CN109029778B - 一种基于表面等离子体共振的温度测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电检测技术领域，涉及一种基于表面等离子体共振的温度测量装置及方法。该装置包括光源、光纤传感器、光谱仪、隔离器、环形器、单模光纤，所述的光纤传感器为基于表面等离子体共振及应变补偿的光纤温度传感器，该传感光纤为实心的光子晶体光纤，由纤芯向外的第二层六边形介质孔层的相对边中心位置的两个介质孔内壁分别镀有产生表面等离子体共振的金属薄膜，镀有金属薄膜的一个介质孔及同层相邻的两个介质孔中填充介质A，介质A未填充的所有介质孔中填充介质B，当环境温度发生变化时，金属薄膜A和B的共振波长变化不一致，求得应变值，进而消除应变影响求得温度值。解决了温度传感中应变对测量结果准确性的影响问题。

Description

一种基于表面等离子体共振的温度测量装置及方法
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，涉及一种基于表面等离子体共振的温度测量装置及方法。
背景技术
在石油化工、钢铁、核电等工业领域的诸多生产环节中，对温度量值的准确测量不仅关系生产质量，更关系到生产的安全。由于在防爆要求较高、电磁干扰较强和强腐蚀环境中电子式温度传感设备无法使用，而光纤设备具有本征安全、抗电磁干扰、抗强腐蚀的特点，因此光纤温度传感技术成为温度传感的重要方向之一。目前光纤温度传感方法主要利用光纤光栅、光纤谐振腔作为传感器测量被测环境的温度。但是由于光纤光栅和光纤谐振腔对应力也敏感，因此在测量温度的同时，测量结果会受到应力的影响。此外，光纤光栅和光纤谐振腔的温度灵敏度不够高，例如，光纤光栅的温度灵敏度为0.01nm/℃，而目前通用的光谱仪的光波长分辨力只有0.02nm，因此无法实现高精度的温度测量。
表面等离子体共振现象是一种非线性光学现象，当满足一定条件的光透过光介质照射到金属表面时，会将光能传递给电子，形成等离子体，这一现象为表面等离子体共振，产生表面等离子体共振最强烈时所对应的光波长即为表面等离子体共振波长。由于表面等离子体共振波长对光介质折射率有较高的灵敏度，同时利用光子晶体光纤的结构特点，光纤表面等离子体技术广泛应用于高灵敏度介质折射率测量，进一步，利用介质的折射率与介质温度间的关系实现温度测量。由于光子晶体光纤和金属的几何尺寸和结构同样会影响共振波长，因此当光纤传感器收到应力影响产生应变时，会使温度的测量结果产生偏差。但是目前的基于表面等离子体共振技术的光纤传感器无法消除应变对测量结果的影响。
发明内容
为了克服现有技术的不足，通过能够同时测量应变和温度的基于表面等离子体共振的光纤传感器，实现不受应变影响且具有高灵敏度的光纤温度测量装置及方法。可以在测量装置中产生两个不同的表面等离子体共振现象，利用两个表面等离子体共振现象的共振波长随温度和应变移动的特点解算出应变值，并进而计算出应变补偿后的温度值。
本发明的具体技术方案为：
一种基于表面等离子体共振的温度测量装置，包括光源、光纤传感器、光谱仪、隔离器、环形器、单模光纤；所述的光源为宽谱光源，光谱范围覆盖光纤传感器工作波长范围；光谱仪的工作波长范围覆盖光纤传感器工作波长范围；光源通过单模光纤与隔离器相连，隔离器只允许光信号单向传输；环形器通过单模光纤分别与隔离器、光纤传感器和光谱仪相连，其中从单模光纤AB入射环形器的光从单模光纤AC输出，从单模光纤AC入射环形器的光从单模光纤AD输出；所述的光纤传感器为基于表面等离子体共振及应变补偿的光纤温度传感器，其主要结构为传感光纤，该传感光纤为实心的光子晶体光纤，光子晶体光纤的介质孔以纤芯为中心呈正六边形多层排布，介质孔排布层数至少两层，介质孔的直径与任意两个相邻的介质孔间距离的比值是3：5，由纤芯向外的第二层六边形介质孔层的相对边中心位置的两个介质孔内壁分别镀有金属薄膜，所述金属薄膜采用能产生表面等离子体共振的金属材料；所述镀有金属薄膜的一个介质孔及同层相邻的两个介质孔中填充介质A，所述介质A的折射率与温度间为负相关关系；介质A未填充的所有介质孔中填充介质B，所述介质B的折射率不受温度影响。
