CN109764976A - 一种同时测量海水温盐深的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时测量海水温盐深的光纤传感器，该传感器可以实现对海水3种物理量的检测，可以更好的应对实际的检测需求，本发明利用SPR和LMR效应来实现对海水深度的测量，利用2种不同的效应可以实现对不同物理量的同时测量，并且其灵敏度与精度较传统传感器大幅提高。对称扇形微结构光纤结构相对于传统的微结构光纤结构来说，热光学敏感材料的填充和内壁金膜的涂覆，制备过程简单，对称扇形微结构光纤制作工艺相对简单且在对称扇形空气孔处镀膜比较容易。因此仅在两个相对的对称扇形空气孔中镀膜，仿真时大大降低软件的计算量，节省了仿真时间。

Description

一种同时测量海水温盐深的光纤传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种同时测量海水温盐深的光纤传感器。

背景技术

近年来，随着经济社会的发展，食品安全、环境监测、化学分析、生物传感等领域的快速、有效的检测是我们亟待解决的问题。特别是在生命医疗、传统能源勘探、海洋开发等领域，对检测各项指标的要求在不断的提高，因此随着检测要求的不断提高，对传感器的灵敏度、精度、分辨率等都提出了更高要求。光纤传感器具有传统传感器所不可比的优点：灵敏度高、动态范围大、响应速度快、不受电磁干扰、防爆防燃、易于远距离遥测、保密性好、重量轻、机械强度高等。因此光纤传感器在多个领域得到了广泛的应用。

Surface Plasmon Resonance(SPR)，中文名称为表面等离子体共振，它是一种常见的光学现象，它是指光波导中某一特定波长的入射光照射到金属(如金或银)薄膜时，光波就会与金属表面产生的等离子体波发生共振，称之为表面等离子体共振(SPR)效应。SPR效应会使反射光的能量发生锐减，从而形成共振波谷，同时，SPR对外界折射率十分敏感，周围介质的物理性质发生改变时， SPR的共振波谷就会随之移动，因此，通过检测SPR共振波谷的偏移量而实现对于目标量的测量。

Lossy Mode Resonance(LMR)，中文名称为损失模式共振，它作为一种近几年新提出的共振效应已被广泛应用于生命科学、医学、物理学、化学等领域。 LMR效应表现在光谱上就是反射光强的响应曲线上有若干个衰减谷，这些衰减谷称为共振谷,各自对应的入射光波长为共振波长。当损失模式传播常数的实部和光波导的传播常数相等时，波导模式与损失模式将发生共振，呈现出衰减全反射现象，即反射率出现最小值。利用LMR共振波长对待测物折射率敏感的特性，LMR传感技术普遍应用于基于折射率变化的参数测量中。

尽管光纤传感器有着一系列的优点，但是当前广泛存在的光纤传感器测量的物理量比较单一，无法应对广泛的实际应用的需求。针对现存的问题，本发明提出了一种同时测量海水温盐深的三合一式光纤传感器，有效的解决了传感器检测功能单一的问题。同时面对不同的测量量采用不同的测量原理，在实现多参量测量的同时也保证了测量结构的高精度。

发明内容

根据现有技术中传感器功能单一，无法应对实际复杂应用的技术问题，本发明公开了一种同时测量海水温盐深的光纤传感器，该发明利用在光子晶体光纤的不同区域镀膜，采用不同的测量原理来实现对不同物理量的检测。利用金膜的SPR效应来实现对海水盐度的检测，将金膜和热光学敏感材料进行组合应用来实现对海水温度的检测，利用ZnO的LMR效应来实现对海水压力的感应来实现对海水深度的测量。

该发明采用如下技术方案：

一种同时测量海水温盐深的光纤传感器，其特征在于包括：材料为光子晶体的纤芯，所述纤芯外部固定连接有包层，所述包层内设置有多个空气孔，所述空气孔对称设置在包层内，相对于纤芯中心对称的两个空气孔朝向外界的方向开通设置形成两个截面为扇形的第一弧面和第二弧面，所述第一弧面和第二弧面的表面镀有不同材质的膜。

进一步地，，所述的第一弧面的表面镀膜材料为金，所述第二弧面的表面镀膜材料为ZnO和HfO2。

进一步地，，所述的相邻空气孔边界隔离层的厚度为2μm～3μm。

进一步地，，所述的空气孔内壁的镀膜材料为金，孔内填充材料为热光学敏感材料。

进一步地，，所述的空气孔内金膜的厚度为40～200nm。

进一步地，，所述的第二弧面的表面ZnO薄膜的厚度为50nm～100nm，HfO₂薄膜的厚度为50nm～100nm。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种同时测量海水温盐深的光纤传感器，该传感器可以实现对海水3种物理量的检测，可以更好的应对实际的检测需求，本发明利用SPR和LMR效应来实现对海水深度的测量，利用2种不同的效应可以实现对不同物理量的同时测量，并且其灵敏度与精度较传统传感器大幅提高。对称扇形微结构光纤结构相对于传统的微结构光纤结构来说，热光学敏感材料的填充和内壁金膜的涂覆，制备过程简单，对称扇形微结构光纤制作工艺相对简单且在对称扇形空气孔处镀膜比较容易。因此仅在两个相对的对称扇形空气孔中镀膜，仿真时大大降低软件的计算量，节省了仿真时间。采用不同的检测原理来测量不同的物理量，在实现多物理量的测量的同时，保证了测量的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明传感器的结构示意图。

