CN111239063A - 一种基于毛细管的光纤水质监测探头结构 - Google Patents

一种基于毛细管的光纤水质监测探头结构 Download PDF

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CN111239063A CN202010114492.2A CN202010114492A CN111239063A CN 111239063 A CN111239063 A CN 111239063A CN 202010114492 A CN202010114492 A CN 202010114492A CN 111239063 A CN111239063 A CN 111239063A
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冯宪光
赵剑
李睿
黄辉
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Abstract

本发明提供一种基于毛细管的光纤水质监测探头结构，其特征在于：所述探头结构由入射光纤的光出射端Ⅰ和出射光纤的光入射端Ⅱ共同嵌套在具有开槽结构的毛细管的两端构成，置于待测环境中，所述入射光纤的光入射端Ⅰ与光源连接，所述出射光纤的光出射端Ⅱ与光谱仪连接；其中，所述入射光纤的光出射端Ⅰ设有半球形光纤微透镜；所述入射光纤的光出射端Ⅰ和出射光纤的光入射端Ⅱ在所述毛细管中的长度均小于所述毛细管的开槽结构两端未开槽部分的长度。本发明能够利用透射光谱法实时在线监测水质的变化，解决了传统水质传感器体积大、不易于在线监测的问题。

Description

一种基于毛细管的光纤水质监测探头结构
技术领域
本发明涉及光学水质检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于毛细管的光纤水质监测探头结构。
背景技术
海洋水质环境监测是影响海洋农业发展的生命线，但是随着社会经济的发展和人口的不断增加，大量污染物被排向海洋。海洋污染物存在多样性(物理化学量种类多)和干扰复杂性(多因素耦合)的特点，并且海洋水质监测需要进行长期大范围的实时在线监测，对检测***的价格、体积、功耗具有一定的要求，造成海洋环境监测尤为困难，直接影响海洋生态环境与经济协同发展。
海洋水质传感器是实现海洋监测的关键核心器件，而现有的海洋水质传感***检测参数有限，以多类不同传感器单元拼装为主，存在集成度低、体积大、功耗高、测不准、误差大且易受干扰的弱点，难以用于实时在线海洋异常监测***。
现有技术中，针对水质光纤检测设备众多，但从结构、使用寿命、工艺条件等方面多有些许不足，如：
申请公布号CN104568946A公开了一种水质pH测量的光纤传感器，光纤传感器探头主要包括光纤探针、耦合器、敏感膜、反射镜、金属外壳等。采用双光路检测，发送光纤束传出的光经反射镜反射后被接受光纤束接收，通过比对信号光变化，来达到检测的目的。但由于装有反射镜，结构复杂，且要制备敏感膜，传感器寿命受到膜寿命的影响。
授权公告号CN105352554B公开了一种光纤光栅pH/温度传感器，包括一段光纤，在所述光纤的纤芯上间隔设置有用两端长周期光纤光栅。将智能水凝胶(pH值和温度敏感型)涂敷在长周期光纤光栅上实现光纤光栅pH值和温度传感。但水凝胶通常存在强度低、韧性差等缺点，需要定期更换，难以实现长期在线监测。
授权公告号CN204988999U提出了一种宽光谱光纤水质检测仪，该检测仪利用光学透镜，将光纤出射光束转为平行光通过待测液体，通过光强变化实现水质监测。但传感器的构成器件较多，包括水泵、光学准直镜等，导致传感器结构复杂、体积较大。
