断微流体的速度和方向，通过选择适当的光谱仪（19）扫描频率，可以在一个扫描周期内观察沿着传感器（8）移动的液体的整个过程，获得微流液体的流速和流动方向。因此，可以利用光谱仪（19）透射光谱中的变化来表征沿着传感器（8）液体的运动。通过选择适当的光谱仪（19）扫描频率，可以在一个扫描周期内观察沿着传感器（8）移动的液体的整个过程。
本发明的有益效果是：使用普通标准型号为康宁SMF-28，纤芯中刻有TFBG的单模光纤，同时表面镀有二分之一的纳米金涂层，消除了温度等外界因素的干扰影响，简化了结构，节约了成本，适用于实时和远距离测量，并且传输中损耗较小；TFBG作为传感元件，结构简单，动态测量范围宽，是一种具有高机械稳定度光纤液体微流速传感器；对于不同的液体，通过选择适当的扫描频率和光谱仪的采样点，通过时间谱梳可以获得流经整个TFBG液体的流速和方向；通过啁啾光纤光栅可以选取包层模共振区，将避免不同传感器信号之间的串扰和通过反射光谱的功率强度进行解调，并且通过光功率计表征特定特定波长反射光谱变化。因此，本发明具有结构简单，损耗小，灵敏度高等优点，为微流体的速度和方向的测量提供了一种切实可行的方案。
附图说明
图1是一种基于TFBG测量微流控速度和方向的光纤传感器***的结构示意图。
图2是一种基于TFBG测量微流控速度和方向的光纤传感器光纤光栅结构。
图3是一种基于TFBG测量微流控速度和方向的光纤传感器：曲线1代表TFBG完全在空气中的透射光谱，曲线2代表TFBG完全在液体中的透射光谱，曲线3和曲线4分别代表镀有纳米金涂层的部分和没有镀有纳米金涂层的部分在液体中的透射光谱。
图4是一种基于TFBG测量微流控速度和方向的光纤传感器液体流过部分TFBG的光谱变化，图a表示液体从镀金端流到到无镀层的光谱曲线，图b表示液体从无镀层流到镀金端到的光谱曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参见附图1和附图2，一种基于TFBG测量微流控速度和方向的光纤传感器，其特征在于：，由光源（1），偏振控制器（2），传输光纤（3），光纤环形器（4），光功率计（5），纳米金涂层（6），TFBG（7），传感器（8），啁啾光纤光栅（9），第一液体通道口（10），第二液体通道口（11），第三液体通道口（12），微流体通道（13），微流控芯片（14），导管（15），第一储液池（16），微流泵（17），第二储液池（18），光谱仪（19）组成，其特征在于：光源（1）和偏振控制器（2）相互连接，然后通过传输光纤（3）连接于光纤环形器（4）的左端，光纤环形器（4）的下端与光功率计（5）相连，光纤环形器（4）右端与传感器（8）的左端相连，传感器（8）的右端通过传输光纤（3）与光谱仪（19）相连接，将传感器（8）沿着微流控芯片（14）上的微流体通道（13）方向并且固定在微流体通道（13）的中间，微流体通道（13）包含第一液体通道口（10），第二液体通道口（11），第三液体通道口（12）三个液体通道入口，导管（15）固定在微流体通道（13）上液体通道入口的其中两个，左端连接到第一储液池（16），右端连接到第二储液池（18），第一储液池（16）和第二储液池（18）通过导管（15）分别连接到微流泵（17）的左右两端。所述的传感器（8）是由一个单模光纤构成，其纤芯内刻有倾斜角为8°的TFBG（7）和啁啾光纤光栅（9），表面涂有二分之一的纳米金涂层（6），厚度范围为5-500nm，单模光纤的型号为康宁SMF-28，工作波长为1500nm~1580nm。所述的偏振控制器（2）由一个偏振片，一个半波片和一个四分之一波片组成。所述的光谱仪（8）采用的型号为Agilent，86142B。所述的微流泵（11）采用型号为BT600M/2*YZ1515X的蠕动泵，其正反转可逆，可以实现两个方向的微流体流动，转速工作范围为0.1~600rpm。所述的微流控芯片（14）上面的微流体通道（13）带有刻度，可以直接读出液体流过的长度大小。
本发明中光源（1）发射出波长为1500nm~1580nm的光束，经过偏振控制器（2）调整过偏振态，补偿由沿着通向传感器（8）的光路的光纤弯曲和扭曲引起的偏振状态的任何变化，然后再经过传输光纤（3）连接于光纤环形器（4）的左端，光纤环形器（4）的下端与光功率计（5）相连，光纤环形器（4）右端与传感器（8）的左端相连，传感器（8）中刻有TFBG（7）和啁啾光纤光栅（9），使得入射光被激发至包层膜。为了测量微流体的速度和方向，传感器（8）表面镀有二分之一的纳米金涂层（6），将传感器（8）沿着微流控芯片（14）上的微流体通道（13）方向并且固定在微流体通道（13）的中间，微流体通道（13）包含第一液体通道口（10），第二液体通道口（11），第三液体通道口（12）三个液体通道入口，导管（15）固定在微流体通道（13）上液体通道入口的其中两个，左端连接到第一储液池（16），右端连接到第二储液池（18），第一储液池（16）和第二储液池（18）通过导管（15）分别连接到微流泵（17）的左右两端。