CN109142781A - 一种基于表面等离子体共振的风速测量装置及方法 - Google Patents

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风速测量装置及方法。该装置包括宽谱光源、加热光源、光纤传感器、光谱仪、耦合器、隔离器B、隔离器C、环形器、单模光纤、风速测量管道，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，光纤传感器的温度发生变化时，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，再以此计算得到光纤热线风速。

Description

一种基于表面等离子体共振的风速测量装置及方法

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风速测量装置及方法。

背景技术

热线风速测量方法作为一种广泛使用的气体流速测量方法，其原理是利用气流通过高温物体时所带走高温物体表面热量与气流流速间的关系，实现对气流流速的测量，通过测量高温物体的温度即可得到气体流速值。

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热线风速传感设备无法使用，而光纤设备具有本征安全、抗电磁干扰、抗强腐蚀的特点，因此光纤热线风速测量技术成为气体流速传感的重要方向之一。目前光纤热线风速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和风速。但是由于光纤光栅和光纤谐振腔对应力也敏感，因此在测量温度和风速的同时，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和风速灵敏度不够高，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风速测量，并且风速测量量程也受到限制。

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，并利用温度和风速间关系实现风速测量。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，因此当光纤传感器受到应力影响产生应变时，会使风速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风速测量装置及方法。在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风速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风速值。

本发明的具体技术方案为：

一种基于表面等离子体共振的风速测量装置，包括宽谱光源、加热光源、光纤传感器、光谱仪、耦合器、隔离器B、隔离器C、环形器、单模光纤、风速测量管道；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；宽谱光源通过单模光纤与隔离器B相连，加热光源通过单模光纤与隔离器C相连，隔离器只允许光信号单向传输；隔离器B和隔离器C分别通过单模光纤与耦合器相连；环形器通过单模光纤分别与耦合器、光纤传感器和光谱仪相连，其中从单模光纤BE入射环形器的光从单模光纤BF输出，从单模光纤BF入射环形器的光从单模光纤BG输出；光纤传感器位于风速测量管道之中；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。

所述光纤传感器的介质孔间距离为2μm。

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。

所述金属薄膜厚度为20nm～60nm，金属薄膜的金属材料为金或银。

所述介质A为二甘醇。

所述介质B为空气。

应用上述装置的风速测量方法为：宽谱光源发出的光信号经过单模光纤进入隔离器B，加热光源发出的光信号经过单模光纤进入隔离器C，隔离器B输出的光信号经单模光纤进入耦合器，隔离器C输出的光信号经单模光纤进入耦合器，耦合器输出的光信号经单模光纤BE进入环形器，环形器的输出光信号经过单模光纤BF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BF进入环形器，环形器的输出光信号经过单模光纤BG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，即可得到风速值。

具体测量步骤如下：

1.启动加热光源、宽谱光源和光谱仪。

2.在光谱仪上观测金属薄膜A和金属薄膜B的表面等离子共振波长值。

3.根据金属薄膜B的表面等离子共振波长值，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.利用在光谱仪上观测的金属薄膜A的表面等离子体共振波长值，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，计算得到金属薄膜A的表面等离子体共振波长只受风速影响移动到的波长值。

6.根据计算得到的金属薄膜A的表面等离子体共振波长只受风速影响移动到的波长值，计算出风速值。

进一步地，上述基于表面等离子体共振技术的风速测量方法的测量原理是：加热光源输出光功率稳定的光信号，对光纤传感器进行加热，使光纤传感器的温度高于环境温度，在无气体流动的环境中，光线传感器的温度值最高，当宽谱光信号进入光线传感器B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的表面等离子体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，表面等离子体共振波长与介质孔中填充介质的折射率和金属薄膜的几何结构有关，当光纤传感器处于气体流场中时，由于气流带走光纤传感器的热量，因此光线传感器的温度随风速的增大而降低，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，金属薄膜A的表面等离子体共振波长随风速的变化而产生移动，而金属薄膜B的表面等离子体共振波长不发生变化，此外，气体流场使光线传感器B产生应变，使金属薄膜A和金属薄膜B的表面等离子波长产生移动，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，利用光谱仪测量金属薄膜A所对应光强下降谷在风速和应变同时作用下的波长移动总量，结合测得的应变值，计算出金属薄膜A的表面等离子体共振波长只受风速作用下的移动量，进而求得风速值，有效消除应变对风速测量产生的影响。

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及应变补偿的光纤温度传感器，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风速测量方法，解决了光纤热线风速仪灵敏度低的问题。

3)本发明提出的基于表面等离子体共振的风速测量方法，扩大了光纤热线风速仪的量程。

4)本发明提出的基于表面等离子体共振的风速测量方法，解决了应变对光纤热线风速仪测量准确性的影响问题。

5)本发明提出的基于表面等离子体共振的风速测量装置，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风速测量装置的结构示意图。

图7为本发明提供的金属薄膜A共振波长随风速变化曲线图。

图8为本发明提供的基于表面等离子体共振技术的风速测量方法风速测量上限示意图。

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；31宽谱光源；32加热光源；33隔离器B；34隔离器C；35耦合器；36环形器；37光纤传感器；38光谱仪；39风速测量管道；313光纤BA；324光纤BB；335光纤BC；345光纤BD；356光纤BE；367光纤BF；368光纤BG。

