CN110108384A - 基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，涉及基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器及检测方法。传感器包括空芯光纤、银膜和温度敏感材料，空芯光纤两端面是光滑的，空芯光纤内壁镀有银膜，空芯光纤内部的银膜外填充温度敏感材料，所述的温度敏感材料为聚二甲基硅氧烷。本发明采用空芯光纤作为传感光纤，利用空芯光纤的内通道作为测量通道，实现了纤内测量，相对于传统的外通道纤外测量的光纤传感器，一体化更好，体积大大缩小，敏感材料填充在空芯光纤内部不易脱落，加强了传感器的机械强度，为多参数传感器的制作提供了可能。聚二甲基硅氧烷还使空芯光纤内部的银膜隔绝了氧气，防止银膜被氧化，延长了传感器的使用寿命，使传感器性能更加稳定。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器及检测方法。
背景技术
温度测量在环境监测、生化生产等日常生活中具有重要的应用，例如监测大气温度可以研究气候变化；严格控制工业生产中的温度对产品性能有着重要意义[Rong Q,SunH,Qiao X,et al.A miniature fiber-optic temperature sensor based on a Fabry–Perot interferometer[J].Journal of optics,2012,14(4):045002.]。目前大多数温度传感器都属于电学传感器，这类传感器发展成熟，应用广泛，但是容易受到电磁干扰的影响。而近些年来飞速发展的光纤传感技术为新型温度传感器的制备提供了可能。光纤传感器具有灵敏度高，体积小等优点，特别是具有免疫电磁干扰的特性。[Krohn D A,MacDougall T,Mendez A.Fiber optic sensors:fundamentals and applications[M].Bellingham,WA:Spie Press,2014.]。光纤温度传感器目前主要有光纤布拉格光栅型传感器、干涉型传感器和(表面等离子体共振型传感器。光纤布拉格光栅型光纤温度传感器通过观测布拉格波长随温度变化的移动来实现测温，这种传感器制作简便，但是灵敏度较低[LiC,Liao C,Wang J,et al.Femtosecond laser microprinting of a polymer fiberBragg grating for high-sensitivity temperature measurements[J].Opticsletters,2018,43(14):3409-3412.]。干涉型光纤温度传感器虽然可以实现高灵敏度测温，但是通常这类传感器测温范围较小[Bai Y,Qi Y,Dong Y,et al.Highly sensitivetemperature and pressure sensor based on Fabry–Perot interference[J].IEEEPhotonics Technology Letters,2016,28(21):2471-2474.]。光纤表面等离子体共振型传感器相对于前两种传感器来说，不仅具有较高的灵敏度，而且还有着更大的测温范围，除此之外光纤表面等离子体共振传感器具有多样性的结构。
光纤表面等离子体共振传感器基于表面等离子体共振原理，表面等离子体共振通常发生在金属层表面和周围介质表面。在这种情况下，输入光将产生能量损失，这将导致输出频谱共振下降，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[Haddouche I,Cherbi L,Ferhat M L.Analytical modelization of a fiber optic-based surface plasmon resonance sensor[J].Optics Communications,2017,402:618-623.]。表面等离子体共振对于外界介质折射率的变化很敏感，并且具有较高的灵敏度。通常光纤表面等离子体共振传感器常与各类敏感膜材料相结合实现各种生化的测量。对于光纤表面等离子体共振温度传感器来说，Y.Wang等人[Wang Y,Huang Q,Zhu W,et al.Noveloptical fiber表面等离子体共振temperature sensor based on MMF-PCF-MMFstructure and gold-PDMS film[J].Optics express,2018,26(2):1910-1917.]利用聚二甲基硅氧烷作为温度敏感膜涂敷在光纤表面等离子体共振传感器外来实现温度测量，灵敏度达到了-1.551nm/℃，但是这种利用外通道作为测量通道的传感器机械强度普遍较弱，而且将敏感膜镀在光纤外表面大大增加了传感器的体积。除此之外，敏感膜容易脱落，影响稳定性，甚至造成传感器无法正常工作。而且目前表面等离子体共振温度传感器基本都利用光纤外表面作为外通道来实现温度测量，有一定的局限性。
