一种基于图像分析和表面等离子体共振的液体折射率光纤传感器

摘要

一种基于图像分析和表面等离子体共振的液体折射率光纤传感器，其特征在于：由第一单模光纤、SPR传感器、液体槽、液体槽盖、第二单模光纤、光开关、第三单模光纤、LED光源、CCD摄像头、反射光栅、扩束器、图像存储硬盘、数据连接线以及计算机组成；在SPR传感器的两端分别连接第一单模光纤和第二单模光纤，将第一单模光纤的另一端口连接到扩束器，扩束器出射光线能垂直射到反射光栅上，将反射光栅安装在CCD摄像头前，第二单模光纤的另一端口和第三单模光纤一端分别接在光开关的两侧，第三单模光纤另一端与LED光源相连，图像储存硬盘与计算机用数据连接线连接。本发明灵敏度高、使用方便、成本较低，可以应用于检测各种环境指标及生理健康参数。

说明书

技术领域

一种基于图像分析和表面等离子体共振的液体折射率光纤传感器，属于光纤传感技术领 域。

背景技术

随着现在测量技术的发展，光纤传感器与传统电传感器相比，由于具有不受电磁干扰、 灵敏度高、体积小、重量轻、可复用性强、可埋入各种结构和材料等优点而逐渐被人们所重 视。近年来，人们已经研制出了各种光纤传感器用于对温度、压力、应变等物理量的测量， 在实际应用中，液体溶液浓度、成分的测量也具有相当重要的意义，各种基于表面等离子体 共振光纤传感器也逐渐被人们所提出。本发明中所述的一种基于图像分析和表面等离子体共 振的液体折射率光纤传感器，其基本原理是基于光线在不同浓度溶液中经过表面等离子体共 振光纤后具有不同的波长，从而衍射产生不同的光谱。

表面等离子体共振(SPR)是一种光学物理现象。当一束光线在一定的角度内入射到棱镜端 面，在棱镜与金属薄膜(Au或Ag)的界面将产生表面等离子波。当表面等离子体波与入射光 线传播常数匹配时，在光线的激励下引起金属膜内自由电子产生共振，即表面等离子共振， 从而导致透射光波长变化，而表面等离子体波的传播很大程度上与周围介质的折射率有关， 所以表面等离子体共振传感器可以被制成高精度折射计。不同浓度的溶液具有不同的折射率， 光纤通过不同浓度的溶液就会产生不同程度的波长变化，让通过了SPR光纤传感器后的光线 通过衍射光栅，不同波长的透射光线就会产生不同的光谱，这样由CCD摄像头拍摄到的图像 中的RGB像素点数量就会发生相应变化，通过提前标定LED光源光线通过各种浓度溶液后的 RGB像素点变化情况，就可以制成一个用于测量溶液浓度的基于计算机使用的液体折射率和 溶液浓度光纤传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以在计算机上使用的利用图像分析和表面等离子体共振的 液体折射率光纤传感器。该装置能够通过对通过处于不同溶液浓度中的SPR传感器的LED光 源的衍射光谱图像分析实现对溶液浓度的快速测量。该装置具有结构简单、易于操作、检测 快速等特点。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于图像分析和表面等离子体共振的液体折射率光纤传感器，其特征在于：由第一 单模光纤(1)、SPR传感器(2)、液体槽(3)、液体槽盖(4)、第二单模光纤(5)、光开关(6)、 第三单模光纤(7)、LED光源(8)、CCD摄像头(9)、反射光栅(10)、扩束器(11)、图像存 储硬盘(12)、数据连接线(13)以及计算机(14)组成；在SPR传感器(2)的两端分别连 接第一单模光纤(1)和第二单模光纤(5)，将第一单模光纤(1)的另一端口连接到扩束器 (11)，扩束器(11)的出射光线能垂直射到反射光栅(10)上，将反射光栅(10)安装在 CCD摄像头(9)前，第二单模光纤(5)的另一端口和第三单模光纤(7)一端分别接在光开 关(6)的两侧，第三单模光纤(7)另一端与LED光源(8)相连，SPR传感器(2)安装在 液体槽(7)中，液体槽盖(8)可覆盖液体槽(7)，第一单模光纤(1)、第二单模光纤(5)、 光开关(6)、第三单模光纤(7)、LED光源(8)、CCD摄像头(9)、反射光栅(10)、扩束器 (11)均内嵌于图像储存硬盘(12)，液体槽(3)、液体槽盖(4)在图像储存硬盘(12)表 面，图像储存硬盘(12)与计算机(14)用数据连接线(13)连接。

所述的一种基于图像分析和表面等离子体共振的液体折射率光纤传感器，其特征在于： 第一单模光纤(1)、SPR传感器(2)、第二单模光纤(5)、第三单模光纤(7)的纤芯直径为 400μm。

所述的一种基于图像分析和表面等离子体共振的液体折射率光纤传感器，其特征在于： 第一单模光纤(1)、SPR传感器(2)、第二单模光纤(5)以及第三单模光纤(7)的纤芯材 质为PCS聚合物。