授权公告号CN203870017U公开了一种光纤传感的水质检测装置，将光纤剥去部分涂覆层缠绕在支架上绷紧拉直，去包层段与水环境接触，采用传感光纤产生的倏逝波进行水质监测。该传感器纤芯大面积接触水环境，寿命受到影响。光纤脆弱易断裂，制备过程中要将光纤绷紧拉直，工艺要求很高。
综上，有必要提出一种实用性强，结构简单且体积小型化的水质监测装置用以解决现有技术中的不足。
发明内容
根据上述提出现有的水质传感器体积大、集成度低，不易于在线监测等技术问题，而提供一种低功耗、低成本、体积小的光纤水质监测探头结构。本发明主要采用毛细管与光纤连接，通过改变毛细管的结构，利用开槽的手段将外界环境与管内环境相通，实现了水质多参数监测探头的小型化。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于毛细管的光纤水质监测探头结构，其特征在于：
所述探头结构由入射光纤的光出射端Ⅰ和出射光纤的光入射端Ⅱ共同嵌套在具有开槽结构的毛细管的两端构成，置于待测环境中，所述入射光纤的光入射端Ⅰ与光源连接，所述出射光纤的光出射端Ⅱ与光谱仪连接；
其中，所述入射光纤的光出射端Ⅰ设有半球形光纤微透镜；所述入射光纤的光出射端Ⅰ和出射光纤的光入射端Ⅱ在所述毛细管中的长度均小于所述毛细管的开槽结构两端未开槽部分的长度。
进一步地，所述开槽结构是指在所述毛细管的管壁上开设两处用于液体流通的槽口。
进一步地，两处所述槽口上下对称通透，方便与外界环境进行物质交换。
进一步地，所述槽口为矩形槽，其宽度为300～500μm，长度为1000～5000μm。
进一步地，所述毛细管内径等于或略小于与所述入射光纤和所述出射光纤的外径，使光纤进入所述毛细管的部分紧密贴合在所述毛细管的内壁上。
进一步地，所述光源为紫外—可见光宽带光源。
进一步地，所述毛细管的两端还设有用于封装的封闭胶。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明设计的水质监测探头结构利用毛细管体积小的优点制备而成，以在毛细管壁开槽的方式代替传统的水质传感器检测池，开槽开口用于流通待测水环境，可以大幅减小传感探头的体积，在狭窄不易测量的环境中使用，大幅减小传感探头的体积；
2、本发明利用在入射光纤的光出射端面设置光纤微透镜来代替传统水质传感器中复杂光学器件的使用，简化了传感器的结构，将水质监测探头体积大幅缩小，成本大幅降低；
3、本发明中传感器利用光纤的传光性能，不需要剥包层，拉丝等工艺，制备容易，传感器寿命也有保障。
本发明能够利用透射光谱法实时在线监测水质的变化，对不同待测物质成分产生不同的吸收光谱，可以高效、准确地对待测物质进行识别和分析，解决了传统水质传感器成本高、集成度低、简单拼装为主、体积大、不易于在线监测的问题。
基于上述理由，本发明在水质监测、油质检测等液体检测的领域中有着较广阔的应用前景和价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于毛细管的光纤水质监测探头结构应用的示意图。
图2为本发明提供的基于毛细管的光纤水质监测探头结构中毛细管探头部分的结构示意图。
图3为本发明提供的基于毛细管的光纤水质监测探头结构在传感装置监测中的原理图。
图中：1、光源；2、入射光纤；3、毛细管；3-1、开槽结构；4、出射光纤；5、光谱仪。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明提供了一种基于毛细管的光纤水质监测探头结构，能够利用透射光谱法实时在线监测水质的变化，解决了传统水质传感器体积大、不易于在线监测的问题。具体地，所述探头结构由入射光纤2的光出射端Ⅰ和出射光纤4的光入射端Ⅱ共同嵌套在具有开槽结构3-1的毛细管3的两端构成，即所述入射光纤2与出射光纤4通过毛细管3连接并固定并置于待测环境中，所述入射光纤2的光入射端Ⅰ与光源1连接，所述出射光纤4的光出射端Ⅱ与光谱仪5连接。
