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        基于TRIZ理論的單模光纖錐角結(jié)構(gòu)SPR微傳感器探討

        2018-05-14 09:06:06魏勇張竟原劉春蘭趙嫦欣
        絲路視野 2018年6期
        關(guān)鍵詞:錐角棱鏡傳感

        魏勇 張竟原 劉春蘭 趙嫦欣

        【摘要】為了解決SPR傳感器中棱鏡型SPR傳感器系統(tǒng)體積龐大、光纖型SPR傳感器穩(wěn)定性不足、靈敏度低的問題,本文利用TRIZ理論中的創(chuàng)新分析方法,設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高的單模光纖錐角結(jié)構(gòu)的SPR傳感器。

        【關(guān)鍵詞】TRIZ理論;創(chuàng)新設(shè)計

        一、市場中SPR傳感器存在的問題

        (1)使用棱鏡式SPR傳感器裝置復雜性較高;(2)使用多模光纖SPR傳感器靈敏度較低;(3)使用單模側(cè)拋型光纖SPR傳感器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足。

        二、使用TRIZ工具解決問題

        對于上述問題,所提出的問題(2),將多模光纖替換為單模光纖,可提高傳感器的靈敏度,故可將問題的重心放在問題(1)與問題(3)?;诖耍覀兝谩疤匦詡鬟f”工具,對問題的具體分析如下。

        一是識別系統(tǒng)的主要功能。單模光纖型SPR傳感器的主要功能是檢測折射率不同的溶液。

        二是分析系統(tǒng)的優(yōu)缺點。系統(tǒng)的優(yōu)點是成本低,結(jié)構(gòu)簡單,即裝置的復雜性低,缺點是存在著加工制作困難,普通單模光纖加工后傳感區(qū)過細,使用時易折斷的問題,即結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較低。

        三是確定競爭系統(tǒng)。可用用來檢測折射率不同的溶液的裝置有:棱鏡式SPR傳感器、多模光纖型SPR傳感器、光柵耦合式SPR傳感器等。

        四是尋找備選系統(tǒng)。我們這里選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高的棱鏡式SPR傳感器,如圖1所示,單模光纖側(cè)拋型SPR傳感器與棱鏡式SPR傳感器的優(yōu)缺點對比如表1所示。

        五是確定基礎(chǔ)系統(tǒng)。由于我們的目標是設(shè)計一種靈敏度較高且結(jié)構(gòu)簡單的光纖型SPR傳感器,故選擇單模光纖側(cè)拋型SPR傳感器作為基礎(chǔ)系統(tǒng)。

        六是識別特性來源工程系統(tǒng)中造成優(yōu)點的特性或組件。光在單模光纖纖芯中傳播時,由于纖芯直徑較小,SPR傳感區(qū)即50nm金膜鍍制在光纖包層外,故需要將包層腐蝕后使纖芯彎曲一定角度,造成光纖易折斷的問題。

        棱鏡式SPR傳感器之所以具有較高的穩(wěn)定性,是因為金膜可鍍制在棱鏡表面,光在以棱鏡介質(zhì)中傳播時,其傳播路徑會經(jīng)過SPR傳感區(qū),不需要對傳播介質(zhì)做相應的調(diào)整,故棱鏡式SPR傳感器具有較高的穩(wěn)定性。

        七是將選定的特性來源工程系統(tǒng)的新特性或組件移入到基礎(chǔ)系統(tǒng)中。我們需要解決的問題是使單模光纖中光的傳播路徑經(jīng)過SPR傳感區(qū),使纖芯能夠與SPR傳感區(qū)接觸,則系統(tǒng)工作時不需要將單模光纖彎曲,從而使新系統(tǒng)同時具有較高的穩(wěn)定性與較低的裝置復雜性。

        三、確定解決方案

        綜合上述分析,我們設(shè)計出一種基于錯芯焊接技術(shù)的單模光纖錐角結(jié)構(gòu)SPR微傳感器,通過在普通單模光纖和多模光纖末端磨制相同角度錐角結(jié)構(gòu),巧妙地將鍍有薄金屬層的Kretchmann棱鏡結(jié)構(gòu)集成在單模光纖末端。其結(jié)構(gòu)牢固穩(wěn)定,靈敏度高。其整體實驗裝置如圖2,單模錐角結(jié)構(gòu)光纖圖如圖3所示。

        參考文獻

        [1]孫永偉,謝爾蓋.伊克萬科.TRIZ打開創(chuàng)新之門的金鑰匙[M].北京:科學出版社,2015.

        [2]孫永偉.特性傳遞[J].TRIZ評論,2016(01):3~7.

        作者簡介:魏勇(1987.06—),男,漢族,內(nèi)蒙包頭人,博士,重慶三峽學院,講師,研究方向:光纖傳感、大學生創(chuàng)新教育;張竟原(1997.05—),男,漢族,重慶人;劉春蘭(1989.03—),女,漢族,四川人,碩士,重慶三峽學院,助理實驗師,研究方向:光纖傳感;趙嫦欣(1991.03—),女,漢族,黑龍江齊齊哈爾,碩士,重慶三峽學院,助理實驗員,研究方向:光纖傳感。

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