CN108981956B

CN108981956B - 黄铜管封装型光纤spr温度传感器

Info

Publication number: CN108981956B
Application number: CN201811029139.3A
Authority: CN
Inventors: 张亚男; 鄂思宇; 赵勇
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2018-09-05
Filing date: 2018-09-05
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2038-09-05
Also published as: CN108981956A

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，公开了一种黄铜管封装型光纤SPR温度传感器，包括氘卤素灯光源、Y型光纤、传感单元、光谱仪和上位机，其中，传感单元通过Y型光纤分别与氘卤素灯光源及光谱仪连接，光谱仪与上位机连接，所述的传感单元由多模光纤和单模光纤级联而成，多模光纤一端与Y型光纤相接，多模光纤另一端与单模光纤同轴熔接，单模光纤外表面及端面全覆盖地镀有金膜，镀有金膜的单模光纤外用黄铜管封装，黄铜管内表面与单模光纤之间用聚二甲基硅氧烷填充，黄铜管两端面以胶封口。不仅制备工艺简单、成本低、结构稳定，而且具有较高的灵敏度。以黄铜管作为封装材料，加快了传感器的反应时间，同时大大加强了传感器的机械强度，便于实际应用。

Description

黄铜管封装型光纤SPR温度传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及黄铜管封装型光纤SPR温度传感器。

背景技术

温度测量在生物医疗、理化分析和环境监测等方面具有重要作用。例如在化学生产中，需要精确控制温度来获得不同温度下的产物；在医学中人体体温的监测也有着重要意义；在输电电路中，电缆过热会导致火灾和大面积停电等事故，因此温度的测量就显得尤为重要[Wu J,Li S,Feng X.Photonic crystal fiber temperature sensor with highsensitivity based on surface plasmon resonance[J].Optical Fiber Technology,2018,43:90-94.]。目前对于温度的测量已经有许多的方法，例如电阻测温，红外测温等电学测温方法，但这些方法有时设备复杂，易受到电磁干扰。而相对于传统的测温方法，光纤温度传感器具有体积小，响应迅速等优点，并且灵敏度高，可以实现远距离测量。目前，针对温度测量已经有许多种不同结构的光纤传感器，其中光纤光栅传感器和马赫-曾德尔干涉传感器是最常见的两种测温传感器，前者是利用光纤光栅的布拉格波长随温度变化而改变的特性来实现测温[Yeh C H,Chow C W,Chen J Y,et al.Utilizing simple FBG-basederbium-doped fiber architecture for remote temperature sensing[J].LaserPhysics,2015,25(10):105102.]，而后者则是根据光的干涉图谱随温度的变化来实现测温[Yu X,Chen X,Bu D,et al.In-fiber modal interferometer for simultaneousmeasurement of refractive index and temperature[J].IEEE Photonics TechnologyLetters,2016,28(2):189-192.]。但是这两种传感器的温度灵敏度较低，通常灵敏度仅达到pm级，而近些年来飞速发展的表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技术在光线传感器上有着较大应用，光纤SPR传感器也被应用在温度测量上，相对于前两种传感器来说，光纤SPR传感器的灵敏度更高，响应更迅速。

光纤SPR传感器是根据表面等离子体共振现象演变而来，SPR是一种物理现象，由入射光波和金属导体表面的自由电子相互作用而产生。当具有相同波矢和频率的倏逝波与表面等离子体波沿相同方向传播时会产生共振，二者的能量耦合，入射光会将部分能量转移给表面等离子体波，导致反射光强度急剧下降，出现共振波谷，也称作谐振谷，此时谷底最低点对应的波长称为谐振波长[Wolfbeis O S.Fiber-optic chemical sensors andbiosensors[J].Analytical chemistry,2008,80(12):4269-4283.]。SPR对于折射率的变化非常敏感，通常将敏感膜材料与光纤SPR传感器相结合来实现生化参数的测量。针对于温度测量，Weng S等人[Weng S,Pei L,Liu C,et al.Double-side polished fiber SPRsensor for simultaneous temperature and refractive index measurement[J].IEEEPhotonics Technology Letters,2016,28(18):1916-1919.]提出了一种双面侧剖的SPR传感器用来实现温度和折射率的同时测量，其温度测量最大灵敏度为0.1371nm/℃，这种SPR传感器灵敏度偏低，而且这种复杂的双面侧剖结构制作难度较大，传感器无法封装，很难用于实际应用。此外Yang X等人[Yang X,Lu Y,Liu B,et al.High sensitivity hollowfiber temperature sensor based on Surface Plasmon Resonance and liquidfilling[J].IEEE Photonics Journal,2018,10(2):1-9.]将空芯光纤与液体填充材料相结合来实现温度测量，但是这种基于空心光纤的传感器制备工艺复杂，传感器机械强度差，而且透射式结构也不能实现远距离测量，同样该传感器也不容易封装。

