馮 十, 初鳳紅

(上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200135)

傳感器技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中占有十分重要的位置,因此適用于各領(lǐng)域的各類(lèi)型傳感器應(yīng)運(yùn)而生[1]。目前,精巧、智能、靈敏、網(wǎng)絡(luò)化、適應(yīng)性強(qiáng)已成為傳感器的主要發(fā)展方向。自20世紀(jì)70年代以來(lái),光纖通信技術(shù)的成熟促進(jìn)了光纖傳感技術(shù)的發(fā)展,光纖傳感技術(shù)被廣泛研究應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)。光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱(chēng),包括纖芯、包層和保護(hù)層。纖芯的折射率大于包層折射率,保護(hù)層起保護(hù)作用。光纖傳感器以光波為載體、以光纖為媒質(zhì),感知和傳輸外部信息,具有重量輕、體積小、耐腐蝕、易復(fù)用、抗電磁干擾和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),能在易燃、易爆、強(qiáng)電磁干擾、空間受限的惡劣環(huán)境下正常工作,因此成為現(xiàn)代傳感器的先導(dǎo),推動(dòng)著傳感技術(shù)的蓬勃發(fā)展[2-3]。

水凝膠是一種具有親水性基團(tuán)的聚合物,能在水中溶脹形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并保持大量水分。智能水凝膠是一種能夠感應(yīng)外界環(huán)境中濕度、pH值、應(yīng)力、溫度等物理量變化的材料。在感應(yīng)變化時(shí),智能水凝膠體積發(fā)生顯著變化,收縮或溶脹,其特有的固體液體形態(tài)相互轉(zhuǎn)換,使智能水凝膠具有滲透性、溶脹性和機(jī)械性等功能特征,在生物學(xué)、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景[4-7]。文獻(xiàn)[8-9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,pH值變化對(duì)智能水凝膠的刺激作用。DI PALMA P等人[10]研制了對(duì)濕度敏感的智能水凝膠薄膜。

目前,智能水凝膠技術(shù)已經(jīng)成熟,被應(yīng)用于濕度監(jiān)測(cè)、酶固定、藥物釋放、微流體裝置、農(nóng)林治理和生物材料等多個(gè)方面[11-12]。例如:通過(guò)水凝膠光纖傳感測(cè)定血液中的葡萄糖含量,高效省時(shí)[13];高速公路超載檢查中使用水凝膠光纖傳感器,可在短時(shí)間內(nèi)測(cè)出行車(chē)質(zhì)量,方便快捷[14];工業(yè)生產(chǎn)上,可使用水凝膠光纖傳感器監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中物料的pH值、溫度等物理量[15]。

水凝膠光纖傳感器包括強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型、波長(zhǎng)調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型等4種,下面對(duì)水凝膠光纖傳感器研究及應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)。

1 強(qiáng)度調(diào)制型水凝膠光纖傳感器

1.1 原 理

強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感原理:待測(cè)量變化引起光纖中傳輸光光強(qiáng)的變化,通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)量的測(cè)量[16]。強(qiáng)度調(diào)制型傳感器的優(yōu)點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)施,因此已經(jīng)成功應(yīng)用在力、液位、振動(dòng)、位移、表面粗糙度、壓力、加速度等待測(cè)量的測(cè)量。

1.2 強(qiáng)度調(diào)制方式

強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器可分為反射式強(qiáng)度調(diào)制、透射式強(qiáng)度調(diào)制、光模式強(qiáng)度調(diào)制和光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制等類(lèi)型。

反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器中光纖只起傳光作用,即發(fā)送光纖和接收光纖,亦稱(chēng)為輸入光纖和輸出光纖。輸入光纖將光源的光散射向被測(cè)物體的表面,再?gòu)谋粶y(cè)物體的表面反射到另一根輸出光纖中,接收光強(qiáng)大小隨物體表面與光纖距離變化而變化。透射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器利用纖端光場(chǎng)在空間的分布特性,通過(guò)調(diào)制光纖的空間位置和方向或空間折射率來(lái)調(diào)制光強(qiáng),實(shí)現(xiàn)待測(cè)量的檢測(cè)。光模式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器主要指微彎損耗(一種壓力傳感器),當(dāng)光纖之間狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),會(huì)引起光纖中的模式耦合,其中有些導(dǎo)波模變成了輻射模,從而引起損耗。光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器是利用光纖的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制,改變光纖材料成分可對(duì)不同的射線進(jìn)行測(cè)量。

