基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度测量系统及方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910354209.0 (22)申请日 2019.04.29 (71)申请人 南京理工大学 地址 210094 江苏省南京市玄武区孝陵卫 200号 (72)发明人 沈华施晶朱日宏卓烜 矫岢蓉 (74)专利代理机构 南京理工大学专利中心 32203 代理人 马鲁晋 (51)Int.Cl. G01N 21/41(2006.01) (54)发明名称 基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度 测量系统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于非涂敷式水凝胶光 纤光栅的溶液浓度测量系统及。

2、方法， 系统包括波 长解调仪、 光纤光栅浓度传感器及波长显示模 块， 所述波长解调仪通过裸纤适配器与光纤光栅 浓度传感器连接， 所述波长解调仪同时与波长显 示模块连接。 本发明能够实现测量所有使水凝胶 进行差异性溶胀的溶液， 获得其浓度参数， 并且 操作简单、 重复性强。 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 110082314 A 2019.08.02 CN 110082314 A 1.一种基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度测量系统， 其特征在于， 包括波长解 调仪、 光纤光栅浓度传感器及波长显示模块， 所述波长解调仪与光纤光栅浓度传感器连接， 所述波长解调仪同时与波长显示模块连接，。

3、 所述波长解调仪用于发射光信号给光纤光栅浓 度传感器并解析光纤光栅浓度传感器采集的光纤光栅波长， 波长显示模块用于显示光纤光 栅波长。 2.根据权利要求1所述的基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度测量系统， 其特征 在于， 所述光纤光栅浓度传感器包括弓型夹持装置(1)、 光纤布拉格光栅(2)、 光纤(3)、 载玻 片(4)、 水凝胶(5)以及盛装待测液的培养皿(6)， 所述光纤布拉格光栅(2)、 光纤(3)均通过 弓形夹持装置(1)拉直固定， 光纤布拉格光栅(2)的一端与波长解调仪连接， 水凝胶(5)设置 在盛装待测液的培养皿(6)中， 载玻片(4)设置在水凝胶(5)上， 且载玻片(4)的另一。

4、面与光 纤布拉格光栅(2)、 光纤(3)固定。 3.根据权利要求2所述的基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度测量系统， 其特征 在于， 所述光纤布拉格光栅(2)、 光纤(3)平行固定。 4.根据权利要求1所述的基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度测量系统， 其特征 在于， 所述波长解调仪通过裸纤适配器与光纤光栅浓度传感器连接。 5.根据权利要求1所述的基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度测量系统， 其特征 在于， 波长解调仪发射的光信号波长为1528-1568nm， 频率为3Hz。 6.基于权利要求1所述的系统的测量方法， 其特征在于， 具体步骤为： 第一步、 将光纤布拉格光栅(2)、 光纤(。

5、3)均通过弓形夹持装置(1)拉直固定； 第二步、 将波长解调仪与光纤光栅浓度传感器连接， 将波长解调仪与波长显示模块连 接； 第三步、 将水凝胶(5)放置在盛装待测液的培养皿(6)中， 将载玻片(4)放置在水凝胶 (5)上， 使载玻片(4)的另一面与光纤布拉格光栅接触， 将待测溶液倒入培养皿中， 通过波长 解调仪采集光纤布拉格光栅的波长， 通过显示模块实时显示光纤布拉格光栅的波长； 第四步、 通过波长解调软件记录中心波长随时间的变化情况， 并绘制波长-时间变化曲 线， 通过该曲线提取出某一时刻下的波长偏移量-浓度曲线。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110082314 A 2 基于非涂敷式。

6、水凝胶光纤光栅的溶液浓度测量系统及方法 技术领域 0001 本发明属于光纤光栅传感领域， 具体涉及一种基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶 液浓度测量系统及方法。 背景技术 0002 溶液浓度是一个非常重要的描述溶液特性的参数， 测量和控制溶液浓度在工业生 产和科学研究等各个领域都有着极为普遍的应用。 溶液浓度检测的方法有很多种， 目前应 用较为广泛的主要有： 滴定法、 吸收测量法、 激光散斑测量法和光栅法等。 使用光纤光栅制 成的溶液浓度传感器具有灵敏度高、 体积小、 抗电磁干扰、 耐高温、 耐腐蚀远距离在线实时 测量等优良特性。 0003 光纤光栅作为经典的光纤传感器件， 具有灵敏度高、 小型化。

