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原文传递光纤耦合污染物传感器及污染物浓度测量方法

专利名称：	光纤耦合污染物传感器及污染物浓度测量方法
摘要：	本发明公开了光纤耦合污染物传感器及污染物浓度测量方法，涉及污染物检测领域，光纤耦合污染物传感器包括两根光纤，光纤的中部耦合为锥腰耦合区，锥腰耦合区的包层覆盖有气敏材料，锥腰耦合区的光纤设置有光栅；方法包括S1传感器吸附污染物S2采集传感器透射光谱S3根据透射光谱确定传感器吸附后的折射率S4确定吸附后折射率与污染物浓度关系S5根据吸附后折射率与污染物浓度关系得到检测区污染物浓度；传感器具有传感灵敏度高、结构简单、成本低廉、体积小、重量轻、易于集成等优点；通过对透射光谱进分析得到吸附后折射率与透射光谱关系，吸附后折射率与污染物浓度关系，最终得到未知污染物浓度检测区的污染物浓度，从而实现对污染物浓度的监测。
专利类型：	发明专利
申请人：	西南科技大学
发明人：	高翔;蔡哲军;蔡俊;张江梅;王鑫磊;王坤朋;陈奂文;黄振林;庄树佳
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T15:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T05:00:00+0805
申请号：	CN202010041385.1
公开号：	CN111103302A
代理机构：	北京天奇智新知识产权代理有限公司
代理人：	叶明博
分类号：	G01N21/94;G;G01;G01N;G01N21;G01N21/94
申请人地址：	621000 四川省绵阳市涪城区青龙大道中段59号
主权项：	1.光纤耦合污染物传感器，其特征在于，包括两根光纤，两根光纤的中部耦合为锥腰耦合区，两根光纤的光能量入射端为锥型输入端，两根光纤的光能量输出端分别为直通臂锥型输出端和耦合臂锥型输出端，锥腰耦合区的包层覆盖有气敏材料，锥腰耦合区的光纤吸附污染物后的折射率范围为1.16-1.19，锥腰耦合区的光纤有光栅设计。 2.根据权利要求1所述的光纤耦合污染物传感器，其特征在于，气敏材料为多孔铁酸镧，铁酸镧的孔隙率范围为0.75-0.864。 3.根据权利要求2所述的光纤耦合污染物传感器，其特征在于，铁酸镧的孔隙率为0.8095。 4.根据权利要求1-3任一项所述的光纤耦合污染物传感器，其特征在于，锥腰耦合区的纤芯直径范围为0.8-1.2μm，两根光纤锥腰耦合区的纤芯间距范围为0.176-0.224μm，锥腰耦合区的长度范围为0.6-1.3mm，包层直径范围为3-5μm，光栅的周期范围为8-12μm。 5.根据权利要求4所述的光纤耦合污染物传感器，其特征在于，锥腰耦合区的纤芯直径为1μm，两根光纤锥腰耦合区的纤芯间距为0.2μm，锥腰耦合区的长度为0.8mm，包层直径为4μm，光栅的周期10μm。 6.污染物浓度测量方法，用于使用权利要求1～5中任一项所述的光纤耦合污染物传感器来对污染物浓度进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤： S1、将光纤耦合污染物传感器置于已知污染物浓度的检测区吸附污染物； S2、采集光纤耦合污染物传感器吸附污染物后的透射光谱； S3、根据透射光谱确定光纤耦合污染物传感器吸附污染物后的折射率； S4、根据得到光纤耦合污染物传感器吸附污染物后的折射率确定吸附污染物后的折射率与污染物浓度之间的关系； S5、将光纤耦合污染物传感器置于未知污染物浓度的检测区吸附污染物，根据吸附污染物后的折射率与污染物浓度之间的关系得到未知污染物浓度的检测区的污染物浓度。 7.根据权利要求6所述的污染物浓度测量方法，其特征在于，在S3中包括： S31、采用Rsoft软件beamprop模块建立微纳光纤污染物传感器模型，得到折射率与透射光谱波峰移动量之间的关系M＝0.056n-0.06344，其中M为透射光谱波峰移动量，其单位为μm，n为折射率； S32、将S2中得到的透射光谱与已知污染物浓度检测区的污染物浓度导入微纳光纤污染物传感器模型，得到光纤耦合污染物传感器吸附污染物后的折射率nequiv。 8.根据权利要求6或7所述的污染物浓度测量方法，其特征在于，在S4中包括： S41、确定光纤耦合污染物传感器吸附污染物后的折射率nequiv与光纤耦合污染物传感器中气敏材料的孔隙率p之间的关系，光纤耦合污染物传感器吸附污染物后的等效相对介电常数εequiv，在混合介质中，等效介电常数满足εequiv＝ε1V1+ε2V2，其中ε1、ε2分别为气敏材料和污染物的相对介电常数，V1、V2分别为两种介质的所占的体积比；根据等效相对介电常数εequiv得到光纤耦合污染物传感器吸附污染物后的折射率nequiv，等效折射率nequiv与其相对的等效介电常数满足其中n1、n2分别为气敏材料的折射率和污染物的折射率； S42、根据S41得到折射率nequiv与光纤耦合污染物传感器中气敏材料的质量m2和吸附污染物质量m1之间的关系，光纤耦合污染物传感器中气敏材料的孔隙率p采用密度表达为其中ρ为气敏材料的材料密度，ρ0为气敏材料吸附污染物后的密度，气敏材料吸附污染物后的密度ρ0与光纤耦合污染物传感器中气敏材料的质量m2和吸附污染物质量m1之间的关系满足其中V为气敏材料覆盖光纤耦合污染物传感器的表观体积，得到 S43、确定质量与孔隙率p之间的关系，光纤耦合污染物传感器中气敏材料的孔隙率p采用体积表达为因此m2可以表示为m2＝ρ(V-pV)，V0为气敏材料密实覆盖光纤耦合污染物传感器的体积，m1＝cpV，其中c为孔隙中吸附污染物的浓度； S44、根据S42和S43得到吸附污染物后的折射率nequiv与污染物浓度c之间的关系表达为：
所属类别：	发明专利