1.3 水凝膠光纖在溶解氧濃度測(cè)量方面的應(yīng)用

廈門(mén)大學(xué)辛玲玲等人[17]通過(guò)有機(jī)改性劑制備新型水凝膠薄膜,并在水凝膠薄膜內(nèi)包埋熒光猝滅指示劑,制作了氧敏感水凝膠光纖傳感器。用制備的氧敏感水凝膠光纖傳感器檢測(cè)溶解氧含量。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用4個(gè)藍(lán)光發(fā)光二極管作為光源,經(jīng)過(guò)蠕動(dòng)泵、反射鏡、干涉濾光片、光電倍增鏡和光度計(jì)等一系列裝置,測(cè)量水中溶解氧的含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該傳感器能檢測(cè)出溶解氧的最低含量為0.2 μg/mL,響應(yīng)結(jié)果的線性范圍是0.5～16 μg/mL,兩者之間的線性相關(guān)系數(shù)為0.996 6。水凝膠傳感膜對(duì)不同溶解氧濃度的熒光強(qiáng)度響應(yīng)曲線如圖1所示。

圖1 水凝膠傳感膜對(duì)不同溶解氧濃度的熒光強(qiáng)度響應(yīng)曲線

由圖1可知,當(dāng)氧氣的濃度增加時(shí),傳感膜的熒光猝滅程度就會(huì)增強(qiáng),因此指示劑的熒光強(qiáng)度降低。

氧濃度的計(jì)算公式如下

(1)

式中:I0,I——無(wú)氧、含氧狀態(tài)下的熒光強(qiáng)度;

KSV——斯特恩-沃爾默系數(shù);

[O2]——氧分子濃度。

1.4 水凝膠光纖在鐵離子濃度檢測(cè)方面的應(yīng)用

中國(guó)海洋大學(xué)張姍姍[18]利用層層組裝的方法制備了鐵離子敏感水凝膠薄膜,鐵離子與薄膜作用后對(duì)光有吸收作用,光纖傳感器輸出的光功率隨鐵離子濃度變化而變化。光功率變化量隨鐵離子濃度變化曲線如圖2所示。

圖2 光功率變化量隨鐵離子濃度變化曲線

由圖2可知,鐵離子的濃度低時(shí),薄膜吸光少,輸出光功率會(huì)增大,鐵離子的濃度增加,輸出光功率就會(huì)逐步減小。當(dāng)鐵離子濃度變化時(shí),光纖傳感器的輸出光功率變化明顯。這表明該薄膜對(duì)鐵離子敏感性較高,并且輸出光功率的強(qiáng)度與鐵離子濃度之間具有線性關(guān)系,構(gòu)筑了光功率變化與鐵離子濃度之間的關(guān)系。但該傳感器在重復(fù)使用問(wèn)題上還需要進(jìn)一步研究。

1.5 水凝膠在濕度檢測(cè)方面的應(yīng)用

華南理工大學(xué)許瀚朗等人[19]取用2 cm長(zhǎng)的光纖作為傳感區(qū),剝除保護(hù)層后,通過(guò)氫氟酸腐蝕去除原有部分包層,剩余的包層作為內(nèi)包層,在其外部涂覆濕敏材料作為外包層,構(gòu)成傳感區(qū)的雙包層結(jié)構(gòu)。用瓊脂糖在去離子水中溶解的方法制成濃度為 5% 的瓊脂糖水凝膠,并將其涂覆在傳感區(qū),制作光纖濕度傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 光纖傳感器輸出光功率在不同溫度下隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化曲線

由圖3可知,隨著被測(cè)氣體濕度的增加,瓊脂糖水凝膠光纖濕度傳感器瓊脂糖涂層中的水含量增加,造成折射率和光場(chǎng)模式耦合損耗減小,因此輸出光功率變大。

