一種光纖光柵pH/溫度傳感器及制備方法和探測系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種傳感器，具體涉及一種長周期光纖光柵pH/溫度傳感器，同時還 涉及該傳感器的制備方法和包含該傳感器的探測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] pH值測量和控制在生物化學、環(huán)境科學、臨床醫(yī)學、工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領域尤為重 要，比如在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，許多植物有喜好酸性或堿性土壤的行為，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，水質pH值 對生物生存環(huán)境影響重大，在環(huán)境應用領域，酸雨檢測主要是通過檢測溶液的pH值來實現(xiàn) 的。
[0003] 對于pH值的測量，在沒有發(fā)明pH傳感器之前，都是使用手工測量方法實現(xiàn)的。主 要的測量手段有pH試紙、pH指示劑和pH計，大多是依靠現(xiàn)場取樣，再進行下一步的檢驗， 過程復雜，效率較低。這些方法雖然操作簡單、成本低，但是都只能定性檢測，而且在某些 生產(chǎn)工業(yè)上，比如說食品、醫(yī)療等，不允許將pH指示劑加入到溶液中，因此具有一定的局限 性。隨之，上世紀80年代，隨著光纖的特性不斷被挖掘，科學家設計了光纖pH值傳感器，這 種化學傳感器抗電磁干擾，安全性和可靠性高，其傳感機理是在光纖內，以pH敏感的化學 物質為敏感部分，利用光波作為換能媒體，組成光纖pH值傳感器。
[0004] 光纖pH傳感器由于其體積小、響應快、穩(wěn)定性好和測量精度高，特別適用于生物 醫(yī)學領域和在線分析，但也存在一定的局限性，即容易受周圍光纖干擾、指示劑受光照射后 易分解并產(chǎn)生光漂白現(xiàn)象等。而光纖光柵傳感器不但能克服光纖pH傳感器的不足，而且由 于調制方式為波長調制的光纖光柵在進行波長調制的時候，不會受到光源功率的干擾或者 光纖形變的干擾而引起系統(tǒng)損耗，這使它具備了高穩(wěn)定性和可靠性。因此，基于光纖光柵傳 感器的pH值測量方法逐漸受到學者們的關注，推進了繼光纖pH傳感器之后的pH值測量傳 感器研究的進程。光纖光柵由于抗電磁性、靈敏性、工藝成熟和成本低廉等優(yōu)勢成為了物理 傳感檢測領域的主要檢測工具。
[0005] 溫度是用來表征物體冷熱程度的物理量，在工業(yè)和科學研究領域中屬于較為重 要的參數(shù)。其中，環(huán)境溫度是表示環(huán)境冷熱程度的物理量，可以具體體現(xiàn)為日溫、氣候等。氣 候變化既是大自然的變化規(guī)律，同時也受人類活動的影響，一直以來都是全球變化研究的 核心問題和重要內容。
[0006] 雖然使用溫度計進行測量的傳統(tǒng)方法的可靠性和安全性高，但是效率和精確度具 有一定的局限性。由此，電學傳感器彌補了其不足之處，電學傳感器多用于地下溫度的測 量，具有成本低、精度高、工藝成熟等特點。電學傳感器是使用了光敏電阻、熱敏電阻等敏感 元件來實現(xiàn)傳感的目的，比如光電、濕度和溫度傳感器等。
[0007] 然而電學傳感器也存在一定的應用難題，如易受到雷雨天氣的影響、易受電磁環(huán) 境的干擾等。針對這些問題，光纖光柵的防電磁干擾性、防爆性、耐腐蝕等特性使其在許多 工程領域有著其獨特的應用價值，這極大地彌補了電學傳感器的缺陷。并且，光纖光柵本身 除了有應變特性，也具有溫度特性。除非采取溫度補償或者封裝結構等方法，其溫度特性一 般是存在的。運用光纖光柵進行溫度傳感不僅簡單易行，而且根據(jù)材料的不同而改變其響 應靈敏度，具有較大的靈活性，這都是其他溫度傳感器或者測試儀無法達到的程度。目前， 基于光纖光柵的溫度傳感器也正是溫度傳感領域的熱點之一，針對其進行的研究進程也在 不斷的推進之中。
