本发明专利技术涉及一种棱镜ＳＰＲ高灵敏度光纤液体折射率传感器，其主要特点是激光经Ｐ光起偏器、保偏光纤准直器耦合到Ｙ形保偏光纤耦合器中，从传感光支路保偏光纤准直器出来的光两次激励ＳＰＲ，两次激励ＳＰＲ后的反射光到达传感光支路光电转换器；从参考光支路光纤准直器出来的光，耦合到达参考光支路光电转换器；参考光支路光电转换器与传感光支路光电转换器将光信号转换为电信号后送入放大器及Ａ／Ｄ转换器，转换后的数字信号送入数据处理装置进行数据处理。本发明专利技术结构简单，减少了Ｐ光的能量损耗，提高了信噪比和灵敏度，可长距离使用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于基于SPR测量液体折射率的技术，特别是一种强度调制型棱镜 SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器。
技术介绍
表面等离子体波共振效应(surface plasmon wave resonance (SPR))作为一种发生在金属与电介质界面的物理光学现象，它对环境介质折射率变化非常敏感。 目前，基于SPR效应的传感器结构已被广泛应用于液态物质检测技术，如生化、 环保监测、药品研制和食品安全等领域，并在基因突变的检测、生物分子反应 动力学测定以及工业废水废气监控等取得重大进展。基十SPR的棱镜型传感器 检测分析方法有4种(1) 角度调制法，即单色光入射，改变入射角，检测反射光的归一化强度随 入射角的变化情况，并记录反射光强度最小时的入射角，也就是共振角；(2) 波长调制法，即复色光入射，固定入射角而对反射光的光谱进行分析， 得到反射率随波长的变化曲线，并记录共振波长；(3) 强度调制法，即入射光的角度和波长都固定，通过检测反射光强度的变 化分析折射率的变化；(4) 相位调制法，即入射光的角度和波长都固定，观测入射光与反射光的相 位差。在这4种方法中，角度调制法需要昂贵的精密角度转动装置和控制系统，波 长调制法需要复色光和昂贵的光谱分析装置，相位调制法需要-系列高频电路， 这就使得它们的应用受到限制。强度调制法由于光源强度的波动以及光电接收 器和放大电路存在着直流漂移，因此基于光强调制的方法测量样品折射率的精 度会受到很大的限制，采用文献l提出的建立模型的方法，就很容易克服这一缺点。文献2是一种基于克莱切曼(Kretschmann)结构的新型棱镜SPR传感方法。这种传感方法中没有采用保偏光纤准直器和保偏光 纤Y形耦合器，因此没法采用文献l提出的方法提高精度；也没有采用全反射棱 镜使得一束测量光两次激励SPR，从而不能进一步提高灵敏度。总之，文献2这 种方法在消除背景光干扰、消除光源强度波动影响和提高测量灵敏度方面存在 不足。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有基于SPR的棱镜型强度调制的传感器检测分析技 术的不足和所要解决的技术问题，提供一种结构紧凑，工作方便，可以长距离 使用的强度调制型棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器。一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器，包括由脉冲激光器与脉冲 信号发生器构成的激光发射装置、TM(或称P)光波产生和传输的装置、激励SPR 装置、光波接收装置、放大与A/D转换及数据处理装置，其特征在于所述的 激励SPR装置是一束入射光两次激励SPR装置；所述的一束入射光两次激励SPR 装置由等腰棱镜、金属薄膜及待测量液体介质构成的克莱切曼结构与全反射装 置组成；其中參所述的TM光波产生和传输装置包含P光起偏器、TM光波保偏光纤准 直器、Y形保偏光纤耦合器、传感光支路保偏光纤准直器与参考光支路保偏光 纤准直器；參所述的TM光波保偏光纤准直器、传感光支路保偏光纤准直器、参考光支 路保偏光纤准直器与Y形保偏光纤耦合器之间通过保偏光纤连接器连接；參所述的光波接收装置包含参考光支路光电转换器、收集光的光纤准直器 与传感光支路光电转换器；參所述的放大与A/D转换及数据处理装置包含放大器及A/D转换器和数据处理装置；參由脉冲激光器发出的激光束经P光起偏器产生TM光波，TM光波被TM光波保偏光纤准直器耦合到Y形保偏光纤耦合器中，从Y形保偏光纤耦合器的 传感光支路保偏光纤准直器出来的光，垂直克莱切曼结构中的等腰棱镜左边的 工作面到达其底部，在底部的金属薄膜与待测液体介质界面上，第一次激励SPR 后到达全反射装置，反射光经过全反射装置两次全反射后，再一次垂直克莱切 曼结构中的等腰棱镜右边的工作面到达其底部，并在底部金属薄膜与待测液体 介质界面上第二次激励SPR;两次激励SPR后的反射光，经过收集光的光纤准 直器耦合到达传感光支路光电转换器；从Y形保偏光纤耦合器的参考光支路保 偏光纤准直器出来的光，耦合到达参考光支路光电转换器。经参考光支路光电 转换器与传感光支路光电转换器将光信号转换为电信号后，电信号送入放大器 及A/D转换器，放大并进行模数转换，转换后的数字信号送入数据处理装置进 行数据处理。本专利技术与现有技术相比较，具有突出的实质性特点和显著的效果是减少 了TM光波的能量损耗，可消除背景光的干扰和补偿光源强度不稳定，高效利 用了TM光波，从而提高了灵敏度，并可进行长距离测试。 