7、、 无污染、 抗电磁干扰、 耐腐蚀和远距离测量等优点。 水凝胶是一类对外界环境微小的物理和化学刺激如离子浓 度、 ph、 温度、 压力、 电场、 光场等能产生敏感响应的交联聚合物， 是材料领域的研究热点。 近 年来， 科研人员提出将光纤光栅与水凝胶结合的方法， 利用光纤光栅对水凝胶在环境刺激 下产生的响应进行传感测量。 该方法结构简单、 具有良好的生物相容性， 且能够突破光纤光 栅传感固有的探测范围， 被广泛应用于生化传感领域。 科研人员提出了基于水凝胶涂覆的 光纤光栅， 利用水凝胶在溶液中发生的溶胀， 拉动光纤布拉格光栅产生轴向应变， 使谐振波 长发生偏移， 达到测量溶液浓度的目的。 该方法。

8、原理简单， 成本较低， 但对水凝胶薄膜的涂 敷要求较高且灵敏度较差。 为了提高该类涂敷型方法的灵敏度， 大多采取腐蚀光纤包层、 涂 敷多层水凝胶的方式， 这大大增加了实验操作难度， 并且使传感器变得脆弱更加容易损坏。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度测量系统。 0005 实现本发明目的的技术解决方案为： 一种基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓 度测量系统， 包括波长解调仪、 光纤光栅浓度传感器及波长显示模块， 所述波长解调仪与光 纤光栅浓度传感器连接， 所述波长解调仪同时与波长显示模块连接， 所述波长解调仪用于 发射光信号给光纤光栅浓度传感器并解。

9、析光纤光栅浓度传感器采集的光纤光栅波长， 波长 显示模块用于显示光纤光栅波长。 0006 优选地， 所述光纤光栅浓度传感器包括弓型夹持装置、 光纤布拉格光栅、 光纤、 载 玻片、 水凝胶以及盛装待测液的培养皿， 所述光纤布拉格光栅、 光纤均通过弓形夹持装置拉 直固定， 光纤布拉格光栅的一端与波长解调仪连接， 水凝胶设置在盛装待测液的培养皿中， 载玻片设置在水凝胶上， 且载玻片的另一面与光纤布拉格光栅、 光纤固定。 0007 本发明提供了一种基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度测量方法， 具体步骤 为： 0008 第一步、 将光纤布拉格光栅、 光纤均通过弓形夹持装置拉直固定； 0009 第二步、。

10、 将波长解调仪与光纤光栅浓度传感器连接， 将波长解调仪与波长显示模 说明书 1/4 页 3 CN 110082314 A 3 块连接； 0010 第三步、 将水凝胶放置在盛装待测液的培养皿中， 将载玻片放置在水凝胶上， 使载 玻片的另一面与光纤布拉格光栅接触， 将待测溶液倒入培养皿中， 通过波长解调仪采集光 纤布拉格光栅的波长， 通过显示模块实时显示光纤布拉格光栅的波长； 0011 第四步、 通过波长解调软件记录中心波长随时间的变化情况， 并绘制波长-时间的 变化曲线， 该曲线可提取出某一时刻下的波长偏移量-浓度曲线， 实现对NaCl溶液浓度测量 的目的。 0012 本发明与现有技术相比， 其。

