一种光纤光栅pH/温度传感器及制备方法和探测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种传感器，具体涉及一种长周期光纤光栅pH/温度传感器，同时还 涉及该传感器的制备方法和包含该传感器的探测系统。
【背景技术】
[0002] pH值测量和控制在生物化学、环境科学、临床医学、工业和农业生产等领域尤为重 要，比如在农业生产中，许多植物有喜好酸性或碱性土壤的行为，在水产养殖中，水质pH值 对生物生存环境影响重大，在环境应用领域，酸雨检测主要是通过检测溶液的pH值来实现 的。
[0003] 对于pH值的测量，在没有发明pH传感器之前，都是使用手工测量方法实现的。主 要的测量手段有pH试纸、pH指示剂和pH计，大多是依靠现场取样，再进行下一步的检验， 过程复杂，效率较低。这些方法虽然操作简单、成本低，但是都只能定性检测，而且在某些 生产工业上，比如说食品、医疗等，不允许将pH指示剂加入到溶液中，因此具有一定的局限 性。随之，上世纪80年代，随着光纤的特性不断被挖掘，科学家设计了光纤pH值传感器，这 种化学传感器抗电磁干扰，安全性和可靠性高，其传感机理是在光纤内，以pH敏感的化学 物质为敏感部分，利用光波作为换能媒体，组成光纤pH值传感器。
[0004] 光纤pH传感器由于其体积小、响应快、稳定性好和测量精度高，特别适用于生物 医学领域和在线分析，但也存在一定的局限性，即容易受周围光纤干扰、指示剂受光照射后 易分解并产生光漂白现象等。而光纤光栅传感器不但能克服光纤pH传感器的不足，而且由 于调制方式为波长调制的光纤光栅在进行波长调制的时候，不会受到光源功率的干扰或者 光纤形变的干扰而引起系统损耗，这使它具备了高稳定性和可靠性。因此，基于光纤光栅传 感器的pH值测量方法逐渐受到学者们的关注，推进了继光纤pH传感器之后的pH值测量传 感器研究的进程。光纤光栅由于抗电磁性、灵敏性、工艺成熟和成本低廉等优势成为了物理 传感检测领域的主要检测工具。
[0005] 温度是用来表征物体冷热程度的物理量，在工业和科学研究领域中属于较为重 要的参数。其中，环境温度是表示环境冷热程度的物理量，可以具体体现为日温、气候等。气 候变化既是大自然的变化规律，同时也受人类活动的影响，一直以来都是全球变化研究的 核心问题和重要内容。
[0006] 虽然使用温度计进行测量的传统方法的可靠性和安全性高，但是效率和精确度具 有一定的局限性。由此，电学传感器弥补了其不足之处，电学传感器多用于地下温度的测 量，具有成本低、精度高、工艺成熟等特点。电学传感器是使用了光敏电阻、热敏电阻等敏感 元件来实现传感的目的，比如光电、湿度和温度传感器等。
[0007] 然而电学传感器也存在一定的应用难题，如易受到雷雨天气的影响、易受电磁环 境的干扰等。针对这些问题，光纤光栅的防电磁干扰性、防爆性、耐腐蚀等特性使其在许多 工程领域有着其独特的应用价值，这极大地弥补了电学传感器的缺陷。并且，光纤光栅本身 除了有应变特性，也具有温度特性。除非采取温度补偿或者封装结构等方法，其温度特性一 般是存在的。运用光纤光栅进行温度传感不仅简单易行，而且根据材料的不同而改变其响 应灵敏度，具有较大的灵活性，这都是其他温度传感器或者测试仪无法达到的程度。目前， 基于光纤光栅的温度传感器也正是温度传感领域的热点之一，针对其进行的研究进程也在 不断的推进之中。