综上，基于光纤的温度测量传感器目前仍存在灵敏度低、机械强度差、测量通道单一等问题，而对于光纤表面等离子体共振温度传感器来说，如何解决敏感膜与光纤结合的问题非常重要。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、结构稳定的基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器。
本发明的具体技术方案为：
基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，该在纤式温度传感器包括空芯光纤31、银膜32和温度敏感材料，空芯光纤31两端面是光滑的，空芯光纤31内壁镀有银膜32，空芯光纤31内部的银膜32外填充温度敏感材料33，所述的温度敏感材料为聚二甲基硅氧烷。
一种基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器检测方法，光源4发出的光经光纤连接线2传输至空芯光纤31处，光在空芯光纤31内外壁之间反射并向前传播，内壁上的银膜32激发产生表面等离子体共振。由于银膜32外的空芯光纤31内部填充了聚二甲基硅氧烷，输出表面等离子体共振光谱将会产生谐振波长随着温度变化的谐振谷，最后，光信号通过另一端的光纤连接线2进入光谱仪1，并将数据传输至电脑5来观察输出表面等离子体共振图谱的变化；当温度变化时，会改变银膜32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，空芯光纤31参数为：长20mm，内径450μm，外径670μm。
进一步地，在纤式温度传感器的制备流程为：首先用光纤研磨机将空芯光纤31两端研磨光滑，随后利用注射器将SnCl2溶液填充至两端研磨光滑的空芯光纤31内来敏化空芯光纤31内壁，然后将SnCl2溶液冲洗干净并吹干空芯光纤31内壁待用；随后利用化学方法来将空芯光纤31内壁镀上银膜32；最后配置聚二甲基硅氧烷，利用注射器将其填充至空芯光纤31内，待其固化以后，完成传感单元3的制作。
进一步地，上述银膜32制备流程为：首先向0.1mol/L的AgNO3溶液中逐滴加入体积分数为20％的氨水，边滴加边搅拌，使溶液由澄清无色变浑浊再变成澄清无色；随后加入0.8mol/L的KOH，溶液变为褐色，0.1mol/L的AgNO3溶液与0.8mol/L的KOH的用量体积比例关系为10:7；接下来再逐滴加入体积分数为20％的氨水使溶液变为澄清透明，完成银氨溶液的配置。然后用纯水按照1:6的体积比将配好的银氨溶液进行稀释后，加入0.25mol/L的葡萄糖溶液，银氨溶液与葡萄糖溶液的体积比为5:2；最后将混合溶液快速填充至空芯光纤31内部，50s后将空芯光纤31内部溶液冲干，完成银膜32制备。
传感器温度对应的谐振谷的谐振波长λT与温度变化的关系可以表示为：
λT＝-1.05T+582.64 (1)。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1)本发明提出的这种基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，继承了传统光纤传感器所具有的本质安全、免疫电磁干扰、耐高温高压、耐腐蚀等优点；
2)本发明提出的这种基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，不仅灵敏度高，机械强度好，传感器体积小。
3)本发明提出的这种基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，采用空芯光纤作为传感光纤，利用空芯光纤的内通道作为测量通道，实现了纤内测量，相对于传统的外通道纤外测量的光纤传感器，这种传感器不仅一体化更好，传感器体积大大缩小，敏感材料填充在空芯光纤内部不易脱落，加强了传感器的机械强度，为多参数传感器的制作提供了可能。
4)本发明提出的这种基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，聚二甲基硅氧烷还使空芯光纤内部的银膜隔绝了氧气，防止银膜被氧化，延长了传感器的使用寿命，使传感器性能更加稳定。
5)本发明提出的这种基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，相对于过去的纤外式表面等离子共振温度传感器，其谐振波长较小(500nm)，而过去的纤外式表面等离子共振温度传感器的谐振波长通常在700-800nm处，这为大温度范围的传感器的制备提供了可能。
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光谱仪；2光纤连接线；3传感单元；31空芯光纤；32银膜；33温度敏感材料；4光源；5电脑。
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基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器。其工作过程为：光源4发出的光首先经光纤连接线2传输至空芯光纤31后通过光纤连接线2传输至光谱仪4进行光谱移动量的监测。其中空芯光纤31的长度为20mm，并且空芯光纤内镀有银膜32，银膜32外填充有聚二甲基硅氧烷33，聚二甲基硅氧烷33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。
