CN106017724B - 一种液体填充的d型空芯双包层光纤spr温度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种双包层SPR温度传感器，涉及一种液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器，属于光通信以及光纤器件领域，是对基于SPR的光纤型温度传感器的拓展，其原理简单、灵敏度高、结构小、质量轻，在制作工艺上相对简单、灵活以及成本较低，适用于对各种环境的温度检测。基于液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器是在特制的D型空芯双包层光纤的D型空芯区域(3)内壁镀膜上金属薄膜(4)，并且填充了高热光系数的液体材料。利用填充的液体材料的热光效应，当外界温度变化时，其折射率会发生较大的变化，导致相应的SPR损耗谱发生较大的移动和变化，从而实现高灵敏度温度测量的目的。

Description

一种液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器
技术领域
本发明涉及一种液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器，属于光通信以及光纤器件领域，是对基于SPR的光纤型温度传感器的拓展，其结构小、原理简单、灵敏度高，适用于对各种环境的温度检测。
背景技术
从利用光纤光栅进行温度传感到光纤F-P腔温度传感器，目前为止，基于光纤的温度传感器层出不穷。由于表面等离子体谐振(Surface Plasmon Resonance,SPR)对外界的敏感，基于SPR的温度传感器也出现在了传感器研究日程上。SPR是一种出现在金属薄膜和介质交界处，通过光纤纤芯模和金属表面等离子体极化(SPP)模的耦合来实现的电磁现象，它一般会在某一特定的波长或是入射角处实现光纤纤芯模和SPP模的相位匹配，从而产生谐振耦合。基于SPR的光纤传感器，根据采用的光纤基底的不同可以分为普通单模光纤SPR传感器，多模光纤SPR传感器，双芯光纤SPR传感器以及光子晶体光纤传感器。其中，对于光子晶体光纤来说，因其结构存在多个空气孔并可填充不同的介质在其空气孔中的特点，常常通过填充具有高热光系数的材料来制作基于光子晶体光纤的SPR温度传感器。基于光子晶体光纤的光纤型SPR温度传感器可根据所填充的材料的不同而具备不同的温度灵敏度，但其同普通光纤的连接上存在较大的问题，而且制作工艺较为复杂。对于某一确定的液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器，当将其谐振波长的入射光入射进入镀膜金属并填充高热光系数材料的D型空芯双包层光纤时，由光纤纤芯模和SPP模谐振耦合可产生一个吸收损耗峰。另外，因为填充的液体是某种高热光系数材料，如甘油，甲苯等，故当外界温度变化时，其折射率会由于热光效应而发生较大变化，从而导致谐振耦合吸收损耗峰的峰值以及谐振波长发生变化，达到对温度检测的目的。
基于光纤的SPR传感器，是一种新型的光纤传感器，常常应用在水质监测、食品卫生以及超薄生化检测上，但因其对温度的灵敏度较低，一般采用一些手段来增强光纤SPR温度传感器的灵敏度，如对D型光纤研磨更深、填充高热光系数材料等。基于D型空芯双包层光纤的SPR温度传感器是一种新型的、高灵敏度、高精度的光纤传感器，它可应用于各种环境温度测量的领域中。D型空芯双包层光纤可通过对光纤预制棒的切面、套棒以及拉丝等成熟的制作工艺较为简单的制作得到。又通过镀膜金属薄膜和填充高热光系数的液体材料，利用SPR效应和液体材料热光效应能够实现基于SPR的高灵敏度的光纤温度传感器。对预制棒的D型切面可以使得光纤纤芯模更多的泄露到包层中成为消逝场，从而增大了SPR的损耗峰，缩小了光纤传感器的传感区域长度；对光纤纤芯的完整保留确保了其同普通光纤的连接方便、快捷、简单；而对D型光纤预制棒的套玻璃棒处理可提供液体材料的填充空间。由于SPR效应只吸收损耗电场垂直于镀膜金属面的偏振模式，故此种结构的光纤温度传感器是一种单偏振的光器件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:
目前，普通的光纤型SPR温度传感器一般温度灵敏度不高，故常填充高热光系数的液体材料在光子晶体光纤的空气孔中来增强其温度灵敏度，但此种类型的光纤SPR温度传感器制作工艺相对复杂、和普通光纤的连接存在困难以及部分基于此结构的温度传感器灵敏度提高不明显。利用具有高热光系数的液体材料和基于D型空芯双包层光纤的SPR效应，可实现具有更高温度灵敏度、短传感区域、与普通光纤连接方便快捷简单、制作工艺较为简单的SPR温度传感器。
本发明的技术方案：
一种液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器包括长度为0.25到1厘米的D型空芯双包层光纤是光的传输载体以及温度传感区域，主要包括光纤纤芯1-1、内包层1-2以及外包层1-3，其中，D型空芯区域3和光纤纤芯1-1的间距2很小。在D型空芯区域3内壁镀膜上金属薄膜4，并且填充了高热光系数的液体材料。D型空芯双包层光纤是一种按要求制作的双包层光纤，其光纤纤芯1-1半径为5微米，内包层1-2半径为25微米，外包层1-3半径为62.5微米；各层折射率为高-低-更低的阶跃型分布。因为D型空芯区域3内填充了高热光系数的液体材料，根据热光效应，当外界温度变化时，其折射率会发生较大的变化，导致相应的SPR损耗谱发生较大的移动和变化，从而实现高灵敏度温度测量的目的。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：
本发明利用D型空芯双包层光纤并结合光纤型SPR效应，制作了具有高灵敏度的温度传感器，可应用于各种需要温度测量的场合中。本发明所基于的光纤结构可通过对光纤预制棒的切面、套棒以及拉丝等工艺得到，相较于常用于填充介质制作温度SPR传感器的光子晶体光纤来说，其制作更简单、成本费用较低且同普通光纤连接更方便、简单；相较于基于光纤光栅等其他原理结构的温度传感器来说，其温度灵敏度更高，体积更小，更有利于器件的集成化发展。
附图说明
图1为一种液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对此发明进一步描述。
实施方式一
一种液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器包括长度为1厘米的D型空芯双包层光纤是光的传输载体以及温度传感区域，主要包括光纤纤芯1-1、内包层1-2以及外包层1-3，其中，D型空芯区域3和光纤纤芯1-1的间距2为5.5微米。在D型空芯区域3内壁镀膜上金属薄膜4，并且填充了高热光系数的液体材料。D型空芯双包层光纤是一种按要求制作的双包层光纤，其光纤纤芯1-1半径为5微米，内包层1-2半径为25微米，外包层1-3半径为62.5微米；各层折射率为高-低-更低的阶跃型分布。因为D型空芯区域3内填充了高热光系数的液体材料，根据热光效应，当外界温度变化时，其折射率会发生较大的变化，导致相应的SPR损耗谱发生较大的移动和变化，从而实现高灵敏度温度测量的目的。
实施方式二
一种液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器包括长度为0.75厘米的D型空芯双包层光纤是光的传输载体以及温度传感区域，主要包括光纤纤芯1-1、内包层1-2以及外包层1-3，其中，D型空芯区域3和光纤纤芯1-1的间距2为5.5微米。在D型空芯区域3内壁镀膜上金属薄膜4，并且填充了高热光系数的液体材料。D型空芯双包层光纤是一种按要求制作的双包层光纤，其光纤纤芯1-1半径为5微米，内包层1-2半径为25微米，外包层1-3半径为62.5微米；各层折射率为高-低-更低的阶跃型分布。因为D型空芯区域3内填充了高热光系数的液体材料，根据热光效应，当外界温度变化时，其折射率会发生较大的变化，导致相应的SPR损耗谱发生较大的移动和变化，从而实现高灵敏度温度测量的目的。
实施方式三
一种液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器包括长度为0.5厘米的D型空芯双包层光纤是光的传输载体以及温度传感区域，主要包括光纤纤芯1-1、内包层1-2以及外包层1-3，其中，D型空芯区域3和光纤纤芯1-1的间距2为5.25微米。在D型空芯区域3内壁镀膜上金属薄膜4，并且填充了高热光系数的液体材料。D型空芯双包层光纤是一种按要求制作的双包层光纤，其光纤纤芯1-1半径为5微米，内包层1-2半径为25微米，外包层1-3半径为62.5微米各层折射率为高-低-更低的阶跃型分布。因为D型空芯区域3内填充了高热光系数的液体材料，根据热光效应，当外界温度变化时，其折射率会发生较大的变化，导致相应的SPR损耗谱发生较大的移动和变化，从而实现高灵敏度温度测量的目的。
实施方式四
一种液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器包括长度为0.25厘米的D型空芯双包层光纤是光的传输载体以及温度传感区域，主要包括光纤纤芯1-1、内包层1-2以及外包层1-3，其中，D型空芯区域3和光纤纤芯1-1的间距2为5微米。在D型空芯区域3内壁镀膜上金属薄膜4，并且填充了高热光系数的液体材料。D型空芯双包层光纤是一种按要求制作的双包层光纤，其光纤纤芯1-1半径为5微米，内包层1-2半径为25微米，外包层1-3半径为62.5微米各层折射率为高-低-更低的阶跃型分布。因为D型空芯区域3内填充了高热光系数的液体材料，根据热光效应，当外界温度变化时，其折射率会发生较大的变化，导致相应的SPR损耗谱发生较大的移动和变化，从而实现高灵敏度温度测量的目的。

