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用于葡萄糖溶液测量的小型U形弯曲干涉光纤传感器

Yu-Lin Fang, Chen-Tung Wang and Chia-Chin Chiang *

文摘：本研究提出了一种小的U形弯曲光纤干涉传感器，该新型的探针式传感器是由机械装置、热源、光纤和封装模块构成的。该探头式光纤传感器克服了传统光纤修复困难、易受外力影响等缺点。 我们制造了三种不同曲率半径的传感器。具体来说，使用三种半径(1.5毫米、2.0毫米和3.0毫米)的传感器来测量浓度在6%~30%之间(浓度间隔4%)常见的水和葡萄糖的溶液。结果表明，其最大灵敏度为0.85dB/%，线性相关系数为0.925。结果进一步表明，小型U形弯曲干涉光纤传感器不仅在葡萄糖溶液的测量中具有较高的灵敏度， 同时具有很好的稳定性和重复性。

关键词：低声通道模式；光纤传感器；葡萄糖

1.介绍

光纤经常被用于通信[1]和数据传输[2]；然而，近年来光纤技术有了长足的发展，进一步提升了它的价值和扩大它潜在用途。光纤具有多种优点，例如，它重量轻，体积小，高度敏感，高度灵活，抗电磁干扰(EMI)[4]，并可嵌入或贴附到广泛的结构[5]。因此，光纤具有很强的开发和应用潜力。比如，最近几年，大量的光纤传感器不仅用于测量各种物理性能(如温度变化[6]、应变[7]、振动效应[8]等)，而且还可用于测量各种液体浓度的变化[9]。

瑞利[10](英国物理学家)提出了低声通道模式(WGM)理论，他主要研究了声波沿曲线传播的现象。随后，许多学者根据瑞利理论研究了如何在弯曲光纤中传输声波。2010年，Wang等人[11]建议使用WGM折射率指数传感器测量外部介质的折射率。在一个相关的实验中，他们用三根不同曲率的光纤测量了在室温下有不同浓度的七种溶液的折射率。在制造每个传感器时，他们去掉光纤的保护层，将光纤弯曲成一个直径为19mm的环形，然后用胶水确保光纤的形状保持不变。最后将完成的传感器置于实验溶液中进行测量。实验结果表明直径为19.3mm的光纤传感器的折射率灵敏度可达725.76 nm/RIU。

2012年，Mathew等人[12]建议使用弯曲光纤制造用于湿度测量的湿度传感器。他们将光纤封装在传感层中，接着将光纤放置在可移动的平台上，以便通过平台的移动改变光纤的半径。接下来，他们准备了几个湿度不同的测量环境为了观察光纤中的能量变化率。 该系统具有成本低、响应速度快等优点，非常适合作为湿度测量的传感器。2013年，Nishimura和Tanabe[13]提议使用一个由光纤制成的球形室来测量自来水和纯水之间的差异。为了使结果更具体，他们改变了 WGM的折射率和用来吸引纳米粒子的腔内表面，以测量自来水和纯水样品。结果表明，该装置测量水的波长漂移为89 pm，表明该装置在水纯度检测中具有潜在的应用前景。

2013年，Kwon和Steier[14]提出了一种基于微环谐振器的葡萄糖传感器，该传感器由两个不同的微环谐振器组成。作者同时测量了葡萄糖溶液的温度和浓度。2014年，Bhardwaj等人[15]提出了基于电弧熔接器的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的双锥形光纤探针葡萄糖传感器。通过使用强度检测方法，获得了较高的灵敏度。该器件的灵敏度约为376.12 nm/RIU。

2014年，Chao[16]提出了一种U型弯曲光纤葡萄糖溶液浓度传感器。结果表明，当被测葡萄糖溶液浓度从0%增加到50%时，光谱从短波长变化到长波长。当光纤直径为64um，弯曲半径为3.5mm时，最佳葡萄糖溶液浓度灵敏度为0.520 nm/%。

上述研究结果表明，弯曲光纤传感器可以测量溶液折射率的变化。事实上，研究人员已经发现，利用这种设计的传感器在溶液测量中具有良好的灵敏度，包括溶液浓度和水质的测量。本研究利用不同尺寸的U型弯曲干涉光纤传感器对不同浓度的葡萄糖溶液进行了测试。