[0008] 現(xiàn)在關于pH光纖光柵傳感器的研究在國內外已取得初步進展，但是都存在明顯 的不足，pH值范圍也普遍未達到全面覆蓋，并且部分研究方案仍處于理論仿真階段。在實驗 方案中，靈敏度較高的方案線性范圍很窄，線性范圍較大的方案靈敏度很低，難以實用化。 從工藝制作的角度看，實現(xiàn)多層包覆的復雜結構和制備薄膜的工藝難度較高，并且效果也 不顯著。目前真正可以實現(xiàn)在被測環(huán)境中測量pH的光纖光柵傳感器幾乎沒有或者說性能 較差，同時檢測pH和溫度的光纖光柵傳感器至今也沒有實現(xiàn)。

【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種光纖光柵pH/溫度傳感器，測量范圍寬，可同時檢測 多個參數(shù)，能夠長期在線監(jiān)測并更易于安置在被測環(huán)境中。
[0010] 本發(fā)明的另一個目的在于提供一種光纖光柵pH/溫度傳感器的制備方法。
[0011] 本發(fā)明的又一個目的在于提供一種包含光纖光柵pH/溫度傳感器的探測系統(tǒng)。
[0012] 本發(fā)明的第一個目的可以通過以下技術措施來實現(xiàn)：一種光纖光柵pH/溫度傳感 器，包括一段光纖，在所述光纖的纖芯上間隔設置有用于參考對比的第一長周期光纖光柵 和用于檢測的第二長周期光纖光柵，在第二長周期光纖光柵處的光纖外包層部位設有水凝 膠涂覆層；通過水凝膠涂覆層在待監(jiān)測介質中會隨水質的情況發(fā)生溶漲，對所包裹的第二 長周期光纖光柵產(chǎn)生軸向應力，從而相應的影響第二長周期光纖光柵中傳輸光的透射波長 發(fā)生變化，根據(jù)這些變化對比關系，獲得傳感數(shù)據(jù)。
[0013] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化，所述水凝膠覆層為螺旋狀涂覆層。
[0014] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化，在所述光纖的兩端設有防護層。
[0015] 本發(fā)明的第二個目的可通過以下技術措施來實現(xiàn)：一種所述光纖光柵pH/溫度傳 感器的制備方法，先將設置有第二長周期光纖光柵的光纖部位放置于顯微鏡載玻片上并滴 入敏感型水凝膠，使所述的光纖部位浸泡于水凝膠中；然后使用紫外光源照射載玻片上的 水凝膠，當其逐漸變?yōu)槿榘咨吵頎顣r，開始緩緩旋轉光纖，持續(xù)照射直至溶液完全凝結成 膠狀物并包覆在所述的光纖部位上，形成水凝膠涂覆層。
[0016] 更進一步的，先在所述第二長周期光纖光柵的光纖部位的一端滴入敏感型水凝膠 浸泡；然后使用紫外光源照射水凝膠，當其逐漸變?yōu)槿榘咨吵頎顣r，將所述光纖旋轉5~ 15°后停止旋轉，持續(xù)照射以使水凝膠充分從液態(tài)轉化為乳膠態(tài)再到晶瑩透明膠狀；從所 述第二長周期光纖光柵的光纖部位的一端到另一端，依次重復上述步驟，形成不間斷螺旋 狀的水凝膠涂敷層；持續(xù)照射直至溶液完全凝結成膠狀物并包覆在光纖上。
[0017] 本發(fā)明的第三個目的可通過以下技術措施來實現(xiàn)：一種包含所述光纖光柵pH/溫 度傳感器的探測系統(tǒng)，其特征在于，包括寬譜光源，光柵解調設備，耦合器和至少兩個所述 長周期光纖光柵pH/溫度傳感器，寬譜光源輸出光經(jīng)耦合器傳輸?shù)交ハ噙B接的各個長周期 光纖光柵pH/溫度傳感器，傳感器的檢測信號光再經(jīng)耦合器回傳到光柵解調設備解調后輸 出，用于輸送到外接水質監(jiān)測中心顯示檢測數(shù)據(jù)。
[0018] 本發(fā)明所述各個長周期光纖光柵pH/溫度傳感器以波分復用的方式在一根光纖 中串聯(lián)在一起。
[0019] 本發(fā)明所述各個長周期光纖光柵pH/溫度傳感器以空分復用的方式并聯(lián)在一起。
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下的有益效果：
[0021] 1、本發(fā)明可實現(xiàn)pH值從0~14的測量（這是目前光纖光柵pH傳感器所沒有的 測量范圍），通過水凝膠材料以及螺旋涂敷工藝，使得該材料在不同pH值都有較大的軸向 應力，