用於倏逝波光纖光學傳感器的頭部的製作方法
2023-12-02 03:12:41 4
用於倏逝波光纖光學傳感器的頭部的製作方法
【專利摘要】本發明涉及用於傳感器的頭部（500），其中傳感器包括兩段光纖，該兩段光纖使紅外光在至少一個紅外波長傳播並向外側生成用於檢測外部媒介的紅外特徵的倏逝波，所述頭部（500）包括：形成彎曲部分（15）的光纖，該彎曲部分（15）用於連接兩段光纖，並用於與外部媒介接觸，以檢測與沿光纖傳播的倏逝波的傳播相干擾的紅外特徵；以及用於保護彎曲部分（15）免受外部機械應力並且保證位於外部媒介與所述彎曲部（15）之間的接觸區域（30）的裝置（504、506）。
【專利說明】用於倏逝波光纖光學傳感器的頭部
[0001]本發明涉及用於傳感器的頭部，其中傳感器包括使紅外光能夠在至少一個紅外波長傳播並向外側生成用於檢測外部媒介的紅外特徵的倏逝波的光纖。本發明還涉及具有這種頭部的傳感器以及使用這種傳感器的光譜測定系統。
[0002]在過去幾年中，光纖的發展已使得用於實施具體的紅外光譜測定技術的傳感器得到發展，其獨創性涉及當光纖中具有紅外光流通過時在光纖的外部表面上存在行進的倏逝波。這些傳感器的原理為在光纖中發射紅外波。該紅外波在光纖內沿光纖傳播；當外部媒介與該光纖接觸時，波的傳播被外部媒介幹擾，以使得波的某些波長由外部媒介吸收。然後，這足以比較發射的波的紅外譜與接收的波的紅外譜，以推斷被吸收的波長，以及因此推斷外部媒介中包含的物質。
[0003]在現有技術中，該技術被稱為術語FEWS (英文為Fibre Evanescent WaveSpectrometry (光纖倏逝波光譜測定法))。該技術的優點在於，偏置光譜儀的紅外信號至分析站而不是相反的，首先允許實時現場分析；其次，通過取樣避免歪曲結果。
[0004]FEffS技術可用於的多個領域如醫學或食品，以分析在光纖外部的液態、固態或者氣態媒介中的化學或生物物質。
[0005]圖1示出了通常用於實施FEWS技術的倏逝波光纖光學傳感器10的示例。
[0006]傳感器10包括一個(或甚至更多)倏逝波光纖。下文中，將考慮傳感器10具有一個的傳感器的情況，但這並不是對本發明的範圍進行限制。
[0007]傳感器10具有保護套24、連接件20和頭部22。
[0008]保護套24具有穿過其中的光纖，光纖包括兩段光纖11和12，以及彎曲部分，其中兩段光纖11和12的功能為將紅外波從發射點導引至接收點，彎曲部分15用於連接兩個光纖段11和12。
[0009]彎曲部分15安裝在頭部22上並可成多種形式。例如，其可成彎頭或蜿蜒形式，或成具有一個或多個轉彎的任何卷繞形式。圖1高度示意性示出了彎曲部分15成包括多個轉彎的卷繞形式。
[0010]該彎曲部分15可與兩段11和12在連接件200處斷開。頭部22包括連接件20的一部分，連接件20的該一部分適於插至連接件20的存在於傳感器10的保護套24上另一部分上。然後，在例如在傳感器10的使用過程中該部分受損的情況下，可容易地替換傳感器10的頭部22。
[0011]因此，兩段光纖11和12容納在保護套24中，並且彎曲部分15至少部分地突出超過保護套24。該彎曲部分15旨在與外部媒介接觸，以檢測與沿著光纖傳播的倏逝波的傳播相干擾的紅外特徵。
[0012]可由多種材料尤其是玻璃製造倏逝波光纖，玻璃提供紅外域中的光譜窗，具體是約從AOcnr1延伸至δΟΟΟαι-1的中紅外域、或者約IOcnT1至AOOcnr1的遠紅外域。該倏逝波光纖具有數百或甚至數十微米的直徑。該直徑沿光纖不必是恆定的，並且光纖的某些部分可具有更小的直徑，具體是在彎曲部分15處。
[0013]硫系玻璃(Chalcogenide glass)是用於製造這種光纖的材料中的一種。具體基於硫、硒和/或碲的這些玻璃的一個優點在於，其允許紅外中寬波長範圍的光通過，利用例如傳統的氧化玻璃就不是這樣的情況。此外，材料的玻化性質使其能夠製造光纖。最後，該材料的化學鍵的性質使其具有疏水性，當其在如生物樣本的富含水的媒介中被用作傳感器時這是有利的。