材料和传感器制造工艺

如图1所示，我们从300mm长单模光纤的中间部分移除60mm光纤保护层。接下来，我们将光纤的两端固定在一个由300mm长的柔性铝板组成的移动平台上。更具体的说，我们把光纤的两端固定在一个张力计上，并设定光纤的直径，以便当它达到7mm时, 张力计达到12 N，接着，我们使用相同的频率加热了光纤的末端。在制造过程中，铝板由于张力所引起的势能释放而弹出，进而使光纤穿过孔，并且假设此孔直径和尺寸我们均已经设计完成。最后，完成了所需的探针型U型光纤元件的研制.

我们用石英玻璃包装制成的探针型U型光纤组件，在毛细管出口处保持被要求拆除光纤所需的距离，然后再使用换向器，接着用透明的强力胶固定管子的出口，形成一个独立的传感器，其中光纤按设计规范固定。该设计的优点在于探针头的进一步固定，减少了人为因素和环境因素的影响。同时，当用于测量给定的液体时，光纤不会开裂。

图1.小型U形弯曲干扰葡萄糖浓度传感器制造工艺原理图。

试验

在用小U型弯曲干涉光纤传感器测量葡萄糖溶液的折射率的实验中，首先将该传感器浸入具有不同折射率的液体中，根据光纤外壳与外部液体折射率差引起的反射过程中的相位变化确定给定折射率与波长的关系。图2显示了我们在葡萄糖溶液浓度折射率实验中使用的小U型弯曲干涉光纤传感器的设备装置。首先，我们用双圆杆将玻璃管贴在高度计上。接着，我们在玻璃管固定器上安装了小U型弯曲诱导干扰葡萄糖浓度传感器。接着，我们将U型弯曲诱导的干扰葡萄糖浓度传感器安装在玻璃管固定器上，其中传感器的一端连接到光谱分析仪(OSA)，传感器的另一端连接到光源。接着，OSA将信号转换为频谱信号，然后在PC显示器上显示频谱信号。

图2.小U形弯曲感应干涉光纤传感器葡萄糖溶液浓度折射率实验的实验装置

对于测量得的葡萄糖溶液，我们准备了几种葡萄糖溶液，浓度范围为6%-30%(浓度间隔4%)。然后将每个溶液依次放置在高度可调的测量台上，接着，根据需要，调整测量高度的玻璃管固定器与烧杯中葡萄糖溶液的液位之间的距离，直到传感器浸入溶液中为止，即满足对该溶液进行折射率测量的要求。

结果与讨论

4.1待测溶液浓度折射率的测定

实验过程可分为两部分，一是用abbe折射计测量葡萄糖折射率，二是用小型U形弯曲干涉浓度传感器(光纤直径和弯曲半径分别为125 m和1.5mm)测量水/葡萄糖溶液。

首先，我们使用abbe折射仪测量每一种葡萄糖的液体折射率，溶液和测量结果显示了浓度和折射率之间的线性关系，如图3所示。此外，灵敏度为0.001 dB/%，线性相关系数R²为0.999，表明实验中使用的溶液可以根据溶液的精度进行识别。

图3.葡萄糖溶液浓度与折射率关系图

4.2水/葡萄糖溶液的浓度测定

首先将弯曲半径为1.5mm的传感器浸入水中，发现其中心波长为1491.75 nm，透射损耗为minus;33.075 dB。接下来，我们测量了浓度为6%~30%的葡萄糖溶液。当葡萄糖溶液浓度为6%时，中心波长为1492.0 nm；当葡萄糖溶液浓度为30%时，中心波长为1492.0 nm，但是波长漂移为1.75nm。可见，在浓度波长位置，长波长向短波长方向移动。就传输损耗而言，当浓度从6%提高到30%，传输损耗从minus;33.509 dB提高到minus;35.827 dB，因此能量损耗有增加的趋势，如图4a所示。