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风速测量装置的风速测量方法，结构如图6所示。其工作过程为：宽谱光源31发出的光信号经过光纤BA313进入隔离器B33，加热光源32发出的光信号经过光纤BB324进入隔离器C34，隔离器B33输出的光信号经光纤BC335进入耦合器35；隔离器C34输出的光信号经光纤BD345进入耦合器35；耦合器35输出的光信号经光纤BE356进入环形器36，环形器36的输出光信号经过光纤BF367进入光纤传感器37，光纤传感器37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；进入光纤传感器37的光信号中，产生于加热光源32的光信号使光纤传感器37被升温，产生于宽谱光源31的光信号中，金属薄膜A141和金属薄膜B142表面等离子体共振波长处的光信号被损耗，用于产生表面等离子体现象；光纤传感器37放置在风速测量管道39中；光纤传感器37输出的光信号经过光纤BF367进入环形器36，环形器36的输出光信号经过光纤BG368进入光谱仪38，在光谱仪38上显示金属薄膜A141和金属薄膜B142的表面等离子体共振波长位置。当风速测量管道39中的风速增大时，气流带走光纤传感器37的热量随之增加，致使光纤传感器37的温度降低，从而使介质A的折射率产生变化，进而使金属薄膜A141的表面等离子体共振波长产生变化；同时，由于风速变化，致使光纤传感器37受风力产生的应变发生变化，致使金属薄膜A141和金属薄膜B142的表面等离子体共振波长产生变化。金属薄膜A141和金属薄膜B142的表面等离子体共振波长与风速测量管道39中的风速值和应变的关系表达式为：

	λ<sub>A</sub>＝f(v)+b<sub>A</sub>Δη	(1)
				Δλ<sub>B</sub>＝b<sub>B</sub>Δη	(2)

式中，λ_A表示金属薄膜A141的表面等离子体共振波长；v表示风速值；f(v)表示风速v与金属薄膜A141的表面等离子体共振波长λ_A的关系函数；Δλ_B表示金属薄膜B142的表面等离子体共振波长的变化量；Δη表示应变变化量；b_A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；b_B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37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风速影响产生的变化量，从而有效消除应变的影响而测出准确的风速值。

如图7所示为利用comsol multiphysics仿真计算得到的风速v与金属薄膜A141的表面等离子体共振波长λ_A的关系曲线，即f(v)。如图7所示，λ_A与v为单调曲线，因此，利用公示(2)可以计算光纤传感器37产生的应变量，进而计算出在消除应变影响下的λ_A值，进而求出风速值，实现消除应变干扰下的风速准确测量。通过图7可知，Δλ_A随v的增大而减小，当v增加到一定程度，由于光谱仪无法分辨λ_A的变化量而无法测量出准确的风速值，则风速测量量程与光谱仪分辨力间关系为：

σ≤min[f(v)-f(v-δ)]

(3)

式中，σ表示光谱仪的波长分辨力；δ表示风速分辨力。如图8所示为风速分辨力分别为0.2m/s和0.4m/s时f(v)-f(v-δ)的曲线情况，其中，光谱仪波长分辨力σ为0.02nm。如图8可知，当风速分辨力要求达到0.4m/s时，风速测量上限可以达到27.8m/s，当风速分辨力要求达到0.2m/s时，风速测量上限也可达到19m/s，有效扩大光纤热线风速测量方法的测量量程。

Claims (8)

1.一种基于表面等离子体共振的风速测量装置，其特征在于，包括宽谱光源、加热光源、光纤传感器、光谱仪、耦合器、隔离器B、隔离器C、环形器、单模光纤、风速测量管道；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；宽谱光源通过单模光纤与隔离器B相连，加热光源通过单模光纤与隔离器C相连，隔离器只允许光信号单向传输；隔离器B和隔离器C分别通过单模光纤与耦合器相连；环形器通过单模光纤分别与耦合器、光纤传感器和光谱仪相连，其中从单模光纤BE(356)入射环形器的光从单模光纤BF(367)输出，从单模光纤BF(367)入射环形器的光从单模光纤BG(368)输出；光纤传感器位于风速测量管道之中；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风速测量装置，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风速测量装置，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风速测量装置，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风速测量装置，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风速测量装置，其特征在于，所述介质B为空气。

7.权利要求1～6所述任一装置的风速测量方法，其特征在于，宽谱光源发出的光信号经过单模光纤进入隔离器B，加热光源发出的光信号经过单模光纤进入隔离器C，隔离器B输出的光信号经单模光纤进入耦合器，隔离器C输出的光信号经单模光纤进入耦合器，耦合器输出的光信号经单模光纤BE进入环形器，环形器的输出光信号经过单模光纤BF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BF进入环形器，环形器的输出光信号经过单模光纤BG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，即可得到风速值。

8.根据权利要求7所述的风速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，启动加热光源、宽谱光源和光谱仪；

步骤2，在光谱仪上观测金属薄膜A和金属薄膜B的表面等离子共振波长值；

步骤3，根据金属薄膜B的表面等离子共振波长值，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，利用在光谱仪上观测的金属薄膜A的表面等离子体共振波长值，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，计算得到金属薄膜A的表面等离子体共振波长只受风速影响移动到的波长值；

步骤6，根据计算得到的金属薄膜A的表面等离子体共振波长只受风速影响移动到的波长值，计算出风速值。