[0014]然而，倏逝波光纖光學傳感器具有使用具有相對小直徑的玻璃纖維的缺點。
[0015]因為傳感器的敏感部分必須與被研究的媒介直接接觸，所以被研究的媒介必須是無遮蔽的並暴露至外部元件。由於所使用材料的相對易碎性以及這些光纖的小直徑，因此使彎曲部分15遭受破壞。然後，當前的解決方法是在損壞的情況下更換彎曲部分15，這涉及到這些傳感器的長期維護成本，而長期維護成本將非常高。
[0016]本發明所解決的問題是提出一種頭部，其增大倏逝波光纖光學傳感器的光纖的彎曲部分15的機械強度。
[0017]為此，本發明提出了一種用於傳感器的頭部，其中傳感器包括兩段光纖，這兩段光纖用於使紅外光在至少一個紅外波長傳播並向外側生成用於檢測外部媒介的紅外特徵的倏逝波，所述頭部包括:
[0018]形成彎曲部分的光纖，所述彎曲部分旨在連接兩段光纖(11、12)並與外部媒介接觸，以檢測與沿光纖傳播的倏逝波的傳播相干擾的紅外特徵；以及
[0019]旨在保護彎曲部分免受外部機械應力並且保證位於外部媒介與彎曲部分之間的接觸區域的裝置。
[0020]根據第一實施方式，當外部媒介為固態時，頭部還包括旨在將力從彎曲部分施加到接觸區域處的外部媒介上的裝置。
[0021]有利地，光纖的彎曲部分包括轉彎，並且用於施加力的裝置為在轉彎中滑動的軸。
[0022]有利地，軸的曲率半徑比轉彎的曲率半徑小10%，並且軸的曲率半徑被設計成防止光纖的任何切變。
[0023]有利地，用於保護彎曲部分的裝置包括U形夾，上述軸被設置成穿過該U形夾。
[0024]根據第二實施方式，當外部媒介為液態時，旨在保護彎曲部分的裝置包括第一板和第二板，彎曲部分位於第一板與第二板之間，第一板包括旨在允許液態外部媒介在板之間的流動的流道。
[0025]有利地，上述第二板包括柱，並且光纖的彎曲部分包括卷繞在柱周圍的轉彎。
[0026]有利地，上述柱定位成面對流道的開口。
[0027]有利地，每個板具有兩個突起，每個突起被設計成與另一板上的突起相對，並且彎曲部分的一個端部容納在每對突起之間。
[0028]根據一種變型，至少一個板包括可被加工以在兩個不同方向上形成支承表面的肋狀件。
[0029]根據另一種變型，每對突起包括可被加工以在兩個不同方向上形成支承表面的肋狀件和面。
[0030]本發明還提出了一種傳感器，其包括:
[0031]-保護套，包圍兩段光纖，這兩段光纖使得紅外光能夠在至少一個紅外波長上傳播並向外側生成用於檢測外部媒介的紅外特徵的倏逝波；
[0032]-根據前面的實施方式的頭部；以及[0033]-連接件，將頭部固定至保護套上。
[0034]本發明還提出了一種光譜測定系統，其包括:根據前面的實施方式的傳感器。
[0035]結合附圖，通過閱讀以下示例性實施方式的描述，本發明的上述特徵以及其他特徵將更清楚顯現，在附圖中:
[0036]圖1示出了倏逝波光纖光學傳感器的示例；
[0037]圖2示意性示出了使用倏逝波光纖的偏移光譜測定系統；
[0038]圖3和圖4示出了根據本發明第一實施方式的用於保護旨在與外部媒介接觸的光纖的彎曲部分的頭部；
[0039]圖5和圖6示出了根據本發明另一實施方式的頭部；
[0040]圖7和圖8示出了根據本發明的用於傳感器的頭部的布置細節；
[0041]圖9和圖10示出了根據本發明的用於傳感器的另一頭部的布置細節。
[0042]圖2的系統旨在實施如引言部分描述的FEWS技術。該系統包括傳感器10，傳感器10包括參照圖1描述的倏逝波光纖。具體地，該傳感器10包括至少一個光纖，該至少一個光纖用於使紅外光在至少一個紅外波長傳播並向外側生成用於檢測外部媒介的紅外特徵的倏逝波。光纖在其長度上包括:用於導引紅外波的`兩段光纖11和12，以及用於連接這兩個光纖段的彎曲部分15。彎曲部分15旨在與外部媒介接觸，以檢測與沿光纖傳播的倏逝波的傳播相干擾的紅外特徵。為此,彎曲部分15例如被浸入在包括待分析液體的樣本的試樣中。
[0043]該系統還包括光譜儀SPEC，其通過集線器與傳感器10的光纖的第一端26連接，以發射紅外波長信號。