Claims (4)

1.一种液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器，其特征在于：一种液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器包括长度为0.25到1厘米的D型空芯双包层光纤是光的传输载体以及温度传感区域，主要包括光纤纤芯(1-1)、内包层(1-2)以及外包层(1-3)，其中，D型空芯区域(3)和光纤纤芯(1-1)的间距(2)很小，在D型空芯区域(3)内壁镀膜上金属薄膜(4)，并且填充了高热光系数的液体材料，D型空芯双包层光纤是一种按要求制作的双包层光纤，其光纤纤芯(1-1)半径为5微米，内包层(1-2)半径为25微米，外包层(1-3)半径为62.5微米；各层折射率为高-低-更低的阶跃型分布，因为D型空芯区域(3)内填充了高热光系数的液体材料，根据热光效应，当外界温度变化时，其折射率会发生较大的变化，导致相应的SPR损耗谱发生较大的移动和变化，从而实现高灵敏度温度测量的目的。
2.根据权利要求1所述的一种液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器，其特征在于：
所述的液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器中的光纤部分是D型空芯的双包层光纤。
3.根据权利要求1所述的一种液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器，其特征在于：
所述的液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器中镀膜的材料为金属金。
4.根据权利要求1所述的一种液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器，其特征在于：
所述的液体填充的D型空芯双包层光纤SPR温度传感器中D型空芯部分填充的液体材料为高热光系数材料，包含甘油、乙醇、甲苯、甘油与乙醇、甘油与甲苯、水与乙醇其中之一。
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