光纤值传感器精.ppt
光纤值传感器光纤值传感器第1页，本讲稿共14页摘要：摘要：n 近些年来，由于光纤PH 传感器在尺寸、成本反应时间等方面的优势，出现了越来越多的光纤PH 传感器。此外，光纤具有抗电磁干扰的特性，所以光纤PH 传感器在Ph 测量中应用更加安全。又因为光纤的损耗特别小，所以光纤PH 传感器在远距离的PH测量有很大的优势。n 在化学、生物化学、临床化学和环境科学中，溶液的PH 值对化学反应有很大的影响，因此对PH 的测量和控制在是相当重要的。许多工业生广中部涉及水溶液酸碱度的测定。酸碱度对氧化、还原、结品、吸附和沉淀等过程都有重要的影响，应该加以测量和控制。许多制药过程和生化反应过程在恒定的或小范围pH内进行最为有效。PH是生产过程中个非常重要的过程。例如在抗生京发酵中，即使很小的pH变化也能导致产率大幅下降。安全检测方面也有很多应用，例如通过检测水源PH值，可以检测水源是否被污染等。第2页，本讲稿共14页原理：原理：n 光纤PH 传感器的原理是通过PH 的变化来影响光特性，比如吸收、反射、折射率、荧光特性。光纤PH 传感器中最重要的元件就是PH 敏感层，通常是在光纤的尖端或者侧面添加PH 敏感材料。常见的光纤PH 传感器是去掉光纤的包层，然后将PH 敏感膜镀在光纤的纤芯上来传感，但是这种结构需要去除包层，比较麻烦，而且去包层的化学用品一般为氢氟酸，它的腐蚀性很强，比较危险。而基于单模-多模光纤组合的传感结构非常简单并且容易制作，因此也有广泛的使用。n 现在，导电聚合物在PH 传感器得到了很好的应用，其中聚苯胺的应用最为广泛。聚苯胺敏感膜具有响应快、稳定性好、线性范围宽等特点。聚苯胺在PH 变化时，他的折射率和吸收系数会随之变化，并且当PH 值变大时，它的折射率也跟着变大。基于聚苯胺的PH 检测系统如下图 所示。主要由光源、光耦合器、传感部分、光发射镜以及光谱仪组成。第3页，本讲稿共14页nSpectroscope：光谱仪nSingle-mode fiber：单模光纤nSensing Region：传感部分nReflector：反射镜nOptical Fiber：光纤第4页，本讲稿共14页实验器件：实验器件：n光源使用 SOA 的ASE 谱，它的中心波长为1064nm，在1014-1094nm 范围是连续并且稳定的。n光耦合是 2x2 的多模光纤耦合器。n光反射镜是在端面镀了高反射膜的光纤，它的目的主要是为了加强传感效果，产生一个双倍的效应。n光谱仪是光谱范围在600-1700nm 的光谱仪第5页，本讲稿共14页传感部分：传感部分：n传感结构采用单模-多模光纤组合结构，并在单模光纤上镀Polyaniline 薄膜第6页，本讲稿共14页仿真模型仿真模型:如图是仿真模型，其中红色区域代表光纤的包层，绿色代表单模光纤纤芯，它长度是L，蓝色代表多模光纤，长度是L1，黄色区域代表敏感物。第7页，本讲稿共14页模型中主要的参数如下：模型中主要的参数如下：n光源波长 free space wavelength 这个参数可以选择光源的波长n单模光纤纤芯直径core 普通单模光纤的纤芯8.3umn多模光纤纤芯直径core1 蒲绒多模光纤的纤芯50umn单模光纤长度 L，它即是传感长度n多模光纤长度 L1=50umn吸收系数alpha 敏感物的吸收系数nBackground_index 参考折射率为1nDelta 纤芯折射率和包层折射率之差nDelta1 纤芯折射率和参考折射率之差nDelta2 敏感物折射率和参考折射率之差第8页，本讲稿共14页根据上面上面安装记录不同根据上面上面安装记录不同PH 时的光谱图，我们得到时的光谱图，我们得到下图：下图：第9页，本讲稿共14页根据我们记录的光谱图中的数据，我们可以查出不同根据我们记录的光谱图中的数据，我们可以查出不同PH 值在波长值在波长1053.6nm 处的光功率，如下图：处的光功率，如下图：第10页，本讲稿共14页n光纤ph值传感器的主要工作原理是利用光纤的颜色调制技术。Ph只的变化将导致光纤传感探头中光频谱特性变化（图6），这一变化通过光导纤维传输给处理单元。Ph值传感器与信号分析系统结构示意图如下图所示：第11页，本讲稿共14页n光纤PH值传感器的关键部分是传感器的探头部分，它可以是一个固定于光纤末端的膜（膜成分一般由分子探针，固定相支持剂和增塑剂等组成），也可以是分子探针直接固定于光线的内芯上而构成传感器。本设计采用聚苯胺敏感膜。它的光吸收波长与ph值有关。第12页，本讲稿共14页n优点：优点：体积小、响应快、稳定性好、寿命长。测量精度高，可达+0.001个PH值单位。特别适用于在线分析和生物医学领域，尤其是在体内的在线检测方面涌现出了许多新型光导纤维PH值传感器。n缺点：缺点：n（1）环境光干扰。一般情况下,周围的光线会引起干扰,所以光化学传感器的探头部分应置于避光环境中,或者将光信号加以调制,使得待测信号可从信号中分离出来。n（2）剂光分解与洗脱的问题。许多指示剂受光照射后将产生光分解而颜色减退或荧光强度下降等光漂白现象。n（3）大多数光导纤维pH 传感器的传感层都存在传质过程。所以,要减小传感层的传质阻力。薄的传感支可以避免响应时间过长,但样品长期接触时,试剂将逐渐从传感层洗澡脱下来。虽然许多光化学传感器因获取相对信号,在短期应用中响应信号不会随试剂,改善固定方法,对于提高光导纤维pH 传感器的传感层的使用寿命有着十分重要的意义。n（4）许多以光强度为信号的传感器,响应平衡服从质量作用定律,当响应曲线以检测信号相对对数浓度作图时,其响应曲线呈S 函数型。因此,一般来说,光导纤维pH 传感器的检n测范围相对较窄。第13页，本讲稿共14页前景：前景：n自从光导纤维pH 传感器诞生以来,它就以其独特的优越性在实验室及工厂自动控制、遥控监测生物医学及临床医学、危险场地分析与控制等诸多方面得到了广泛应用。光导n纤维pH 传感器的小型化、规格化、商品化是将来发展的趋势,对于传感器中探针的固定方法,n已成为人们越来越关注的热点。采用多种技术使传感器同时具有体积小、响应快、稳定性好、n寿命长的优点,将使这一领域的发展跃上一个新的台阶。第14页，本讲稿共14页