进一步地，上述光纤传感器的介质孔间距离为2μm。
进一步地，上述传感光纤外包裹保护套管，保护套管材料为石英或有机玻璃。
进一步地，上述金属薄膜厚度为20nm～60nm，金属薄膜的金属材料为金或银。
进一步地，上述介质A为二甘醇。
进一步地，上述介质B为空气。
上述基于表面等离子体共振的温度测量装置的温度测量方法，光源发出的光信号经过单模光纤AA进入隔离器，从隔离器输出后，经过单模光纤AB进入环形器，并通过单模光纤AC进入光纤传感器，在光纤传感器中，金属薄膜A和金属薄膜B的表面等离子共振波长处的光信号强度被损失掉，使宽谱光信号产生两个光强谷，并且当光信号到达光纤传感器的末端端面时部分光信号发生反射，经过单模光纤AC进入环形器，从环形器输出的光信号通过单模光纤AD进入光谱仪，通过观察光谱仪上显示的两个光强谷的波长位置，即可得到温度值。
具体测量步骤如下：
1.将光纤传感器放入温度被测环境中，启动光源和光谱仪。
2.在光谱仪上分别观测金属薄膜A和金属薄膜B的表面等离子体共振波长的变化量。
3.根据金属薄膜B的表面等离子体共振波长的变化量计算得到应变值。
4.根据计算得到的应变值计算金属薄膜A的表面等离子体共振波长受应变影响产生的变化量。
5.利用光谱仪上测量得到的金属薄膜A的表面等离子体共振波长的变化量，减去计算得到的金属薄膜A的表面等离子体共振波长受应变影响产生的变化量，得到金属薄膜A的表面等离子体共振波长只受温度影响产生的变化量。
6.根据计算得到的只受温度影响产生的金属薄膜A的表面等离子体共振波长变化量，计算得到温度值。
上述基于表面等离子体共振的温度测量装置的温度测量方法的测量原理是：当宽谱光信号进入光纤传感器的光子晶体光纤时，由于金属薄膜A和金属薄膜B受激产生表面等离子体共振现象，宽谱光信号中金属薄膜A和金属薄膜B的表面等离子共振波长处的光信号强度被削弱，因此，在光谱仪上可以观测到两个光强下降谷，光强下降谷底的波长与金属薄膜A和金属薄膜B共振波长相对应，由于介质A的折射率随温度发生变化，而介质B的折射率不随温度发生变化，因此，当环境温度发生变化时，金属薄膜A的表面等离子体共振波长由于介质A的折射率变化而产生移动，而金属薄膜B的表面等离子体共振波长不发生变化，当传感器产生应变时，金属薄膜A和金属薄膜B的表面等离子波长分别以不同速率随应变产生移动，因此，通过利用光谱仪测量金属薄膜B所对应光强下降谷的波长移动量便可测得应变值，通过利用光谱仪测量金属薄膜A所对应光强下降谷的波长移动总量，并结合测得的应变值，可以分别计算出金属薄膜A的表面等离子体共振波长受应变影响产生的波长移动量和受温度变化影响产生的波长移动量，进而求得温度值，有效消除应变对温度测量产生的影响。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明提出的基于表面等离子体共振的温度测量装置，实现了一种基于光纤技术的高灵敏度温度、应变同时测量方法。
2)本发明提出的基于表面等离子体共振的温度测量的方法，解决了温度传感中应变对测量结果准确性的影响问题。
3)本发明提出的基于表面等离子体共振的温度测量装置，耐腐蚀，不易受电磁干扰，可以应用在苛刻的检测环境。
附图说明
图1为本发明提供的基于表面等离子体共振及应变补偿的光纤温度传感器结构示意图；
图2为本发明提供的传感光纤结构示意图。
图3为本发明提供的基于表面等离子体共振及应变补偿的光纤温度传感器在不同温度下的光谱图；
图4为本发明提供的金属薄膜A的表面等离子共振波长随温度变化曲线图；
图5为本发明提供的金属薄膜A和金属薄膜B的表面等离子共振波长随应变变化曲线图。
图6为本发明提供的基于表面等离子体共振的温度测量装置的结构示意图。