当光传播至空芯光纤31处时，光进入空芯光纤31的内壁，并且在内外壁之间发生反射并向前传播，由于空芯光纤31内壁镀有银膜32，这时在空芯光纤内外壁之间传输的一部分光会泄漏到银膜32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。当银膜32外填充了聚二甲基硅氧烷33后，银膜32外的介质就变为了聚二甲基硅氧烷33，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33的折射率进而使温度对应的谐振谷的谐振波长λT发生移动，因此通过观测谐振波长λT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λT与温度变化的关系可以表示为：
λT＝-1.05T+582.64 (2)。
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，此外该传感器还利用空芯光纤的内通道作为测量通道，实现了纤内测量。
Claims (7)
1.基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，其特征在于，该在纤式温度传感器包括空芯光纤(31)、银膜(32)和温度敏感材料，空芯光纤(31)两端面是光滑的，空芯光纤(31)内壁镀有银膜(32)，空芯光纤(31)内部的银膜(32)外填充温度敏感材料(33)，所述的温度敏感材料为聚二甲基硅氧烷。
2.根据权利要求1所述的基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，其特征在于，空芯光纤(31)参数为：长20mm，内径450μm，外径670μm。
3.根据权利要求1或2所述的基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，其特征在于，在纤式温度传感器的制备流程为：首先用光纤研磨机将空芯光纤(31)两端研磨光滑，随后注射器将SnCl2溶液填充至两端研磨光滑的空芯光纤(31)内来敏化空芯光纤(31)内壁，然后将SnCl2溶液冲洗干净并吹干空芯光纤(31)内壁待用；随后利用化学方法来将空芯光纤(31)内壁镀上银膜(32)；最后配置聚二甲基硅氧烷，利用注射器将其填充至空芯光纤(31)内，待其固化以后，完成在纤式温度传感器的制作。
4.据权利要求1或2所述的基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，其特征在于，银膜(32)制备流程为：首先向0.1mol/L的AgNO3溶液中逐滴加入体积百分比为20％的氨水，边滴加边搅拌，使溶液由澄清无色变浑浊再变成澄清无色；随后加入0.8mol/L的KOH，溶液变为褐色，0.1mol/L的AgNO3溶液与0.8mol/L的KOH的用量体积比例关系为10:7；接下来再逐滴加入体积百分比为20％的氨水使溶液变为澄清透明，完成银氨溶液的配置；然后用纯水按照1:6的体积比将配好的银氨溶液进行稀释后，加入0.25mol/L的葡萄糖溶液，银氨溶液与葡萄糖溶液的体积比为5:2；最后将混合溶液快速填充至空芯光纤(31)内部，50s后将空芯光纤(31)内部溶液冲干，完成银膜(32)制备。
5.据权利要求3述的基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，其特征在于，银膜(32)制备流程为：首先向0.1mol/L的AgNO3溶液中逐滴加入体积百分比为20％的氨水，边滴加边搅拌，使溶液由澄清无色变浑浊再变成澄清无色；随后加入0.8mol/L的KOH，溶液变为褐色，0.1mol/L的AgNO3溶液与0.8mol/L的KOH的用量体积比例关系为10:7；接下来再逐滴加入体积百分比为20％的氨水使溶液变为澄清透明，完成银氨溶液的配置；然后用纯水按照1:6的体积比将配好的银氨溶液进行稀释后，加入0.25mol/L的葡萄糖溶液，银氨溶液与葡萄糖溶液的体积比为5:2；最后将混合溶液快速填充至空芯光纤(31)内部，50s后将空芯光纤(31)内部溶液冲干，完成银膜(32)制备。
6.采用权利要求1-5所述的任一一种在纤式温度传感器的检测方法，其特征在于，光源(4)发出的光经光纤连接线(2)传输至空芯光纤(31)处，光在空芯光纤(31)内外壁之间反射并向前传播，内壁上的银膜(32)激发产生表面等离子体共振；由于银膜(32)外的空芯光纤(31)内部填充了聚二甲基硅氧烷，输出表面等离子体共振光谱将会产生谐振波长随着温度变化的谐振谷，最后，光信号通过另一端的光纤连接线(2)进入光谱仪(1)，并将数据传输至电脑(5)来观察输出表面等离子体共振图谱的变化；当温度变化时，会改变银膜(32)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。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，传感器温度对应的谐振谷的谐振波长λT与温度变化的关系可以表示为：
λT＝-1.05T+582.64 (1)。
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