[0008] 现在关于pH光纤光栅传感器的研究在国内外已取得初步进展，但是都存在明显 的不足，pH值范围也普遍未达到全面覆盖，并且部分研究方案仍处于理论仿真阶段。在实验 方案中，灵敏度较高的方案线性范围很窄，线性范围较大的方案灵敏度很低，难以实用化。 从工艺制作的角度看，实现多层包覆的复杂结构和制备薄膜的工艺难度较高，并且效果也 不显著。目前真正可以实现在被测环境中测量pH的光纤光栅传感器几乎没有或者说性能 较差，同时检测pH和温度的光纤光栅传感器至今也没有实现。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提供一种光纤光栅pH/温度传感器，测量范围宽，可同时检测 多个参数，能够长期在线监测并更易于安置在被测环境中。
[0010] 本发明的另一个目的在于提供一种光纤光栅pH/温度传感器的制备方法。
[0011] 本发明的又一个目的在于提供一种包含光纤光栅pH/温度传感器的探测系统。
[0012] 本发明的第一个目的可以通过以下技术措施来实现：一种光纤光栅pH/温度传感 器，包括一段光纤，在所述光纤的纤芯上间隔设置有用于参考对比的第一长周期光纤光栅 和用于检测的第二长周期光纤光栅，在第二长周期光纤光栅处的光纤外包层部位设有水凝 胶涂覆层；通过水凝胶涂覆层在待监测介质中会随水质的情况发生溶涨，对所包裹的第二 长周期光纤光栅产生轴向应力，从而相应的影响第二长周期光纤光栅中传输光的透射波长 发生变化，根据这些变化对比关系，获得传感数据。
[0013] 作为本发明的进一步优化，所述水凝胶覆层为螺旋状涂覆层。
[0014] 作为本发明的进一步优化，在所述光纤的两端设有防护层。
[0015] 本发明的第二个目的可通过以下技术措施来实现：一种所述光纤光栅pH/温度传 感器的制备方法，先将设置有第二长周期光纤光栅的光纤部位放置于显微镜载玻片上并滴 入敏感型水凝胶，使所述的光纤部位浸泡于水凝胶中；然后使用紫外光源照射载玻片上的 水凝胶，当其逐渐变为乳白色粘稠状时，开始缓缓旋转光纤，持续照射直至溶液完全凝结成 胶状物并包覆在所述的光纤部位上，形成水凝胶涂覆层。
[0016] 更进一步的，先在所述第二长周期光纤光栅的光纤部位的一端滴入敏感型水凝胶 浸泡；然后使用紫外光源照射水凝胶，当其逐渐变为乳白色粘稠状时，将所述光纤旋转5~ 15°后停止旋转，持续照射以使水凝胶充分从液态转化为乳胶态再到晶莹透明胶状；从所 述第二长周期光纤光栅的光纤部位的一端到另一端，依次重复上述步骤，形成不间断螺旋 状的水凝胶涂敷层；持续照射直至溶液完全凝结成胶状物并包覆在光纤上。
[0017] 本发明的第三个目的可通过以下技术措施来实现：一种包含所述光纤光栅pH/温 度传感器的探测系统，其特征在于，包括宽谱光源，光栅解调设备，耦合器和至少两个所述 长周期光纤光栅pH/温度传感器，宽谱光源输出光经耦合器传输到互相连接的各个长周期 光纤光栅pH/温度传感器，传感器的检测信号光再经耦合器回传到光栅解调设备解调后输 出，用于输送到外接水质监测中心显示检测数据。
[0018] 本发明所述各个长周期光纤光栅pH/温度传感器以波分复用的方式在一根光纤 中串联在一起。
[0019] 本发明所述各个长周期光纤光栅pH/温度传感器以空分复用的方式并联在一起。
[0020] 本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
[0021] 1、本发明可实现pH值从0~14的测量（这是目前光纤光栅pH传感器所没有的 测量范围），通过水凝胶材料以及螺旋涂敷工艺，使得该材料在不同pH值都有较大的轴向 应力，