图中：11保护套管；12传感光纤；131介质孔A；132介质孔B；133介质孔C；134介质孔D；141金属薄膜A；142金属薄膜B；15光子晶体光纤；21光源；212单模光纤AA；223单模光纤AB；234单模光纤AC；235单模光纤AD；22隔离器；23环形器；24光纤传感器；25光谱仪。
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基于表面等离子体共振及应变补偿的光纤温度传感器结构图。所述的基于表面等离子体共振技术的光纤温度、应变传感器由保护套管11和传感光纤12组成。保护套管11外径为1mm，采用石英材质，用于保护传感光纤不受被测环境影响产生折断等损坏。如图2所示为传感光纤12的结构图。传感光纤12由光子晶体光纤15、金属薄膜A141、金属薄膜B142、填充介质A和填充介质B组成，在光子晶体光纤15的介质孔B132内表面镀有金属薄膜A141，介质孔D134的内表面镀有金属薄膜B142，金属薄膜A141和金属薄膜B142是可以产生表面等离子体共振现象的金属，选用金，厚度通常为40nm。介质孔A131、介质孔B132、介质孔C133中为介质A，其余所有介质孔中为介质B，其中，介质A的折射率随温度产生变化，介质B的折射率随温度不产生变化，在本发明的可行性验证中，介质A为二甘醇，介质B为空气。
本发明提出的基于表面等离子体共振及应变补偿的光纤温度传感器的工作原理是：当环境温度发生变化时，介质A的折射率同时发生变化，介质B的折射率不发生变化，由于共振波长与填充介质折射率有关，因此，金属薄膜A141的表面等离子体共振波长发生变化，金属薄膜B142的表面等离子体共振波长不发生变化，如图3所示，其中，金属薄膜A141的表面等离子体共振波长随温度呈现线性变化趋势，斜率为6.8nm/℃，如图4所示；当光纤收到外界力的作用时，光纤横截面由圆形变成椭圆形，受几何形状变化的影响，金属薄膜A141和金属薄膜B142的表面等离子体共振波长均发生变化，如图5所示，金属薄膜A141和金属薄膜B142的表面等离子体共振波长随应变呈现不同斜率的线性变化，斜率分别为1318nm/ε和190nm/ε。
基于本发明提出的基于表面等离子体共振及应变补偿的光纤温度传感器的工作原理，本发明提出基于表面等离子体共振的温度测量装置的温度测量方法，结构如图6所示。其工作过程为：光源21发出的宽谱光信号经过单模光纤AA212进入隔离器22；隔离器22输出的光信号经过单模光纤AB223进入到环形器23，从环形器23输出的光信号经过单模光纤AC234进入光纤传感器24，光纤传感器24为本发明提出的基于表面等离子体共振及应变补偿的光纤温度传感器；光纤传感器24放置在被测环境中，由于金属薄膜A141和金属薄膜B142产生表面等离子体共振现象，光纤传感器24发出的光信号的光谱中，在金属薄膜A141和金属薄膜B142的表面等离子体共振波长处形成明显的光强下降谷；当被测环境中的温度发生变化时，金属薄膜A141的表面等离子体共振波长会发生改变，同时，受被测环境中的气流以及其他物体的机械挤压，光纤传感器24会产生应变，从而使金属薄膜A141和和金属薄膜B142的表面等离子体共振波长产生变化；光纤传感器24发出的光信号经过单模光纤AC234进入环形器23，并由环形器23输出后，经单模光纤AD235进入光谱仪25，在光谱仪25上可以观测到金属薄膜A141和金属薄膜B142的表面等离子体共振波长。金属薄膜A141和金属薄膜B142的表面等离子体共振波长与温度和应变的关系表达式为：
ΔλA＝aAΔT+bAΔη (1)
ΔλB＝bBΔη (2)