[0044]傳感器10的光纖的第二端部28通過集線器與紅外檢測器DET連接，以接收通過光纖段11和光纖段12以及彎曲部分15從第一端部26發射至第二端部28的紅外信號。檢測器DET與放大器AMP連接，放大器AMP用於通過檢測器DET接收的信號。被放大的信號然後被發送至光譜儀SPEC，光譜儀SPEC包括信號處理單元UT (或與信號處理單元UT相關)，信號處理單元UT用於比較在第二端部28處接收到的紅外信號的光譜與在第一端部26處發射的紅外信號的光譜。這種比較使得能夠評估由樣本或更一般地說由位於傳感器10的彎曲部分15上的外部媒介貢獻的幹擾。
[0045]在本發明的背景下，利用如下所述的根據本發明的傳感器100 (也就是說，具有特殊頭部)實施光譜測定系統。
[0046]圖3示出了頭部300的立體圖，以及正視圖、側視圖和俯視圖。頭部300攜帶光纖的彎曲部分15，並包括:用於將力從彎曲部分15施加到接觸區域30處的外部媒介S (在這種情況下外部媒介S為固態，如人體組織)的裝置；以及用於保護光纖的彎曲部分15免受外部機械應力並保證位於外部媒介與光纖的彎曲部分15之間的接觸區域(圖4中的30)的
>j-U ρ?α裝直。
[0047]在圖3的情況下，用於施加力的裝置包括軸302。圖4示出了施加力的原理。當操作者通過保護套24握持傳感器100並通過施加輕微的壓力使光纖的彎曲部分15與外部媒介接觸時，軸302將該力傳遞至光纖的彎曲部分15，這裡由豎直箭頭來表示。光纖的該彎曲部分15然後在軸302與媒介S之間受壓力作用，因此增大了通過媒介S的物質對在光纖中循環的流動的某些波長的吸收，倏逝波區域位於光纖外側數微米的周邊中。[0048]可存在除軸302以外的機械組件，只要這些裝置能夠將由操作者作用的力傳遞至光纖的彎曲部分15，然後使光纖的彎曲部分15與外部媒介S接觸。
[0049]根據具體的實施方式，光纖的彎曲部分15包括轉彎，以及軸302在該轉彎內滑動。光纖的彎曲部分15在轉彎中的卷繞增大了光纖與外部媒介接觸的表面積。
[0050]優選地，軸302的曲率半徑Rl比轉彎的半徑R2小10%，並且軸302的曲率半徑Rl被設計成防止光纖的任何切變。
[0051]因為其免除了差異膨脹的問題，所以該實施方式是有利的。
[0052]根據圖3，用於保護光纖的彎曲部分15的裝置為具有貫穿軸302的U形夾304。軸302延伸通過U形夾304並在轉彎內滑動。顯然也可使用其他形式的具有貫穿軸的U形夾。U形夾304還可包括連接件20的一部分。而該連接件20的其他部分被固定至例如套24，光纖段11和12容納在套24中。
[0053]U形夾304因此形成用於傳感器100的頭部22，並且該U形夾304能夠可移除地與套24連接，以使得在發生故障的情況下替換傳感器100的該頭部22。
[0054]圖5不出了根據本發明的頭部500的正視圖、俯視圖和側視圖，圖6不出了頭部500在外部媒介(在這種情況下外部媒介為液態)的流動中的使用原理。
[0055]因為與當光纖被浸泡在媒介中時通常的浸潰相比，外部媒介在光纖的彎曲部分15上方的流動提供了光纖與該媒介的物質更好的浸潰，所以該實施方式是特別有利的。
[0056]傳感器100的頭部500包括用於提供光纖的彎曲部分15與外部媒介的流動的接觸的裝置。
[0057]光纖的彎曲部分15包括卷繞在頭部500的柱502周圍的轉彎，其中柱502相對於液體的流動保持在固定位置。光纖的彎曲部分15在轉彎中的卷繞增加了光纖與外部媒介接觸的表面積。
[0058]優選地，柱502的曲率半徑Rl比轉彎的半徑R2小10%，並且柱502的該曲率半徑Rl被設計成防止光纖的任何切變。
[0059]因為其免除了差異膨脹的問題，所以該實施方式是有利的。
[0060]頭部500包括用於保護光纖的彎曲部分15免受外部機械應力並保證位於外部媒介與光纖的彎曲部分15之間的接觸區域30的裝置。
[0061]用於保護光纖的彎曲部分15的裝置此處由兩個板504和506表不。板504包括使液體能夠在兩個板504與506之間流動(兩個弧形箭頭表示該流動)的流道508 ;另一個板506包括柱502。兩個板504和506相對於彼此被保持就位，以使得柱502定位成面對流道508的開口。