图2为盐度对透过光谱的变化的示意图。

图3为透射光谱随温度的变化的示意图。

图4为实施例中ZnO和HfO₂薄膜组合对不同压力条件下的LMR反射光谱的影响的示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种同时测量海水温盐深的光纤传感器，包括光子晶体的纤芯3，所述纤芯3外部固定连接有包层6，所述包层6内设置有多个空气孔2，所述空气孔2对称设置在包层6内，相对于纤芯3中心对称的两个空气孔2朝向外界的方向开通设置形成两个截面为扇形的第一弧面21和第二弧面22，所述第一弧面21和第二弧面22的表面镀有不同材质的膜。在第一弧面21的表面镀膜材料为金1，在第二弧面22的表面镀膜材料为ZnO4和HfO₂ 5。

实施例1

如图2-图4所示，本发明提供了一种测量海水温盐深的光纤传感器，采用光子晶体光纤，纤芯外径直径为125um，材料为石英玻璃，纤芯中心没有空气孔，纤芯直径15um。包层中设有六个呈正六边形排列的大小相同的扇形空气孔，扇形空气孔的直径为100um，相邻扇形空气孔之间的距离为2um，其中将相对于纤芯3中心大致对称的扇形空气孔豁开，使其与外界相通，其他的4个空气孔分别在内壁镀上金膜并填充热光学敏感材料，这样可以利用热光学敏感材料的变化来影响金膜的SPR效应，从而实现对于温度的检测。同时，在一个豁开空气孔的表面镀上金膜，薄膜厚度为100nm，因此，能够实现SPR效应，实现对于海水盐度的检测。然后在另一个豁开的空气孔的表面镀上ZnO薄膜层，ZnO 薄膜层上镀有HfO₂薄膜层。利用ZnO产生的LMR效应实现对海水压力的检测， HfO₂薄膜可以有效的提高压力传感器的灵敏度。

首先，需要检测传感器结构对海水盐度的响应。海水的盐度同时受到溶解物质和温度的影响。当温度恒定时，盐度的变化直接决定了有效折射率，它与线性相关的折射率范围(n＝1.3331+0.185S)。本文采用了阿贝尔散射仪的拟合数据，盐度对透过光谱的变化如图2所示。随着盐度的增加，X和Y损失谷向长波方向移动。可以看出楔形缺陷中的SPR效应主要影响X极化。通过图3 的拟合，两个波长的线性良好，并且X偏振的波长具有更高的灵敏度。(SSPR -x-S＝1.402).

传感器结构对海水温度的响应也得到了测量。温度主要通过改变热光学敏感材料的光学性质来改变输出光谱。它具有负的高光学系数。在其他条件的控制下，透射光谱随温度的变化如图3所示，SPR效应产生的Y极化损失谷占据主导地位，X极化几乎不受影响。参数解调是一个好消息，两极化产生的灵敏度响应差异较大，可以带来较小的解调误差。通过线性拟合，两种极化的位移在海水温度范围内具有良好的线性。其中Y偏振具有更高的灵敏度(SSPR-y-t ＝7.069nm/℃)。

传感器结构对海水压力的响应也得到了测量。使用ZnO薄膜生成LMR：使用ZnO薄膜生成的用于不同SRI的LMR反射光谱如图4所示。这些SRI值体现了在聚合物嵌段上施加的压力而发生的聚合物密度的变化。可以这样理解：随着聚合物上的压力增加，聚合物的体积减小，导致聚合物密度增加。由于聚合物的RI 是聚合物密度的函数，因此SRI随着密度或压力的增加而增加。模拟结果表明，由于聚合物压力的变化，共振波长随着SRI的变化而发生相当大的变化。观察到对于特定厚度的ZnO(70nm)，第一LMR发生在420nm的共振波长下。随着压力增加，所有LMR曲线都转移到更长波长区域(红移)。这是因为随着聚合物嵌段的压力增加，材料的密度增加，导致嵌段的RI增加。因此，由于增加的SRI(聚合物嵌段的RI)，共振波长红移

由此可以看出，本发明的光纤传感器在同时测量3种物理量的同时，拥有着较高的灵敏度和分辨率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种同时测量海水温盐深的光纤传感器，其特征在于包括：材料为光子晶体的纤芯(3)，所述纤芯(3)外部固定连接有包层(6)，所述包层(6)内设置有多个空气孔(2)，所述空气孔(2)对称设置在包层(6)内相对于纤芯(3)中心对称的两个空气孔(2)朝向外界的方向开通设置形成两个截面为扇形的第一弧面(21)和第二弧面(22)，所述第一弧面(21)和第二弧面(22)的表面镀有不同材质的膜。

2.根据权利要求2所述的一种同时测量海水温盐深的光纤传感器，其特征还在于：所述第一弧面(21)的表面镀膜材料为金，所述第二弧面(22)的表面镀膜材料为ZnO和HfO₂。

3.根据权利要求1所述的一种同时测量海水温盐深的光纤传感器，其特征还在于：所述相邻的空气孔(2)边界隔离层的厚度为2μm～3μm。

4.根据权利要求4所述的一种同时测量海水温盐深的光纤传感器，其特征还在于：所述空气孔(2)内壁的镀膜材料为金，孔内填充材料为热光学敏感材料。

5.根据权利要求5所述的一种同时测量海水温盐深的光纤传感器，其特征还在于：所述空气孔(2)内金膜的厚度为40～200nm。

6.根据权利要求3所述的一种同时测量海水温盐深的光纤传感器，其特征还在于：所述第二弧面(22)的表面ZnO薄膜的厚度为50nm～100nm，HfO₂薄膜的厚度为50nm～100nm。