CN107860492B - 一种基于spr的光子晶体光纤温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于SPR的光子晶体光纤温度传感器，在传感区域具有一个位于光纤正中的液态芯和在液态芯周围对称分布的金属镀膜通道。液态芯可以与常规单模光纤对接进行远距离探测；采用双金属镀膜通道，并减小纤芯和金属通道之间的空气孔直径，有效的增强传感强度，信噪比更强，传感器共振强度最高可达327dB/cm；在纤芯和两个金属镀膜通道中填充热光系数较高的液体材料，并通过调整液体材料混合配比调整材料的折射率。本发明基于SPR的光子晶体光纤温度传感器温度灵敏度高、信噪比高、结构简单、体积微小，可通过调整SPR强度和谐振波长，在一定范围内满足特定的光源带宽和信号强度需求。

Description

一种基于SPR的光子晶体光纤温度传感器
技术领域
本发明属于智能通信技术领域，具体涉及一种基于SPR的光子晶体光纤温度传感器。
背景技术
近年随着智能通信和无线网络等技术的发展，传感器作为人类五官的延伸，在工业生产和日常生活中都扮演着非常重要的角色。传统的光电传感器由于光的扩散等原因，无法精确控制收光，导致精度很差。而光纤传感器通过光纤有线传输光，提高了光束的聚集程度，检测精度很高；而且光纤传感器测量速度快，信息容量大，抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、适用于各类恶劣环境。此外光纤传感器还具有质量轻、体积小、可弯曲、复用性好、成本低等特点。正是因为光纤传感器有如此多的优点，使其应用领域非常广泛，其一直是近十年来的研究热点。
当电磁波在金属介质中传播时，具有趋肤效应。由于金属薄膜的影响，在某一特定波长下，入射到金属-电介质界面满足特定条件的电磁波将与金属表面自由振动电子与光子耦合形成的表面等离子波(Surface Plasmon Wave，SPW)发生共振耦合，从而导致电磁波能量被强烈吸收。
现有技术中，基于表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)的光子晶体光纤传感器在对温度进行监测时，光纤的组成材料二氧化硅对温度的敏感度较低，所以需要采用其他手段来增强光纤对温度的灵敏度。
同时，一般光纤型SPR温度传感器的适用范围和温度灵敏度并不高，而且现有光子晶体光纤设计大都采用多纤芯和多通道设计，结构复杂，对光子晶体光纤的原有结构改动较大，制作难度大，多纤芯等复杂设计使其与常规单模光纤连接困难且结构复杂度对灵敏度提升不够高等。
发明内容
本发明实施例对现有技术中光纤温度传感器不能迅速、灵敏、精确的对温度进行监测的问题，提出了一种基于SPR的光子晶体光纤温度传感器，通过采用双金属通道和液态芯实现对SPR原理和高热光系数材料的应用，提高对温度监测的灵敏度，具有高温度灵敏度、高信噪比、结构简单、体积微小等特点，同时与常规通信光纤的对接简单易行，应用于水质监测、电力系统温度监测及油井监测等方面。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于SPR的光子晶体光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤温度传感器的传感区域具有一个位于光纤正中的液态芯和在液态芯周围对称分布的金属镀膜通道。
上述方案中，所述液态芯和金属镀膜通道中填充高热光系数材料。
上述方案中，所述高热光系数材料为甘油和乙醇混合液体，其混合比例根据折射率的要求进行配比。
上述方案中，所述甘油和乙醇混合液体的折射率为1.45-1.53。
上述方案中，所述金属镀膜通道为两个，直径为1.6微米，内壁金属镀膜厚度为30-50纳米；所述液态芯直径为1.6微米；金属镀膜通道和液态芯之间具有4个传感区空气孔，直径为0.5-1微米。
上述方案中，所述传感区域外是包层，包层中具有其他空气孔，直径为1微米；所述光纤温度传传感器中所有空气孔间距Λ为2微米。
本发明具有如下有益效果：