所述光源1为紫外—可见光宽带光源，宽带光包含对待测物质敏感的波长的光，可以利用对不同波长的光的吸收光谱检测待测环境中的多种物质。
如图2所示，所述入射光纤2的光出射端Ⅰ设有半球形光纤微透镜，其半径与入射光纤2的纤芯半径相同，用于将入射光纤2出射的光汇聚，将光变换成细平行光并发射至被探测物质区域，而后探测光通过被测区域被接受光纤接收。
所述入射光纤2的光出射端Ⅰ和出射光纤4的光入射端Ⅱ在所述毛细管3中的长度均小于所述毛细管3的开槽结构3-1两端未开槽部分的长度，保证检测池的长度尽可能长，光纤不会直接裸露在待测环境中，毛细管3两端设置有封闭胶对传感探头进行封装。(需要说明的是，图中并未画出胶液)
所述开槽结构3-1是指在所述毛细管3的管壁上开设两处用于液体流通的槽口，两处所述槽口上下对称通透，方便与外界环境进行物质交换。
所述槽口为矩形槽，其宽度为300～500μm，长度为1000～5000μm。
所述毛细管3内径等于或略小于与所述入射光纤2和所述出射光纤4的外径，使光纤进入所述毛细管3的部分紧密贴合在所述毛细管3的内壁上。
本发明的探头在传感器装置中工作时，光源1产生信号光，通过入射光纤2传入毛细管3，经过光纤微透镜汇聚后的光通过毛细管开槽结构3-1与外界环境构成的检测池后由出射光纤4的光接收端接收后传至光谱仪5，光谱仪5完成探测光的光电转换和解调，得到光通过待测物质前后强度的变化，从而推知被测物成分以及浓度。
检测原理如图3所示，入射光通过待测物质，待测物质会吸收特定波长的光，出射光强度发生改变，所以通过对光强衰减强度进行检测就可以对待测物质种类与浓度进行定量分析。
装置的检测朗伯—比尔定律原理公式：
Iout＝Iinexp(-αcL)
其中：
Iout为出射光纤的接收光强度；
Iin为入射光纤的出射光强度；
α为摩尔吸光系数，它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关；
c为吸光物质的浓度，单位为mol/L；
L为吸收层厚度，单位为cm。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于毛细管的光纤水质监测探头结构，其特征在于：
所述探头结构由入射光纤(2)的光出射端Ⅰ和出射光纤(4)的光入射端Ⅱ共同嵌套在具有开槽结构(3-1)的毛细管(3)的两端构成，置于待测环境中，所述入射光纤(2)的光入射端Ⅰ与光源(1)连接，所述出射光纤(4)的光出射端Ⅱ与光谱仪(5)连接；
其中，所述入射光纤(2)的光出射端Ⅰ设有半球形光纤微透镜；所述入射光纤(2)的光出射端Ⅰ和出射光纤(4)的光入射端Ⅱ在所述毛细管(3)中的长度均小于所述毛细管(3)的开槽结构(3-1)两端未开槽部分的长度。
2.根据权利要求1所述的基于毛细管的光纤水质监测探头结构，其特征在于，所述开槽结构(3-1)是指在所述毛细管(3)的管壁上开设两处用于液体流通的槽口。
3.根据权利要求2所述的基于毛细管的光纤水质监测探头结构，其特征在于，两处所述槽口上下对称通透。
4.根据权利要求2或3所述的基于毛细管的光纤水质监测探头结构，其特征在于，所述槽口为矩形槽，其宽度为300～500μm，长度为1000～5000μm。
5.根据权利要求1所述的基于毛细管的光纤水质监测探头结构，其特征在于，所述毛细管(3)内径等于或略小于与所述入射光纤(2)和所述出射光纤(4)的外径，使光纤进入所述毛细管(3)的部分紧密贴合在所述毛细管(3)的内壁上。
6.根据权利要求1所述的基于毛细管的光纤水质监测探头结构，其特征在于，所述光源(1)为紫外—可见光宽带光源。
7.根据权利要求1或5所述的基于毛细管的光纤水质监测探头结构，其特征在于，所述毛细管(3)的两端还设有用于封装的封闭胶。
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