2 相位調(diào)制型水凝膠光纖傳感器

2.1 原 理

相位調(diào)制型水凝膠光纖傳感器原理:在被測(cè)量發(fā)生變化時(shí),光波在光纖內(nèi)傳輸?shù)南辔粫?huì)發(fā)生相應(yīng)變化,再通過(guò)干涉測(cè)量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化,從而檢測(cè)出待測(cè)量[20]。

光纖相位調(diào)制比其他調(diào)制方式更簡(jiǎn)單。通過(guò)改變光纖長(zhǎng)度、折射率和內(nèi)部應(yīng)力都會(huì)引起相位變化,例如離子濃度、壓力、溫度等。其特點(diǎn)包括:一是高靈敏度,光纖受到外部應(yīng)力時(shí),折射率、長(zhǎng)度等都會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致相位發(fā)生變化;二是靈活多變,由于光纖本身是傳感器的敏感部分,所以傳感頭可根據(jù)不同環(huán)境而進(jìn)行改變。

2.2 干涉形式

相位調(diào)制型光纖傳感器是通過(guò)測(cè)定相位差來(lái)測(cè)定被測(cè)量。因?yàn)楣獠ㄏ辔坏淖兓荒芡ㄟ^(guò)光電探測(cè)器感知,所以需要通過(guò)干涉技術(shù),把光波相位上的變化轉(zhuǎn)換為干涉條紋的變化或者強(qiáng)度的變化。常用的干涉儀包括法布里-珀羅(F-P)干涉儀、薩格納克干涉儀、馬赫-澤德干涉儀、麥克爾遜干涉儀等。

2.3 基于FP干涉儀的水凝膠葡萄糖濃度傳感系統(tǒng)

文獻(xiàn)[21]根據(jù)Con A和糖的特異結(jié)合性制備葡萄糖水凝膠傳感器。將水凝膠薄膜與F-P干涉儀相結(jié)合檢測(cè)葡萄糖濃度,當(dāng)溶液中的葡萄糖溶度發(fā)生變化時(shí),水凝膠薄膜發(fā)生溶脹或收縮,從而造成干涉條紋的位置發(fā)生變化。不同葡萄糖濃度反射光變化曲線如圖4所示。

圖4 不同葡萄糖濃度反射光變化曲線

根據(jù)觀察到的F-P干涉儀干涉條紋變化情況以及式(2)和式(3),可以推算出水凝膠反射光光程及水凝膠溶脹度,再根據(jù)圖4測(cè)算出葡萄糖濃度。

(2)

(3)

式中:SOPL——水凝膠反射光光程;

ne——水凝膠薄膜折射率;

θ——水凝膠薄膜厚度;

λp,λp+1——兩個(gè)相鄰的光強(qiáng)最大的反射波波長(zhǎng);

SD——水凝膠薄膜溶脹度;

SOPLs——水凝膠干膜反射光光程;

SOPLd——浸入葡萄糖溶液的水凝膠反射光光程。

2.4 基于FP干涉儀的水凝膠光纖濕度傳感系統(tǒng)

重慶大學(xué)朱濤等人[22]采用普通單模光纖、空芯光纖和多模光子晶體光纖制作全光纖F-P干涉濕度傳感器,將吸水性強(qiáng)的水凝膠填充在F-P干涉腔內(nèi),水凝膠吸水后,折射率發(fā)生變化,干涉光的光程差也會(huì)發(fā)生變化,進(jìn)一步測(cè)量出環(huán)境濕度的變化。濕度從38%提高至78%時(shí),F-P的干涉譜如圖5所示。這種新型濕度光纖傳感器在工程領(lǐng)域有著極大的發(fā)展空間。

圖5 不同濕度干涉譜

3 波長(zhǎng)調(diào)制型水凝膠光纖傳感器

3.1 原 理

波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器原理:利用傳感器的光頻譜隨外界被測(cè)量變化而變化的特性,獲取光波的波長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)被測(cè)參數(shù)的測(cè)量[23]。由于光的波長(zhǎng)與顏色有關(guān),波長(zhǎng)變化顏色也隨之變化,所以波長(zhǎng)調(diào)制也叫顏色調(diào)制。

3.2 光纖光柵傳感器

光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)傳感器是一種典型的波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。光纖光柵的傳感原理是:當(dāng)外界參量變化時(shí),中心波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是傳感探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單尺寸小,抗干擾能力強(qiáng),可對(duì)外界參量進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量等。

