光纖值傳感器

光纖值傳感器第1頁，共14頁，2023年，2月20日，星期日摘要：近些年來，由于光纖PH傳感器在尺寸、成本反應時間等方面的優(yōu)勢，出現(xiàn)了越來越多的光纖PH傳感器。此外，光纖具有抗電磁干擾的特性，所以光纖PH傳感器在Ph測量中應用更加安全。又因為光纖的損耗特別小，所以光纖PH傳感器在遠距離的PH測量有很大的優(yōu)勢。在化學、生物化學、臨床化學和環(huán)境科學中，溶液的PH值對化學反應有很大的影響，因此對PH的測量和控制在是相當重要的。許多工業(yè)生廣中部涉及水溶液酸堿度的測定。酸堿度對氧化、還原、結品、吸附和沉淀等過程都有重要的影響，應該加以測量和控制。許多制藥過程和生化反應過程在恒定的或小范圍pH內進行最為有效。PH是生產過程中—個非常重要的過程。例如在抗生京發(fā)酵中，即使很小的pH變化也能導致產率大幅下降。安全檢測方面也有很多應用，例如通過檢測水源PH值，可以檢測水源是否被污染等。第2頁，共14頁，2023年，2月20日，星期日原理：光纖PH傳感器的原理是通過PH的變化來影響光特性，比如吸收、反射、折射率、熒光特性。光纖PH傳感器中最重要的元件就是PH敏感層，通常是在光纖的尖端或者側面添加PH敏感材料。常見的光纖PH傳感器是去掉光纖的包層，然后將PH敏感膜鍍在光纖的纖芯上來傳感，但是這種結構需要去除包層，比較麻煩，而且去包層的化學用品一般為氫氟酸，它的腐蝕性很強，比較危險。而基于單模-多模光纖組合的傳感結構非常簡單并且容易制作，因此也有廣泛的使用。現(xiàn)在，導電聚合物在PH傳感器得到了很好的應用，其中聚苯胺的應用最為廣泛。聚苯胺敏感膜具有響應快、穩(wěn)定性好、線性范圍寬等特點。聚苯胺在PH變化時，他的折射率和吸收系數(shù)會隨之變化，并且當PH值變大時，它的折射率也跟著變大?；诰郾桨返腜H檢測系統(tǒng)如下圖所示。主要由光源、光耦合器、傳感部分、光發(fā)射鏡以及光譜儀組成。第3頁，共14頁，2023年，2月20日，星期日Spectroscope：光譜儀Single-modefiber：單模光纖SensingRegion：傳感部分Reflector：反射鏡OpticalFiber：光纖第4頁，共14頁，2023年，2月20日，星期日實驗器件：光源使用SOA的ASE譜，它的中心波長為1064nm，在1014-1094nm范圍是連續(xù)并且穩(wěn)定的。光耦合是2x2的多模光纖耦合器。光反射鏡是在端面鍍了高反射膜的光纖，它的目的主要是為了加強傳感效果，產生一個雙倍的效應。光譜儀是光譜范圍在600-1700nm的光譜儀第5頁，共14頁，2023年，2月20日，星期日傳感部分：傳感結構采用單模-多模光纖組合結構，并在單模光纖上鍍Polyaniline薄膜第6頁，共14頁，2023年，2月20日，星期日仿真模型:如圖是仿真模型，其中紅色區(qū)域代表光纖的包層，綠色代表單模光纖纖芯，它長度是L，藍色代表多模光纖，長度是L1，黃色區(qū)域代表敏感物。第7頁，共14頁，2023年，2月20日，星期日模型中主要的參數(shù)如下：光源波長freespacewavelength這個參數(shù)可以選擇光源的波長單模光纖纖芯直徑core普通單模光纖的纖芯8.3um多模光纖纖芯直徑core1蒲絨多模光纖的纖芯50um單模光纖長度L，它即是傳感長度多模光纖長度L1=50um吸收系數(shù)alpha敏感物的吸收系數(shù)Background_index參考折射率為1Delta纖芯折射率和包層折射率之差Delta1纖芯折射率和參考折射率之差Delta2敏感物折射率和參考折射率之差第8頁，共14頁，2023年，2月20日，星期日根據(jù)上面上面安裝記錄不同PH時的光譜圖，我們得到下圖：第9頁，共14頁，2023年，2月20日，星期日根據(jù)我們記錄的光譜圖中的數(shù)據(jù)，我們可以查出不同PH值在波長1053.6nm處的光功率，如下圖：第10頁，共14頁，2023年，2月20日，星期日光纖ph值傳感器的主要工作原理是利用光纖的顏色調制技術。Ph只的變化將導致光纖傳感探頭中光頻譜特性變化（圖6），這一變化通過光導纖維傳輸給處理單元。Ph值傳感器與信號分析系統(tǒng)結構示意圖如下圖所示：第11頁，共14頁，2023年，2月20日，星期日光纖PH值傳感器的關鍵部分是傳感器的探頭部分，它可以是一個固定于光纖末端的膜（膜成分一般由分子探針，固定相支持劑和增塑劑等組成），也可以是分子探針直接固定于光線的內芯上而構成傳感器。本設計采用聚苯胺敏感膜。它的光吸收波長與ph值有關。第12頁，共14頁，2023年，2月20日，星期日優(yōu)點：體積小、響應快、穩(wěn)定性好、壽命長。測量精度高，可達+0.001個PH值單位。特別適用于在線分析和生物醫(yī)學領域，尤其是在體內的在線檢測方面涌現(xiàn)出了許多新型光導纖維PH值傳感器。缺點：（1）環(huán)境光干擾。一般情況下,周圍的光線會引起干擾,所以光化學傳感器的探頭部分應置于避光環(huán)境中,或者將光信號加以調制,使得待測信號可從信號中分離出來。（2）劑光分解與洗脫的問題。許多指示劑受光照射后將產生光分解而顏色減退或熒光強度下降等光漂白現(xiàn)象。（3）大多數(shù)光導纖維pH傳感器的傳感層都存在傳質過程。所以,要減小傳感層的傳質阻力。薄的傳感支可以避免響應時間過長,但樣品長期接觸時,試劑將逐漸從傳感層洗澡脫下來。雖然許多光化學傳感器因獲取相對信號,在短期應用中響應信號不會隨試劑,改善固定方法,對于提高光導纖維pH傳感器的傳感層的使用壽命有著十分重要的意義。（4）許多以光強度為信號的傳感器,響應平衡服從質量作用定律,當響應曲線以檢測信號相對對數(shù)濃度作圖時,其響應曲線呈S函數(shù)型。因此,一般來說,光導纖維pH傳感器的檢測范圍相對較窄。第13頁，共14頁，2023年，2月20日，星期日前景：自從光導纖維pH傳感器誕生以來,它就以其獨特的優(yōu)越性在實驗室及工廠自動控制、遙控監(jiān)測·生物醫(yī)學及臨床醫(yī)學、危險場地分析與控制等諸多方面得到了廣泛應用。光導纖維p