[0062]除本文中示出的形式外，板504和506可具有其他形式。
[0063]板504和506還可包括連接件20的一部分。該連接件的另一部分被固定至保護套24。因此，這些板504和506形成可移動的傳感器100的頭部500。
[0064]本文通過示例的方式，給出了用於保護旨在與外部媒介接觸的光纖的彎曲部分的裝置的實施方式，這些實施方式絕不是以任何方式對限制本發明的範圍進行限制。可設想這些裝置的任何其他變型實施方式，而且可設想任何其他機械組件，只要這些機械組件保護光纖的該彎曲部分免受外部機械應力並且保證位於外部媒介與光纖的上述彎曲部分之間的接觸區域。具體地，當外部媒介為氣態時，可由出現在該彎曲的光纖部分上的穿孔的管表示這些裝置。
[0065]圖7和圖8示出了當被定位成與連接件20和保護套24成線以形成根據本發明的傳感器100時的頭部500。並未示出用於固定頭部500的裝置，並且其可以採用任何合適的形式。在本實施方式中，彎曲部分15的端部設置在頭部500的同一面上。
[0066]圖9和圖10示出了當被定位成與連接件20和保護套24成線以形成根據本發明的傳感器100時的根據另一實施方式的頭部900。並未示出用於固定頭部500的裝置，並且其可採用任何合適的形式。頭部900還具有流道508和柱502，但是彎曲部分15的端部在直徑方向上相反。
[0067]彎曲部分15的每個端部被容納在包括兩個突起的鞋狀件702、902中，每個突起從板504和板506之一突起。彎曲部分15的端部因此位於兩個突起之間，每個突起從板504和板506之一突起。每個板504、506具有兩個突起，每個突起被設計成與另一板506、504上的突起相對，彎曲部分15的一個端部容納在每對突起之間。
[0068]每個鞋狀件702、902的面能夠被加工，以產生良好的接觸表面並在與對應段11、12的連結部分產生良好的紅外光傳播，其中通過每個鞋狀件702、902的該面能夠接近彎曲部分15的端部。
[0069]在圖7和圖8的情況下，通過產生在板504個506的外部表面上的兩個肋狀件704保證彎曲部分15的端部相對於段11和12的端部的正確定位。肋狀件704抵靠連接件20的壁並可被加工成改進定位。因此，沒有必要加工每個板504、506的整個表面，而僅加工相關的肋狀件704。
[0070]在圖7和圖8中示出的本發明的實施方式中，每個板504、506具有兩個肋狀件704，但是如果僅一個板(此處為板506)待用於實現相對於連接件20的定位，則僅該板506攜帶肋狀件704。
[0071]還通過橫向肋狀件706提供彎曲部分15的端部相對於段11和12的端部的正確定位，橫向肋狀件706這裡通過兩個板504和506的連結部分產生並還可加工成與連接件20的另一壁相接觸。
[0072]概括地講，至少一個板504、506包括肋狀件704和706，其可加工成在兩個不同方向上形成支承表面，以相對於段11和12的端部合適地定位彎曲部分15的端部。
[0073]肋狀件704、706具有比板504、506的表面小的支承表面，其中肋狀件704、706從板504、506突起。
[0074]在圖9和圖10的情況下，通過兩個肋狀件904提供彎曲部分15的端部相對於段11和12的端部的正確定位。每個肋狀件904產生在每個鞋狀件902的面上，並且這兩個面是共面的。肋狀件904抵靠連接件20的壁並可加工成改進定位。
[0075]還通過兩個面906提供彎曲部分15的端部相對於段11和12的端部的正確定位。每個面906產生在每個鞋狀件902的面上，並且這裡這兩個面是共面的且與攜帶肋狀件904的面垂直。每個面906還可加工成與連接件20的另一壁相接觸。
[0076]概括地講，每個鞋狀件902 (也就是說，每對突起)包括肋狀件904和面906，肋狀件904和面906可加工成在兩個不同方向上形成支承表面，以相對於段11和12的端部合適地定位彎曲部分15的端部。