3.3 FBG水凝膠光纖pH值傳感系統(tǒng)

FBG工作原理是:光柵的中心波長(zhǎng)根據(jù)外界環(huán)境(應(yīng)力、pH值、溫度等)參數(shù)的變化而變化,中心波長(zhǎng)移動(dòng)主要受應(yīng)力影響。暨南大學(xué)梁雄昌等人[24]在FBG上涂覆pH值敏感水凝膠薄膜,pH 值敏感水凝膠膨脹收縮產(chǎn)生的應(yīng)力作用于FBG上,FBG的中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生移動(dòng),通過(guò)檢測(cè)中心波長(zhǎng)的移動(dòng)量來(lái)測(cè)量外界環(huán)境pH值的變化。

FBG反射譜如圖6所示。由圖6可知,隨著pH值增大中心波長(zhǎng)向右漂移;當(dāng)pH值增大時(shí),水凝膠薄膜發(fā)生膨脹,FBG受到的應(yīng)力也增大。

圖6 FBG反射譜

該水凝膠光纖傳感器通過(guò)增大水凝膠涂覆層來(lái)增加傳感器的靈敏性,但當(dāng)涂覆層過(guò)厚時(shí),響應(yīng)時(shí)間會(huì)變長(zhǎng),日后需繼續(xù)研究以加快響應(yīng)時(shí)間。

3.4 FBG水凝膠光纖鹽溶液濃度傳感系統(tǒng)

浙江大學(xué)劉小梅[25]制備了一種對(duì)鹽度敏感的水凝膠薄膜,將水凝膠薄膜固定在剝除包層的纖芯上,并將其放在水中,使智能水凝膠薄膜吸水膨脹。這種智能水凝膠在鹽溶液中因離子濃度差而滲透進(jìn)一些金屬離子并引起收縮,同時(shí)帶動(dòng)FBG收縮。因此,FBG的反射波波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng),通過(guò)光譜儀監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)變化,FBG反射譜如圖7所示。

圖7 FBG反射譜

該傳感器主要利用水凝膠薄膜的溶脹性,通過(guò)改變水凝膠薄膜內(nèi)的參數(shù)配置,還可以測(cè)量其他物理量。

3.5 長(zhǎng)周期光纖光柵水凝膠光纖溫度傳感系統(tǒng)

清華大學(xué)張靜等人[26]利用紫外光引發(fā)聚合制備了溫度敏感性水凝膠,利用浸漬提拉法在包層外包覆一層水凝膠薄膜,得到水凝膠包覆長(zhǎng)周期光纖光柵(LPFG)溫度傳感器。水凝膠薄膜在吸收水分后折射率會(huì)降低,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 LPFG透射譜

由圖8可知,當(dāng)溫度升高時(shí),水凝膠收縮,其含水量減少、折射率增大,諧振的波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。溫度升高到LCST時(shí),水凝膠收縮,其含水量快速減少,薄膜厚度變小。由于厚度減小和折射率增大對(duì)波長(zhǎng)漂移的貢獻(xiàn)是相反的,當(dāng)溫度高于低臨界溶解溫度(Lower Critical Solution Temperature,LCST)時(shí),水凝膠薄膜的厚度減小占主導(dǎo)地位,影響波長(zhǎng)的移動(dòng)方向,因此諧振的波長(zhǎng)會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在研究強(qiáng)度、波長(zhǎng)、相位3種類(lèi)型的水凝膠光纖傳感原理的基礎(chǔ)上,列舉了水凝膠光纖傳感器測(cè)量實(shí)例,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,水凝膠光纖傳感器能精確測(cè)量出外界溶解氧濃度、葡萄糖濃度、pH值變化量。今后水凝膠光纖傳感器應(yīng)朝著多參量測(cè)量方向發(fā)展,如一個(gè)水凝膠光纖傳感器可同時(shí)測(cè)量pH值和葡萄糖濃度,既減少測(cè)量裝置的元件數(shù),又可避免多個(gè)傳感器之間相互影響,但測(cè)量精度還需進(jìn)一步提高。此外,水凝膠光纖傳感器還需加快反應(yīng)時(shí)間,使其能夠在商業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。