综上，基于光纤的温度测量传感器目前仍存在灵敏度低，结构复杂，机械强度差、不能远距离测量和难封装保护等问题，而对于光纤SPR温度传感器来说，如何实现对传感器的封装是需要解决的重要问题。最为关键的是，当前对于温度测量的光纤传感器的性能仍没有达到理想的程度。

发明内容

本发明的目的在于克服目前基于光纤的温度测量传感器不足之处，提出一种制备工艺简单、成本低、结构稳定的黄铜管封装型光纤SPR温度传感器。

本发明的具体技术方案为：

黄铜管封装型光纤SPR温度传感器，包括氘卤素灯光源、Y型光纤、传感单元、光谱仪和上位机，其中，传感单元通过Y型光纤分别与氘卤素灯光源及光谱仪连接，光谱仪与上位机连接，所述的传感单元由多模光纤和单模光纤级联而成，多模光纤一端与Y型光纤相接，多模光纤另一端与单模光纤同轴熔接，单模光纤外表面及端面全覆盖地镀有金膜，镀有金膜的单模光纤外用黄铜管封装，黄铜管内表面与单模光纤之间用聚二甲基硅氧烷填充，黄铜管两端面以胶封口。

卤素灯光源发出的光经Y型光纤传输至多模光纤后进入单模光纤中，在金膜上激发出表面等离子体共振。由于金膜外和黄铜管内表面之间填充了聚二甲基硅氧烷，输出光谱将会产生随温度变化而发生移动的谐振谷，最后，经过单模光纤端面反射回来的光信号经由Y型光纤进入光谱仪，并将数据传输至上位机来观察输出图谱的变化；当温度变化时，会改变金膜外聚二甲基硅氧烷的折射率，使谐振谷的谐振波长发生移动，因此，通过谐振谷谐振波长的移动量即可反推出温度。

进一步地，上述黄铜管参数为：黄铜管长15mm，内径0.5mm，黄铜管壁厚0.25mm。光纤可以被铜管完全封装，快速导热，黄铜管导热系数比较高，可以更快速的传递热量，实现温度快速测量，黄铜管管壁厚度0.25mm是最佳厚度，因为管壁太薄，对传感器的保护性差，管壁太厚则影响传热。

进一步地，上述单模光纤长度为10mm，直径为125μm，金膜厚度为40nm。

进一步地，上述传感单元制作流程为：首先配置聚二甲基硅氧烷，随后利用毛细现象将其填入黄铜管内，接下来将镀有金膜的单模光纤全部插入至填入聚二甲基硅氧烷的黄铜管中，最后黄铜管两端用胶封好。

进一步地，上述封装使用的胶为UV胶，先将液态UV胶涂抹在黄铜管两端，然后用紫外灯照射1min完成固化。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1)本发明提出的这种黄铜管封装型光纤SPR温度传感器，继承了传统光纤传感器所具有的本质安全、抗电磁干扰、耐高温高压、耐腐蚀等优点；

2)本发明提出的这种黄铜管封装型光纤SPR温度传感器，不仅制备工艺简单、成本低、结构稳定，而且具有较高的灵敏度。

3)本发明提出的这种黄铜管封装型光纤SPR温度传感器，采用黄铜管作为封装材料，由于黄铜管导热系数高，加快了传感器的反应时间，而且利用黄铜管将传感器进行封装也大大加强了传感器的机械强度，便于实际应用。