所述的一种基于图像分析和表面等离子体共振的液体折射率光纤传感器，其特征在于： SPR传感器(2)的光纤长度为10mm，光纤表面镀银，银膜厚度为20-100nm。

所述的一种基于图像分析和表面等离子体共振的液体折射率光纤传感器，其特征在于： 反射光栅(10)的光栅常数0.67μm～0.83μm。

所述的一种基于图像分析和表面等离子体共振的液体折射率光纤传感器，其特征在于： 反射光栅(10)表面用Slygard184硅橡胶进行固化处理，固化后在室温下静置48小时，然后 再与第一单模光纤(1)连接。

本发明的工作原理是：LED光源(8)发出光线首先耦合进入第三单模光纤(7)，经过光开 关(6)和第二单模光纤(5)后再经过浸没在待测溶液中的SPR传感器(2)，光线透过SPR 传感器(2)后进入第一单模光纤(1)，扩束器(11)能将第一单模光纤(1)的出射光线扩 大并使之垂直射照射到反射光栅(10)上，反射光栅(10)产生的衍射光谱图像将由CCD摄像 头(9)拍摄，拍摄到的衍射图像传输到计算机(13)后经处理就可以得到待测溶液的浓度。表 面等离子体共振(SPR)是一种光学物理现象。当一束光线在一定的角度内入射到棱镜端面，在 棱镜与金属薄膜(Au或Ag)的界面将产生表面等离子波。当表面等离子体波与入射光线传播 常数匹配时，在光线的激励下引起金属膜内自由电子产生共振，即表面等离子共振，从而导 致透射光波长变化，而表面等离子体波的传播很大程度上与周围介质的折射率有关，所以表 面等离子体共振传感器可以被制成高精度折射计。不同浓度的溶液具有不同的折射率，光纤 通过不同浓度的溶液就会产生不同程度的波长变化，让通过了SPR光纤传感器后的光线通过 衍射光栅，不同波长的透射光线就会产生不同的光谱，这样由CCD摄像头拍摄到的图像中的 RGB像素点数量就会发生相应变化，通过提前标定LED光源光线通过各种浓度溶液后的RGB 像素点变化情况，就可以制成一个用于测量溶液浓度的基于计算机使用的液体折射率和溶液 浓度光纤传感器。

本发明的有益效果是：所述一种基于图像分析和表面等离子体共振的液体折射率光纤传 感器，所述传感器一体化安装在图像传输硬盘上，使用时只需将数据传输硬盘连接到计算机， 打开盖子清洗后将待测溶液滴入凹槽即可测量溶液浓度，不使用时盖上盖子即可防尘防水， 使用非常方便，检测精度也很高。

附图说明

图1是本发明的一种基于图像分析和表面等离子体共振的液体折射率光纤传感器；

图2是本发明的手机摄像头拍摄到的衍射光谱的相应灰度强度分布曲线；

图3是本发明的测得的丙三醇溶液浓度与相应折射率关系。

具体实施方式

下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：

参见附图1，一种基于图像分析和表面等离子体共振的液体折射率光纤传感器，其特征 在于：由第一单模光纤(1)、SPR传感器(2)、液体槽(3)、液体槽盖(4)、第二单模光纤(5)、 光开关(6)、第三单模光纤(7)、LED光源(8)、CCD摄像头(9)、反射光栅(10)、扩束器(11)、 图像存储硬盘(12)、数据连接线(13)以及计算机(14)组成；在SPR传感器(2)的两端 分别连接第一单模光纤(1)和第二单模光纤(5)，将第一单模光纤(1)的另一端口连接到 扩束器(11)，扩束器(11)的出射光线能垂直射到反射光栅(10)上，将反射光栅(10)安 装在CCD摄像头(9)前，第二单模光纤(5)的另一端口和第三单模光纤(7)一端分别接在 光开关(6)的两侧，第三单模光纤(7)另一端与LED光源(8)相连，SPR传感器(2)安 装在液体槽(7)中，液体槽盖(8)可覆盖液体槽(7)，第一单模光纤(1)、第二单模光纤 (5)、光开关(6)、第三单模光纤(7)、LED光源(8)、CCD摄像头(9)、反射光栅(10)、 扩束器(11)均内嵌于图像储存硬盘(12)，液体槽(3)、液体槽盖(4)在图像储存硬盘(12) 表面，图像储存硬盘(12)与计算机(14)用数据连接线(13)连接。

LED光源(8)发出光线首先耦合进入第三单模光纤(7)，经过光开关(6)和第二单模光纤 (5)后再经过浸没在待测溶液中的SPR传感器(2)，SPR传感器(2)的银膜厚度为50nm， 光线透过SPR传感器(2)后进入第一单模光纤(1)，扩束器(11)能将第一单模光纤(1) 的出射光线扩大并使之垂直射照射到反射光栅(10)，反射光栅(10)的光栅常数为0.83μm 反射光栅(10)产生的衍射光谱图像将由CCD摄像头(9)拍摄，拍摄到的衍射图像传输到计算 机(13)后经处理就可以得到待测溶液的浓度。