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，在通信和傳感技術(shù)方面，被廣泛應用于石油化工、電力、醫(yī)學、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，通過對傳感器透射或反射光波的光譜特性隨被測量的變化來實現(xiàn)傳感。這類光纖傳感器靈敏度高，測量精確，但是制作工藝較復雜，高精度的光譜解調(diào)儀器也大大增加了裝置的成本，甚至對操作人員的能力提出要求，限制了其應用范圍。

為克服上述問題，申請?zhí)枮椋?01610871752、專利名稱為：光纖微泡法珀傳感器及其傳感方法的中國專利中公開一種在光纖端面鍍碳納米管薄膜，通過碳納米管薄膜的傳熱性能，產(chǎn)生微泡，實現(xiàn)流速、溫度等物理量測量的傳感器；然而該傳感器僅能用于液體環(huán)境的物理量測量，并不適用于液體濃度測量?；诖耍景l(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)簡單、便于操作等優(yōu)點。

技術(shù)實現(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的光纖微氣泡濃度傳感器及其傳感方法，用以實現(xiàn)液體濃度的測量。本發(fā)明基于納米金膜的光熱效應，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的光纖微氣泡濃度傳感器；將傳感器浸沒在液體樣品中時，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微氣泡；微氣泡的形成受到液體樣品濃度的影響，通過顯微成像技術(shù)對微氣泡進行直觀的圖像探測，實現(xiàn)對液體樣品濃度的傳感。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，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，可對微流系統(tǒng)內(nèi)任意位置進行傳感；另外，采用成像技術(shù)直接對微氣泡的變化進行觀察，降低了探測的操作難度和成本。

為實現(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，以及均勻濺射于單模光纖平端面的納米金膜構(gòu)成。

進一步的，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，通過檢測單位時間微氣泡大小的變化，實現(xiàn)對液體濃度的傳感。

進一步的，所述單位時間微氣泡大小的變化采用顯微成像技術(shù)檢測。

進一步的，所述激光器的波長為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，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，打開1550nm激光器，由于納米金膜的光熱效應，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)境的濃度信息會影響微氣泡的生成速度，因此，通過測量單位時間生成的微氣泡尺寸信息，即可實現(xiàn)對微流通道內(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行傳感，可實現(xiàn)對微流通道內(nèi)的液體濃度信息的定點測量。

(2)本發(fā)明提供的基于納米金膜光熱效應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，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微氣泡，實現(xiàn)對液體樣品濃度的傳感，該方法制作工藝簡單、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，同時鍍膜方式成熟，鍍膜結(jié)果可控，重復性好，穩(wěn)定性高。

(3)本發(fā)明提供的基于納米金膜光熱效應的光纖微氣泡濃度傳感器，傳感結(jié)果可通過顯微成像技術(shù)直接觀測微氣泡的變化，實現(xiàn)對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成本，同時也降低了對操作人員的能力要求。

附圖說明

圖1為實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為實施例中探測在功率為p的情況下，經(jīng)過時間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，8—顯微鏡，9—計算機。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，但不應將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。

實施例1

本實施例中提供的基于納米金膜光熱效應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為工作波長是1550nm的單模光纖，光纖纖芯很細，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，并對剝除光纖涂覆層的裸纖進行清潔，防止污染，切割裸纖，將切割好的兩光纖平端面通過熔接機熔接，其中熔接機的結(jié)構(gòu)及工作原理為所屬領(lǐng)域的公知常識，不再贅述。

本實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，實現(xiàn)傳感。

上述傳感裝置的傳感過程為：將傳感器6插入進入微流通道5內(nèi)，調(diào)節(jié)至傳感位置，打開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，形成微氣泡4，利用顯微成像技術(shù)，實現(xiàn)傳感。

實施例2

本實施例在實施例1的基礎上作進一步限定，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行微加工的方式，這些方法制作工藝復雜，難度大，本實施例中的傳感元件制作簡單，降低了光纖光操控方法的制作難度，縮短制備時間，降低了成本。

實施例3

本實施例還提供了一種基于納米金膜光熱效應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金靶，固定；

步驟3)：通過調(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。

實施例4

本實施例還提供了基于納米金膜光熱效應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，通過毛細效應使液體充滿微流通道5；

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

步驟d、t1時刻，讀取微氣泡4的尺寸信息d1，經(jīng)過一段時間后，t2時刻,再次讀取微氣泡4的尺寸信息d2，通過尺寸變化d2-d1，可對微流通道內(nèi)液體樣品濃度信息進行傳感。

其中如圖2所示，微流通道5置于顯微鏡載物臺7上，微氣泡4生成的過程由光學顯微系統(tǒng)實時監(jiān)測，光學顯微系統(tǒng)由顯微鏡8與計算機9連接組成，便于觀察和保存微氣泡直徑變化量信息，實現(xiàn)對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)明的具體實施方式，本說明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。