光纤值传感器精.ppt

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1、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p

2、H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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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