11、显著优点为： (1)本发明操作简单、 重复性强， 对不同的 样本溶液只需替换水凝胶即可再次测量； (2)本发明结构固定， 一次校准后可实现远程、 实 时在线重复测量； (3)本发明具备成本低、 灵敏度高。 附图说明 0013 图1是基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度测量系统的示意图。 0014 图2是光纤光栅浓度传感器的示意图。 0015 图3为实施例1测得的波长漂移量-浓度曲线图。 具体实施方式 0016 如图1所示， 一种基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度测量系统， 包括包括波 长解调仪、 光纤光栅浓度传感器及波长显示模块， 所述波长解调仪与光纤光栅浓度传感器 连接， 所述波长解调仪同。

12、时与波长显示模块连接， 所述波长解调仪用于发射光信号给光纤 光栅浓度传感器并解析光纤光栅浓度传感器采集的光纤光栅波长， 波长显示模块用于显示 光纤光栅波长。 在某些实施例中， 波长显示模块实际为光纤光栅信号处理器或者波长解调 软件。 0017 进一步的实施例中， 如图2所示， 所述基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度测 量系统包括弓型夹持装置、 光纤布拉格光栅、 光纤、 载玻片、 水凝胶以及盛装待测液的培养 皿。 0018 进一步的实施例中， 所述弓形夹持装置的两端使用压片将光纤固定， 主要用于调 整水平测量位置、 维持光纤光栅预应力。 在该预应力的作用下， 光纤自身重力引起的轴向应 力被抵消。

13、， 当光纤光栅紧贴于水凝胶呈丁字形时， 传感器能够灵敏的响应水凝胶溶胀造成 的压力。 另外， 弓形的结构设计， 为水凝胶z轴方向的溶胀提供了发展空间， 这一点在低浓 度、 水凝胶溶胀较快的溶液测量中起了重要的作用。 0019 进一步的实施例中， 所述光纤布拉格光栅用于测量水凝胶溶胀行为产生的应力， 辅助光纤仅起到平衡载玻片的功能。 选用轻质载玻片(18mm*18mm)作为直接接触水凝胶的 介质， 平行且等分的粘贴两根光纤于载玻片上， 通过调整预应力保证载玻片在xy面内水平， 防止在载玻片对准下压过程中产生侧倾。 载玻片位于光纤光栅的一端， 不可覆盖光纤光栅， 避免造成非轴向应力的串扰， 增加传。

14、感解调的难度。 载玻片的中心位置即为结构的固定测 量位置， 使用光滑面与水凝胶接触， 避免光纤对水凝胶产生勒痕， 保护光纤不受水凝胶的污 染与腐蚀， 使测量过程互不干扰。 0020 进一步的实施例中， 所述水凝胶被截取成固定长度的圆柱体， 置于培养皿， 使上圆 说明书 2/4 页 4 CN 110082314 A 4 面中心对准载玻片测量位置， 保证力矩相同。 0021 一种基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度测量系统， 具体步骤如下： 0022 第一步、 所述波长解调仪通过裸纤适配器与光纤光栅浓度传感器连接， 所述波长 解调仪同时通过网线与波长显示模块连接。 0023 第二步、 搭建基于非涂。

15、敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度测量系统， 将轻质载玻片 固定在光纤布拉格光栅和辅助光纤的一侧， 并用弓型夹持装置拉直并固定光纤布拉格光 栅。 0024 第三步、 将水凝胶切成固定尺寸的圆柱体置于培养皿中， 调节调整架将光纤布拉 格光栅的一侧通过载波片与水凝胶上圆面接触， 将待测Nacl溶液倒入培养皿中， 水凝胶在 Nacl溶液中发生溶胀， 挤压载波片， 对光纤布拉格光栅产生轴向的应变。 通过波长解调软件 记录光纤布拉格光栅反射谱中心波长的漂移情况。 0025 第四步、 水凝胶在待测溶液中发生溶胀并向上挤压载玻片， 由于弓形传感结构的 特性， 使向上的压力灵敏地转为光纤布拉格光栅的轴向应变， 光纤。