[0077]肋狀件904和面906具有比板504、506的表面小的支承表面。
【權利要求】
1.一種用於傳感器(100)的頭部(300、500、900)，其中所述傳感器(100)包括兩段光纖(11、12)，所述兩段光纖(11、12)用於使紅外光在至少一個紅外波長傳播並向外側生成用於檢測外部媒介的紅外特徵的倏逝波，所述頭部(300、500、900)包括: -形成彎曲部分(15)的光纖，所述彎曲部分(15)旨在連接所述兩段光纖(11、12)並與所述外部媒介接觸，以檢測與沿所述光纖傳播的所述倏逝波的傳播相干擾的所述紅外特徵；以及 -旨在保護所述彎曲部分(15)免受外部機械應力並保證位於所述外部媒介與所述彎曲部分(15)之間的接觸區域(30)的裝置(304、504、506)。
2.根據權利要求1所述的頭部(300)，其特徵在於，當所述外部媒介為固態時，所述頭部(300)還包括:旨在將力從所述彎曲部分(15)施加在所述接觸區域(30)處的所述外部媒介上的裝置(302)。
3.根據權利要求2所述的頭部(300)，其特徵在於， 所述光纖的所述彎曲部分(15)包括轉彎，以及 用於施加力的所述裝置為滑動到所述轉彎中的軸(302)。
4.根據權利要求3所述的頭部(300)，其特徵在於，所述軸(302)的曲率半徑(Rl)比所述轉彎的曲率半徑(R2)小10%，並且所述軸(302)的所述曲率半徑(Rl)被設計成防止所述光纖的任何切變。
5.根據權利要求3或4所述的頭部(300)，其特徵在於，用於保護所述彎曲部分(15)的所述裝置包括U形夾(304 )，所述軸(302 )被設置成穿過所述U形夾(304 )。
6.根據權利要求1所述的頭部(500、900)，其特徵在於，當所述外部媒介為液態時，旨在保護所述彎曲部分(15)的所述裝置(504、506)包括第一板(504)和第二板(506)，所述彎曲部分(15)位於所述第一板(504)與所述第二板(506)之間，所述第一板(504)包括旨在允許液態外部媒介在所述板(504、506 )之間的流動的流道(508 )。
7.根據權利要求6所述的頭部(500、900)，其特徵在於， 所述第二板(506)包括柱(502)，以及 所述光纖的所述彎曲部分(15 )包括卷繞在所述柱(502 )周圍的轉彎。
8.根據權利要求7所述的頭部(500、900)，其特徵在於，所述柱(502)被定位成面對所述流道(508)的開口。
9.根據權利要求6至8中任一項所述的頭部(500、900)，其特徵在於，每個所述板(504、506)具有兩個突起，每個所述突起被設計成與位於這兩個板中的另一個板(506、504)上的突起相對，以及所述彎曲部分(15)的一個端部被容納在每對所述突起之間。
10.根據權利要求6至8中任一項所述的頭部(500)，其特徵在於，至少一個所述板(504、506 )包括可被加工以在兩個不同方向上形成支承表面的多個肋狀件(704、706 )。
11.根據權利要求6至 9中任一項所述的頭部(900)，其特徵在於，每對所述突起包括肋狀件(904)和面(906)，所述肋狀件(904)和所述面(906)可被加工，以在兩個不同方向上形成支承表面。
12.—種傳感器(100),包括: -保護套(24)，包圍兩段光纖(11、12)，所述兩段光纖(11、12)用於使紅外光在至少一個紅外波長傳播並向外側生成用於檢測外部媒介的紅外特徵的倏逝波；-根據權利要求1至11中任一項的頭部(300、500、900);以及 -連接件(20)，將所述頭部(300、500、900)固定在所述保護套(24)上。
13.—種光譜測定系統，其特徵在於，所述光譜測定系統包括根據權利要求12的傳感 器(100)。
【文檔編號】G01N21/3577GK103827643SQ201280041972
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年6月12日 優先權日:2011年7月29日
【發明者】于格·塔裡埃爾 申請人:迪亞菲爾公司