当我们使用弯曲半径为2.0mm的传感器测量溶液时，波长也会随着浓度的增加而移向短波长，特别是波长从1531.25 nm(6%)移到1529.75 nm(30%)。就其本身而言，波长漂移为1.5nm，传输损耗从35.395 dB增加到36.687 dB，如图4b所示。

当我们使用弯曲半径为3.0mm的传感器测量溶液时，随着浓度的增加，波长向长波长移动。具体来说，波长是从1521.5 nm(6%)增加到1521.75 nm(30%)，波长漂移为0.25nm，传输损耗从minus;41.453 dB下降到minus;41.275 dB，如图4c所示。但是，当溶液浓度为14%时，波长为1521.5 nm，透射损耗为minus;39.808 dB。

当我们使用弯曲半径为1.5mm的传感器测量浓度在6%~30%的葡萄糖溶液时，能量传输损耗为minus;33.509 dB。当浓度增加时，葡萄糖溶液浓度为30%时，会达到最大能量损耗35.827 dB，如图5所示，此时能量损耗达2.291 dB。此外，灵敏度为0.085 dB/%，线性度为0.925。具有弯曲半径2.0mm的传感器的结果如图5b所示，能量损耗为1.26dB，灵敏度为0.051 dB/%，线性度为0.991。对于半径为3.0mm的传感器，其传输损耗为2.24dB，灵敏度为0.081 dB/%，其线性度为0.947，如图5c所示。根据上述实验结果，这些传感器对浓度变化非常敏感。

图4.葡萄糖溶液浓度传感谱图(A)弯曲半径D=1.5mm；(B)弯曲半径D=2.0毫米；(C)弯曲半径D=3.0毫米。

图5.葡萄糖溶液浓度与传输损耗关系图

接着，对传感器进行了重复性和稳定性实验。我们用弯曲半径为1.5mm的传感器测量浓度为6%-30%的葡萄糖溶液的三个周期，然后对得到的数据进行标准差分析，结果如图6所示。这种分析发现，传输损耗在一个标准差内，如表1所示。因此，我们可以得出结论，传感器半径为1.5mm、2.0mm和3.0mm的传感器具有良好的重复性，这些传感器可以反复用于测量。

浓度（%）

图6.对得到的数据进行标准差分析结果的图表

表1.使用半径为1.5毫米的传感器，用于测量浓度为6%-30%的葡萄糖溶液的三个周期作为测量用波长和传输损耗标准偏差表

结论

本研究采用小的U型弯曲干涉光纤传感器.所用传感器的弯曲半径分别为1.5mm、2.0mm和3.0mm。此外，传感器封装在石英玻璃管中。我们发现用这种方法制造的传感器具有更大的可存储性，并且它们不会因外界因素而遭受数据失真；此外，这种传感器可以在短时间内以低成本制造。在实验中，我们使用葡萄糖溶液测试传感器。测量结果表明，在两个弯曲半径为1.5mm的传感器条件下，当葡萄糖溶液浓度增加时，波长往往从长波长移到短波长。在传输损耗方面，结果表明，弯曲半径为1.5 mm的传感器的浓度波长和透射损耗是可预测的。此外，传输损耗标准差的结果表明，该传感器具有较高的精度。

研究发现，当用于测定葡萄糖溶液浓度时，直径为1.5mm的小U型弯曲光纤干涉传感器在传输损耗和测量精度获得了最佳的性能。上述实验进一步表明，小的U型弯曲光纤干涉传感器是一种高度灵敏、便捷的葡萄糖浓度传感器。此外，该传感器还具有良好的重复性和稳定性。总之，这种传感器是一种极好的传感器，可以作为实时浓度监测传感器。

参考文献：

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3.Urick, V.J.; Diehl, J.F.; Singley, J.M.; Sunderman, C.E.; Williams, K.J. Long-reach analog photonics for military applications. Opt Photonics News. 2014, 25, 36–43.

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5.Holmes, C.; Gates, J.C.; Smith, P.G. Planarised optical fiber composite using flame hydrolysis deposition demonstrating an integrated FBG anemometer. Opt. Express 2014, 22, 32150–32157.

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7.Long, F.; Zhu, A.; Shi, H. Recent advances in optical biosensors for environmental monit

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