16、布拉格光栅中心波长发 生偏移。 通过波长解调软件记录中心波长随时间的变化情况， 并绘制波长-时间的变化曲 线， 该曲线可提取出某一时刻下的波长偏移量-浓度曲线， 实现对NaCl溶液浓度测量的目 的。 0026 综上所述， 本发明的传感器操作简单、 重复性强， 对不同的样本溶液只需替换水凝 胶即可再次测量， 且结构固定， 一次校准后可实现远程、 实时在线重复测量。 同时具备成本 低、 灵敏度高的优点， 适用于Nacl溶液等生化浓度测量实验。 0027 本发明采用了水凝胶非涂覆光纤光栅的方法， 利用水凝胶对环境的刺激(如PH值、 电场和磁场、 光、 溶液浓度)产生的膨胀或收缩， 导致光纤光栅谐振峰。

17、波长的偏移， 从而实现 对Nacl溶液浓度的测量。 0028 提出了非涂敷式的水凝胶光纤光栅传感方法， 利用预应力作用下的光纤布拉格光 栅对水凝胶的溶胀进行传感， 用于溶液浓度的测量。 该方法采用开放式的结合方式， 能够方 便的更替水凝胶， 满足提高结构复用率的需求。 且无需要对光纤光栅和水凝胶进行二次加 工处理， 结构简单、 操作容易。 此外， 由于本方法的结构特征， 可适用于具有不同溶胀特性的 水凝胶， 满足绝大多数的生化传感需求。 0029 实施例1 0030 一种基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度测量系统， 包括波长解调仪、 光纤 光栅浓度传感器及波长显示模块， 所述波长解调仪与光纤。

18、光栅浓度传感器连接， 所述波长 解调仪同时与波长显示模块连接， 所述波长解调仪用于发射光信号给光纤光栅浓度传感器 并解析光纤光栅浓度传感器采集的光纤光栅波长， 波长显示模块用于显示光纤光栅波长。 0031 如图2所示， 所述基于非涂敷式水凝胶光纤光栅的溶液浓度测量系统包括弓型夹 持装置、 光纤布拉格光栅、 光纤、 载玻片、 水凝胶以及盛装待测液的培养皿。 0032 所述弓形夹持装置的两端使用压片将光纤固定， 主要用于调整水平测量位置、 维 持光纤光栅预应力。 在该预应力的作用下， 光纤自身重力引起的轴向应力被抵消， 当光纤光 栅紧贴于水凝胶呈丁字形时， 传感器能够灵敏的响应水凝胶溶胀造成的压力。

19、。 另外， 弓形的 结构设计， 为水凝胶z轴方向的溶胀提供了发展空间， 这一点在低浓度、 水凝胶溶胀较快的 溶液测量中起了重要的作用。 说明书 3/4 页 5 CN 110082314 A 5 0033 所述光纤布拉格光栅用于测量水凝胶溶胀行为产生的应力， 辅助光纤仅起到平衡 载玻片的功能。 选用轻质载玻片(18mm*18mm)作为直接接触水凝胶的介质， 平行且等分的粘 贴两根光纤于载玻片上， 通过调整预应力保证载玻片在xy面内水平， 防止在载玻片对准下 压过程中产生侧倾。 载玻片位于光纤光栅的一端， 不可覆盖光纤光栅， 避免造成非轴向应力 的串扰， 增加传感解调的难度。 载玻片的中心位置即为。

20、结构的固定测量位置， 使用光滑面与 水凝胶接触， 避免光纤对水凝胶产生勒痕， 保护光纤不受水凝胶的污染与腐蚀， 使测量过程 互不干扰。 0034 所述水凝胶被截取成固定长度的圆柱体， 置于培养皿， 使上圆面中心对准载玻片 测量位置， 保证力矩相同。 0035 在本实施例中， 配比浓度等级分别为5g/L、 10g/L、 15g/L、 20g/L、 25g/L和30g/L的 NaCl溶液作为待测液。 采用如图1所示实验系统， 测量20min、 30min时各浓度NaCl溶液下的 波长漂移量-浓度曲线， 如图3所示。 说明书 4/4 页 6 CN 110082314 A 6 图1 图2 图3 说明书附图 1/1 页 7 CN 110082314 A 7 。