式中，ΔλA和ΔλB分别表示金属薄膜A141和金属薄膜B142的表面等离子体共振波长的变化量；ΔT表示环境温度变化量；Δη表示应变变化量；aA表示金属薄膜A141的表面等离子体共振波长与温度变化量ΔT间的关系系数；bA表示金属薄膜A141的表面等离子体共振波长与应变变化量Δη间的关系系数；bB表示金属薄膜B142的表面等离子体共振波长与应变变化量Δη间的关系系数。通过计算金属薄膜B142的表面等离子体共振波长变化量，可以计算光纤传感器24产生的应变，进而计算出由于应变产生的金属薄膜A141的表面等离子体共振波长变化量，从而计算出金属薄膜A141的表面等离子体共振波长受环境温度影响产生的变化量，从而有效消除应变的影响而测出准确的环境温度值。

Claims (8)

1.一种基于表面等离子体共振的温度测量装置，其特征在于，包括光源、光纤传感器、光谱仪、隔离器、环形器、单模光纤；所述的光源为宽谱光源，光谱范围覆盖光纤传感器工作波长范围；光谱仪的工作波长范围覆盖光纤传感器工作波长范围；光源通过单模光纤与隔离器相连，隔离器只允许光信号单向传输；环形器通过单模光纤分别与隔离器、光纤传感器和光谱仪相连，其中从单模光纤AB(223)入射环形器的光从单模光纤AC(234)输出，从单模光纤AC(234)入射环形器的光从单模光纤AD(235)输出；所述的光纤传感器为基于表面等离子体共振及应变补偿的光纤温度传感器，其主要结构为传感光纤，该传感光纤为实心的光子晶体光纤，光子晶体光纤的介质孔以纤芯为中心呈正六边形多层排布，介质孔排布层数至少两层，介质孔的直径与任意两个相邻的介质孔间距离的比值是3：5，由纤芯向外的第二层六边形介质孔层的相对边中心位置的两个介质孔内壁分别镀有金属薄膜，所述金属薄膜采用能产生表面等离子体共振的金属材料；所述镀有金属薄膜的一个介质孔及同层相邻的两个介质孔中填充介质A，所述介质A的折射率与温度间为负相关关系；介质A未填充的所有介质孔中填充介质B，所述介质B的折射率不受温度影响。
2.根据权利要求1基于表面等离子体共振的温度测量装置，其特征在于，所述光纤传感器的介质孔间距离为2μm。
3.根据权利要求1基于表面等离子体共振的温度测量装置，其特征在于，所述传感光纤外包裹保护套管，保护套管材料为石英或有机玻璃。
4.根据权利要求1基于表面等离子体共振的温度测量装置，其特征在于，所述金属薄膜厚度为20nm～60nm，金属薄膜的金属材料为金或银。
5.根据权利要求1基于表面等离子体共振的温度测量装置，其特征在于，所述介质A为二甘醇。
6.根据权利要求1基于表面等离子体共振的温度测量装置，其特征在于，所述介质B为空气。
7.权利要求1～6所述任一装置的温度测量方法，其特征在于，光源发出的光信号经过单模光纤AA进入隔离器，从隔离器输出后，经过单模光纤AB进入环形器，并通过单模光纤AC进入光纤传感器，在光纤传感器中，金属薄膜A和金属薄膜B的表面等离子共振波长处的光信号强度被损失掉，使宽谱光信号产生两个光强谷，并且当光信号到达光纤传感器的末端端面时部分光信号发生反射，经过单模光纤AC进入环形器，从环形器输出的光信号通过单模光纤AD进入光谱仪，通过观察光谱仪上显示的两个光强谷的波长位置，即可得到温度值。
8.根据权利要求7所述的温度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将光纤传感器放入温度被测环境中，启动光源和光谱仪；
步骤2，在光谱仪上分别观测金属薄膜A和金属薄膜B的表面等离子体共振波长的变化量；
步骤3，根据金属薄膜B的表面等离子体共振波长的变化量计算得到应变值；
步骤4，根据计算得到的应变值计算金属薄膜A的表面等离子体共振波长受应变影响产生的变化量；
步骤5，利用光谱仪上测量得到的金属薄膜A的表面等离子体共振波长的变化量，减去计算得到的金属薄膜A的表面等离子体共振波长受应变影响产生的变化量，得到金属薄膜A的表面等离子体共振波长只受温度影响产生的变化量；
步骤6，根据计算得到的只受温度影响产生的金属薄膜A的表面等离子体共振波长变化量，计算得到温度值。
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