附图说明图1是一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器的原理示意图； 图2是一束入射光两次激励SPR装置结构示意图； 图3是四种不同浓度液体的光强反射率与入射角度的关系曲线图； 图4是全反射等腰直角棱镜与克莱切曼结构中的等腰棱镜为一体的结构示 意图；图5是全反射等腰直角棱镜与克莱切曼结构中的等腰棱镜用胶粘在一起的 结构示意图6是全反射等腰直角棱镜与克莱切曼结构中的等腰棱镜之间具有一定间 隙的结构示意图7是全反射装置为一对平面反射镜的结构示意图； 图8为数据处理装置控制和数据处理流程图。图中脉冲激光器l、 P光起偏器2、 TM光波保偏光纤准直器3、 Y形保偏光 纤耦合器4、传感光支路保偏光纤准直器5、参考光支路保偏光纤准直器6、参考 光支路光电转换器7、脉冲信号发生器8、放大器及A/D转换器9、传感光支路光 电转换器IO、数据处理装置ll、收集光的光纤准直器12、由等腰棱镜1301、金 属薄膜1302及待测量液体介质1303构成的克莱切曼结构13和全反射装置14。 具体实施例方式以下结合附图说明本专利技术具体实施方法。图1所示，本专利技术一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器，包括由脉 冲激光器1与脉冲信号发生器8构成的激光发射装置、TM光波产生和传输的装 置、激励SPR装置、光波接收装置、放大与A/D转换及数据处理装置，其特征在 于所述的激励SPR装置是一束入射光两次激励SPR装置；所述的一束入射光两 次激励SPR装置由等腰棱镜1301、金属薄膜1302及待测量液体介质1303构成的 克莱切曼结构13和全反射装置14组成；其中參所述的TM光波产生和传输装置包含P光起偏器2、TM光波保偏光纤准 直器3、 Y形保偏光纤耦合器4、传感光支路保偏光纤准直器5与参考光支路保 偏光纤准直器6;鲁所述的TM光波保偏光纤准直器3、传感光支路保偏光纤准直器5、参考光 支路保偏光纤准直器6与Y形保偏光纤耦合器4之间，采用保偏光纤连接器连接; 參所述的光波接收装置包含参考光支路光电转换器7、收集光的光纤准直器12与传感光支路光电转换器10;參所述的放大与A/D转换及数据处理装置包含放大器及A/D转换器9与数据处理装置ll。本专利技术一种棱镜SPR高灵敏度光纤液体折射率传感器的光电信号的传输过 程是由脉冲激光器1发出的激光束经P光起偏器产生TM光波，TM光波被 TM光波保偏光纤准直器3耦合到Y形保偏光纤耦合器4中，从Y形保偏光纤 耦合器的传感光支路保偏光纤准直器5出来的光，垂直克莱切曼结构13的等腰 棱镜左边工作面到达其底部，在底部金属薄膜与待测液体介质界面上，第一次 激励SPR后到达全反射装置14，反射光经过全反射装置两次全反射后，再--次 垂直克莱切曼结构13的等腰棱镜右边工作面到达其底部，并在金属薄膜与待测 液体介质界面本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种棱镜ＳＰＲ高灵敏度光纤液体折射率传感器，包括由脉冲激光器（１）与脉冲信号发生器（８）构成的激光发射装置、ＴＭ光波产生和传输的装置、激励ＳＰＲ装置、光波接收装置、放大与Ａ／Ｄ转换及数据处理装置，其特征在于：所述的激励ＳＰＲ装置是一束入射光两次激励ＳＰＲ装置；所述的一束入射光两次激励ＳＰＲ装置由等腰棱镜（１３０１）、金属薄膜（１３０２）及待测量液体介质（１３０３）构成的克莱切曼结构（１３）与全反射装置（１４）组成；其中： ●所述的ＴＭ光波产生和传输装置包含Ｐ光起偏器（２）、ＴＭ光波保偏光纤准直器（３）、Ｙ形保偏光纤耦合器（４）、传感光支路保偏光纤准直器（５）与参考光支路保偏光纤准直器（６）； ●所述的ＴＭ光波保偏光纤准直器（３）、传感光支路保偏光纤准直器（５）、参考光支路保偏光纤准直器（６）与Ｙ形保偏光纤耦合器（４）之间，采用保偏光纤连接器连接； ●所述的光波接收装置包含参考光支路光电转换器（７）、收集光的光纤准直器（１２）与传感光支路光电转换器１０； ●所述的放大与Ａ／Ｄ转换及数据处理装置包含放大器及Ａ／Ｄ转换器（９）与数据处理装置（１１）； ●由脉冲激光器（１）发出的激光经Ｐ光起偏器产生ＴＭ光波，ＴＭ光波被ＴＭ光波保偏光纤准直器（３）耦合到Ｙ形保偏光纤耦合器（４）中，从Ｙ形保偏光纤耦合器的传感光支路保偏光纤准直器（５）出来的光，垂直克莱切曼结构（１３）中的等腰棱镜（１３０１）左边工作面到达其底部，在底部的金属薄膜与待测液体介质界面上，第一次激励ＳＰＲ后到达全反射装置（１４），反射光经过全反射装置两次全反射后，再一次垂直克莱切曼结构（１３）中的等腰棱镜（１３０１）右边工作面到达其底部，并在底部的金属薄膜与待测液体介质界面上第二次激励ＳＰＲ；两次激励ＳＰＲ后的反射光，经过收集光的光纤准直器（１２）耦合到达传感光支路光电转换器（１０）；从Ｙ形保偏光纤耦合器的参考光支路保偏光纤准直器（６）出来的光，耦合到达参考光支路光电转换器（７）；经参考光支路光电转换器与传感光支路光电转换器将光信号转换为电信号后，电信号送入放大器及Ａ／Ｄ转换器（９），放大并进行模数转换，转换后的数字信号送入数据处理装置（１１）进行数据处理。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张志伟，温廷敦，武志芳，赵耀霞，王颖，谭丰菊，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：14[中国|山西]
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