本发明实施例所提供的一种基于SPR的光子晶体光纤温度传感器，其单一液态纤芯位于光纤正中位置，可以与常规单模光纤对接进行远距离探测；采用双金属镀膜通道，同时选择性地减小纤芯和金属通道之间的空气孔直径，有效的增强传感强度，与同类型光纤传感器相比，在相同噪声环境条件下的信噪比更强，传感器共振强度最高可达327dB/cm；在纤芯和两个金属镀膜通道中填充热光系数较高的液体材料，保证有高热光系数的同时，使其折射率始终大于二氧化硅基底的折射率，从而不破坏光纤的导光性；由于高热光系数材料的存在，使得其所在区域的折射率随外界环境的温度变化而发生较大的变化，导致表面等离子体共振光谱发生变化，通过观察谐振波长变化来进行高灵敏度温度检测。同时随着填充的混合材料的折射率逐渐增大，传感器共振强度单调递减。可以将本设计作为共振强度-温度传感器，通过监测输入输出功率比也可以实现温度监测。本发明实施例的基于SPR的光子晶体光纤温度传感器温度灵敏度高、信噪比高、结构简单、体积微小，可通过调整SPR强度和谐振波长，在一定范围内满足特定的光源带宽和信号强度需求。
附图说明
图1为本发明实施例的基于SPR的光纤温度传感器截面示意图；
图2为本发明实施例的光纤温度传感器在25℃填充物折射率在1.45-1.53范围内变化时传感器SPR强度和谐振波长的变化曲线图；
图3为本发明实施例的光纤温度传感器当温度在10-50℃范围内变化时对应的共振波长曲线图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明技术问题、技术方案和优点将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
本发明基于表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)技术的光子晶体光纤温度传感器，采用多金属通道、填充高热光系数材料等技术手段增强光纤对温度的灵敏度。通过对本来存在于光纤温度传感器中的空气孔进行镀金属薄膜从而形成SPR现象，同时利用SPR现象对折射率的敏感性，在空气孔及液态芯中填充不同的折射率液体来改变产生SPR现象时的波长条件。基于SPR的光纤温度传感器，通过在光纤的空气孔中填充折射率对温度敏感的高热光系数的材料，实现对温度的测量。当外界温度发生变化时，因为热光效应，填充材料的折射率会发现较大的变化，从而导致表面等离子共振光谱及谐振峰波长发生变化，进而通过检测共振波长的变化来实现对温度的监测。本发明基于SPR的双金属镀膜通道和液态芯的光子晶体光纤温度传感器，可以应用于各种环境温度测量领域中。
本发明基于SPR的光纤温度传感器中，双金属镀膜通道通过化学气相沉积等方法实现镀膜，再填充高热光系数的材料，利用SPR现象和高热光系数材料对温度的敏感，实现基于SPR的高灵敏度光纤温度传感器。
本发明实施例中选择两个大空气孔进行金属镀膜，同时缩小金属通道和纤芯之间的空气孔大小，在保证光纤导光性的同时，增强了传感强度。纤芯位于光纤正中位置也可以很好的与常规单模光纤连接。
本发明利用具有高热光系数的材料和基于SPR的光子晶体光纤传感器，最大限度的保留了光子晶体光纤原有的结构，通过在空气孔内壁镀金属膜和填充高热光系数的材料如甘油、乙醇等，使得传感器具有高的温度灵敏度、高的信噪比、结构简单、体积微小等特点，而且制作工艺可以在原本的光子晶体光纤的制作基础上进行较小的改进，与常规通信光纤的对接使用也十分容易。
下面结合附图通过具体的实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明实施例的基于SPR的光纤温度传感器截面示意图。如图1所示，本实施例的基于SPR的光纤温度传感器，具有双金属镀膜通道和液态芯。本实施例是在直径大于14微米的包含三层呈正六边形排布的空气孔的光子晶体光纤的结构基础上进行设计延伸的。但是本发明其他实施方式并不受这一基础的影响，还可在其他光纤传感器的基础上进行相应的改进。
