暨南大學(xué)研發(fā)新型光纖傳感器,實現(xiàn)高精度原位表面濁度監(jiān)測
在水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)管控、環(huán)境污染物檢測、電池老化評估及食品加工等領(lǐng)域,液體中懸浮固體顆粒的含量(即濁度)是反映流體質(zhì)量與過程控制的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)濁度檢測技術(shù)如聲學(xué)法、光學(xué)遙感法、熒光法等雖在工業(yè)中應(yīng)用廣泛,但受限于檢測環(huán)境,難以在偏遠(yuǎn)區(qū)域或復(fù)雜場景中穩(wěn)定運行,且易受溫度、氣壓等外界因素干擾。近日,暨南大學(xué)郭團(tuán)教授團(tuán)隊提出的基于傾斜光纖布拉格光柵(TFBG)的原位表面濁度傳感器,為解決該難題提供了創(chuàng)新性方案,相關(guān)成果發(fā)表于《OpticsLetters》期刊。
一.突破傳統(tǒng):從“整體測量”到“表面精準(zhǔn)監(jiān)測”
傳統(tǒng)濁度測量技術(shù)多針對液體整體的渾濁程度,而在諸多實際場景中,如電池電解液與電極界面的顆粒變化、食品加工管道內(nèi)壁的雜質(zhì)附著等,更需要精準(zhǔn)捕捉**表面局部濁度**。郭團(tuán)團(tuán)隊研發(fā)的TFBG傳感器恰好填補了該空白。
該傳感器的核心在于傾斜光纖布拉格光柵獨特的光學(xué)特性。其透射光譜呈現(xiàn)出精細(xì)的窄帶包層共振梳狀結(jié)構(gòu),當(dāng)光纖表面附著微粒時,包層模與微粒會產(chǎn)生局域光散射,導(dǎo)致共振峰振幅發(fā)生衰減。研究表明,這種散射效應(yīng)與顆粒大小存在密切關(guān)聯(lián):當(dāng)顆粒直徑遠(yuǎn)小于入射光波長時,以瑞利散射為主;當(dāng)顆粒尺寸與波長相當(dāng)(約1.5μm)時,米氏散射占主導(dǎo)地位,此時傳感器靈敏度達(dá)到峰值水平。
二.創(chuàng)新方法:光譜面積法提升檢測精度
為實現(xiàn)對濁度變化的量化,團(tuán)隊提出了“光譜面積詢問法”——通過計算傳感器包層模光譜變化的總和,實現(xiàn)對濁度的精確量化。實驗數(shù)據(jù)顯示,該方法能夠建立TFBG光譜特性、濁度與顆粒尺寸之間的明確對應(yīng)關(guān)系,且測量結(jié)果具有優(yōu)異的重復(fù)性,非線性回歸擬合度高達(dá)99.9%。
更值得關(guān)注的是,該傳感器利用芯模對周圍介質(zhì)散射和吸收不敏感、僅對溫度敏感的特性,巧妙實現(xiàn)了**與溫度無關(guān)的濁度測量**,有效規(guī)避了環(huán)境溫度波動對檢測結(jié)果的干擾影響,這一特性使其在工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測中具備顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。
三.實驗驗證:精準(zhǔn)控制確保檢測可靠性
研究團(tuán)隊搭建了包含微流控管、寬帶光源、光譜分析儀的實驗系統(tǒng)平臺,通過優(yōu)化微流控管內(nèi)徑(0.5mm)和蠕動泵轉(zhuǎn)速(35.4rpm),確保濁度溶液實現(xiàn)均勻混合,避免氣泡和顆粒沉淀對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。在對15nm至20μm不同粒徑的二氧化硅懸浮液測試中,傳感器呈現(xiàn)出清晰的響應(yīng)規(guī)律:光譜包絡(luò)面積隨濁度升高而減小,且在顆粒尺寸接近1.5μm入射光波長時,靈敏度達(dá)到最大值。
四.應(yīng)用前景廣闊,助力多領(lǐng)域技術(shù)升級
這種緊湊型光纖傳感器兼具低侵入性、抗電磁干擾、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)勢,可集成于微流控系統(tǒng)中實現(xiàn)原位、連續(xù)監(jiān)測。在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域,可實時監(jiān)測養(yǎng)殖水體表面藻類或殘餌顆粒的變化;在新能源領(lǐng)域,能夠追蹤電池電解液界面的顆粒動態(tài),預(yù)判電池的老化狀態(tài);在食品工業(yè)領(lǐng)域,可精準(zhǔn)管控生產(chǎn)流體內(nèi)壁的雜質(zhì)附著,保障產(chǎn)品的質(zhì)量安全。
該技術(shù)突破了傳統(tǒng)濁度檢測技術(shù)的局限,為復(fù)雜環(huán)境下的表面濁度監(jiān)測提供了全新的技術(shù)范式,有望推動環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域的技術(shù)升級與發(fā)展。
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2025-07-11