通过校准微流泵（17），首先将液体从第一储液池（16）中抽出，从微流体通道（13）的右侧第三液体通道口（12）流入，经过镀有二分之一纳米金涂层（6）的传感器（8）后从液体通道口（10）流出，然后转换微流泵（17）的方向，将液体从第二储液池（18）抽出，从相反方向流过微流体通道（13）。由于传感器（8）表面的纳米金涂层浸入液体中后，包层膜有效折射率发生变化，包层膜共振的扰动量与被液体包围的传感器（8）的长度直接相关。在四种极端情况下，即传感器（8）完全在空气中，完全在液体中，镀有纳米金涂层（6）的部分和没有镀有纳米金涂层（4）的部分在液体中，光谱仪（8）中检测到的透射光谱发生不同情况的波长漂移，得到四种不同的透射光谱。通过啁啾光纤光栅（9）可以选取包层模共振区，将避免不同传感器信号之间的串扰和通过反射光谱的功率强度进行解调，并且通过光功率计（5）表征特定波长反射光谱变化；在液体流过TFBG（7）时，通过光谱仪（19）中检测的完全在空气中透射光谱为基准，由波长的漂移量和漂移方向判断微流体的速度和方向，通过选择适当的光谱仪（19）扫描频率，可以在一个扫描周期内观察沿着传感器（8）移动的液体的整个过程，获得微流液体的流速和流动方向。因此，可以利用光谱仪（19）透射光谱中的变化来表征沿着传感器（8）液体的运动。通过选择适当的光谱仪（19）扫描频率，可以在一个扫描周期内观察沿着传感器（8）移动的液体的整个过程。
图3是本发明一种基于TFBG测量微流控速度和方向的光纤传感器：曲线1代表TFBG完全在空气中的透射光谱，曲线2代表TFBG完全在液体中的透射光谱，曲线3和曲线4分别代表镀有纳米金涂层的部分和没有镀有纳米金涂层的部分在液体中的透射光谱。
图4是本发明一种基于TFBG测量微流控速度和方向的光纤传感器液体流过部分TFBG的光谱变化，图a表示液体从镀金端流到无镀层的光谱曲线，图b表示液体从无镀层流到镀金端到的光谱曲线。
Claims (1)
1.一种基于TFBG测量微流控速度和方向的光纤传感器，由光源(1)，偏振控制器(2)，传输光纤(3)，光纤环形器(4)，光功率计(5)，纳米金涂层(6)，TFBG(7)，传感器(8)，啁啾光纤光栅(9)，第一液体通道口(10)，第二液体通道口(11)，第三液体通道口(12)，微流体通道(13)，微流控芯片(14)，导管(15)，第一储液池(16)，微流泵(17)，第二储液池(18)，光谱仪(19)组成，其特征在于：光源(1)和偏振控制器(2)相互连接，然后通过传输光纤(3)连接于光纤环形器(4)的左端，光纤环形器(4)的下端与光功率计(5)相连，光纤环形器(4)右端与传感器(8)的左端相连，传感器(8)的右端通过传输光纤(3)与光谱仪(19)相连接，将传感器(8)沿着微流控芯片(14)上的微流体通道(13)方向并且固定在微流体通道(13)的中间，微流体通道(13)包含第一液体通道口(10)，第二液体通道口(11)，第三液体通道口(12)三个液体通道入口，导管(15)固定在微流体通道(13)上液体通道入口的其中两个，左端连接到第一储液池(16)，右端连接到第二储液池(18)，第一储液池(16)和第二储液池(18)通过导管(15)分别连接到微流泵(17)的左右两端，传感器(8)是由一个单模光纤构成，其纤芯内刻有倾斜角为8°的TFBG(7)和啁啾光纤光栅(9)，传感器(8)的表面二分之一镀有纳米金涂层(6)，厚度范围为5-500nm，单模光纤的型号为康宁SMF-28，工作波长为1500nm～1580nm；所述的偏振控制器(2)由一个偏振片，一个半波片和一个四分之一波片组成；所述的光谱仪(19)采用的型号为Agilent，86142B；传感器(8)表面的纳米金涂层浸入液体中后，包层模有效折射率发生变化，包层模共振的扰动量与被液体包围的传感器(8)的长度直接相关，当传感器(8)完全在空气中、完全在液体中、镀有纳米金涂层(6)的部分和没有镀有纳米金涂层(6)的部分在液体中时，四种情况下光谱仪(8)中检测到的透射光谱发生不同情况的波长漂移，得到四种不同的透射光谱，通过啁啾光纤光栅(9)能够选取包层模共振区，将避免不同传感器信号之间的串扰和通过反射光谱的功率强度进行解调，并且通过光功率计(5)表征特定波长反射光谱变化；在液体流过TFBG(7)时，通过光谱仪(19)中检测的完全在空气中透射光谱为基准，由波长的漂移量和漂移方向判断微流体的速度和方向，通过选择适当的光谱仪(19)扫描频率，能够在一个扫描周期内观察沿着传感器(8)移动的液体的整个过程，获得微流液体的流速和流动方向。
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2018
- 2018-08-03 CN CN201810876718.5A patent/CN108828263B/zh active Active
Patent Citations (7)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 倾斜光纤光栅传感器;郭团;刘甫;邵理阳;;应用科学学报;20180130(01);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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