如图1所示，本实施例的基于SPR的光子晶体光纤温度传感器，单一液态芯位于光纤正中位置，可以与常规单模光纤对接进行远距离探测；传感器中所有空气孔间距Λ为2微米。传感器的传感区域由两个直径d2为1.6微米的金属镀膜通道和直径dc为1.6微米的纤芯组成，其中金属镀膜通道内壁所镀金属厚度为30-50纳米，实现双金属镀膜通道结构。其中，所镀的金属可以为金、银、铜、铝中的一种。本实施例中优选为金。这里的金属镀膜通道和纤芯都是分析物通道，这3个作为分析物通道的空气孔都填充高热光系数材料。
金属镀膜通道和纤芯之间的4个空气孔直径d0为0.5-1微米。选择性减小纤芯和金属镀膜通道之间的4个空气孔直径，可以有效的增强传感强度，与同类型光纤传感器相比，在相同噪声环境条件下的信噪比更强，传感器共振强度最高可达327dB/cm。
传感区域外是包层，包层中其他空气孔直径d1为1微米。
在所述纤芯和金属镀膜通道中填充高热光系数材料，优选的，所填充材料为甘油和乙醇混合液体，保证有高热光系数的同时，使其折射率始终大于二氧化硅基底的折射率，从而不破坏光纤的导光性。由于热光效应的影响，混合材料的折射率会由于外界环境温度变化而变化，导致SPR光谱发生变化，从而通过观察谐振波长变化实现传感器对外界环境的高灵敏度温度监测。不同混合比例的填充材料折射率也不相同，对应的传感器灵敏度也不同。通过调整混合材料的成分比例，调整混合物材料的折射率，使得混合物折射率在1.45-1.53之间变化，从而可以进一步调整SPR强度和谐振波长，在一定范围内满足特定的光源带宽和信号强度需求。
图2为本发明实施例的光纤温度传感器在25℃填充物折射率在1.45-1.53范围内变化时传感器SPR强度和谐振波长的变化曲线图。如图2所示，填充物折射率在1.45-1.495之间时，共振波长随着填充混合物的折射率增加而逐渐红移且波长变化幅度逐渐减小，当混合物折射率大于1.5时，共振波长变化趋势反转，逐渐蓝移且波长变化幅度逐渐增加。同时，折射率越高共振强度越弱。图2表明了在常温25℃时的传感器的工作波长范围，同时对填充材料的折射率有所限制，应该不低于1.45，同时为保证有足够的共振强度应不高于1.53。
图3为本发明实施例的光纤温度传感器当温度在10-50℃范围内变化时对应的共振波长曲线图。如图3所示，填充的乙醇(12％)和甘油(88％)混合材料折射率和金的介电系数随着温度的变化而变化，使得传感器谐振光谱及共振波长发生偏移。在实验预设混合物比例下，参考图3可以根据共振波长值推算温度值。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于SPR的光子晶体光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤温度传感器的传感区域具有一个位于光纤正中的液态芯和在液态芯周围对称分布的金属镀膜通道；所述液态芯和金属镀膜通道中填充高热光系数材料；
金属镀膜通道为两个，直径为1.6微米，内壁金属镀膜厚度为30-50纳米；所述液态芯直径为1.6微米；金属镀膜通道和液态芯之间具有4个传感区空气孔，直径为0.5-1微米；
所述光纤正中的液态芯用于与常规单模光纤对接进行远距离控测；所述液态芯和金属镀膜通道中填充高热光系数材料，具有高热光系数，折射率始终大于二氧化硅基底的折射率，当其所在区域的折射率随外界环境的温度变化而发生变化时，金属镀膜表面的等离子体共振光谱发生变化，通过观察谐振波长的变化来进行高灵敏度温度检测。
2.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述高热光系数材料为甘油和乙醇混合液体，其混合比例根据折射率的要求进行配比。
3.根据权利要求2所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述甘油和乙醇混合液体的折射率为1.45-1.53。
4.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，
所述传感区域外是包层，包层中具有其他空气孔，直径为1微米；
所述光纤温度传传感器中所有空气孔间距为2微米。
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