附图说明

图1为本发明提供的光纤传感系统结构示意图。

图2为传感器纵向剖面结构示意图。

图3为传感器横向剖面结构示意图。

图4为传感器温度测量光谱曲线。

图5为传感器温度测量灵敏度曲线。

图中：1氘卤素灯光源；2Y型光纤；21胶；22单模光纤；23聚二甲基硅氧烷；24黄铜管；25金膜；26多模光纤；3传感单元；4光谱仪；5上位机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构、原理以及工作过程作进一步的详细说明。

如图1所示为本发明提出的一种用于海水盐度和温度同时测量的反射式光纤传感器。其工作过程为：氘卤素灯光源1发出的光首先经Y型光纤2传输至多模光纤26后进入单模光纤22，然后在单模光纤22端面处反射回来进入Y型光纤2传输至光谱仪4进行光谱移动量的监测。其中，多模光纤26、单模光纤22之间通过熔接机进行熔接，单模光纤22的长度为10mm，并且单模光纤外镀有40nm金膜25，金膜25与黄铜管24之间填充有聚二甲基硅氧烷24，聚二甲基硅氧烷24的制备采用聚二甲基硅氧烷、正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡三种试剂混合制成。其中聚二甲基硅氧烷、正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡的质量比为10:1:0.7。

当光从多模光纤26传输到单模光纤22时，由于多模光纤26的纤芯直径与单模光纤22的纤芯直径差距较大，部分光会耦合进入包层中进行传输，这时在包层中传输的一部分光会泄漏到包层外的金膜25中，发生表面等离子体共振，使输出光谱产生能量损失导致输出光谱在特定波长处产生谐振谷，当外界折射率发生移动时，这个谐振谷的谐振波长会发生移动，进而实现折射率的测量，当金膜25外和黄铜管24之间填充了聚二甲基硅氧烷23后，金膜25外的介质就变为了聚二甲基硅氧烷23，此时输出光谱产生的谐振谷就对应温度的变化。本发明中，如图4所示，当温度发生改变时，会改变聚二甲基硅氧烷23的折射率进而使温度对应的谐振谷的谐振波长λ_T发生移动，因此通过观测谐振波长λ_T的变化量，可以反推出温度的变化。如图5所示，本发明中的传感器温度对应的谐振谷的谐振波长λ_T与温度变化的关系可以表示为：

λ_T＝-1.63T+916.57 (1)

因此，由式(1)可得，通过温度对应谐振谷谐振波长移动量即可反推出温度大小，该发明不仅实现了温度的高灵敏度测量，还将传感器的机械强度大大提升。

Claims

1.黄铜管封装型光纤SPR温度传感器，包括氘卤素灯光源、Y型光纤、传感单元、光谱仪和上位机，其特征在于，其中，传感单元通过Y型光纤分别与氘卤素灯光源及光谱仪连接，光谱仪与上位机连接，所述的传感单元由多模光纤和单模光纤级联而成，多模光纤一端与Y型光纤相接，多模光纤另一端与单模光纤同轴熔接，单模光纤外表面及端面全覆盖地镀有金膜，镀有金膜的单模光纤外用黄铜管封装，黄铜管内表面与单模光纤之间用聚二甲基硅氧烷填充，黄铜管两端面以胶封口；所述传感单元制作流程为：首先配置聚二甲基硅氧烷，随后利用毛细现象将其填入黄铜管内，接下来将镀有金膜的单模光纤全部插入至填入聚二甲基硅氧烷的黄铜管中，最后黄铜管两端用胶封好；封装使用的胶为UV胶，先将液态UV胶涂抹在黄铜管两端，然后用紫外灯照射1min完成固化；黄铜管参数为：黄铜管长15mm，内径0.5mm，黄铜管壁厚0.25mm；单模光纤长度为10mm，直径为125μm，金膜厚度为40nm。