CN110108669A - 一种同时测量海水盐度和温度的双spr效应光纤传感器及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器及其方法，属于光纤传感技术领域。该双SPR效应光纤传感器由空芯光纤构成，其中，空芯光纤内壁镀有银膜，银膜外的空芯光纤内部填充有温度敏感材料，空芯光纤外部镀有金膜。本发明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；不仅具有光纤传感器优势，还利用了利用空芯光纤的结构优势，内壁和外壁同时激发SPR，实现双SPR效应进而实现双参数的同时测量。

Description

一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器及其 方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器及其方法。
背景技术
海洋生态系统是地球上最大的生态系统，海洋系统的稳定不仅对海洋生物的生存具有重要意义，还对整个生物圈的平衡发挥重要作用，海水的盐度和温度作为海水状态方程的最基本参数，是观测海洋特征的重要指标[Nguyen L V,Vasiliev M,Alameh K.Three-wave fiber Fabry–Pérot interferometer for simultaneous measurement oftemperature and water salinity of seawater[J].IEEE Photonics TechnologyLetters,2011,23(7):450-452.]。近些年来许多传感器在实现海水盐度和温度的同时测量上已经有所突破，可以实现对海水盐度和温度的测量，但是这些传感器多为电学或者化学传感器，难以长时间在海水的腐蚀条件下工作，而且电学传感器还会受到电磁干扰的影响[Black M J,Alhusseini M,Noui-Mehidi M N.High salinity permittivity models forwater cut sensing[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2013,62(10):2805-2811.]。
近些年来光纤技术飞速发展，为新型传感器的制备提供了新的方向。光纤传感器是一种依托于光纤传感技术的新型传感器，光纤传感器利用光信号进行信息传输，不仅传输效率高，而且可以做到真正免疫电磁干扰。况且光纤传感器体积小，灵敏度高，在多参数同时测量上有着巨大的应用潜力[R.Domínguez-Cruz,D.A.May-Arrioja,R.Martínez-Manuel,D.Lopez-Cortes.Temperature sensor based on an asymmetric two-holefiber using a Sagnac interferometer.Journal of Sensors,2018：7595106.]。
通常，海水的盐度主要由海水的折射率决定，这就为光纤传感器来实现海水盐度的测量提供了可能，光纤传感器对于折射率变化非常敏感，通常可以实现精确测量。因此，对于海水盐度和温度的测量可以转化为对海水折射率和温度的测量。
目前常见的折射率和温度同时测量传感器有干涉型传感器，光子晶体光纤传感器和表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)型传感器。干涉型光纤传感器诞生最早，它主要利用干涉光谱的变化与对应参量的变化来实现测量。Oliveira R等人[Oliveira R,Osório J H,Aristilde S,et al.Simultaneous measurement of strain,temperature and refractive index based on multimode interference,fibertapering and fiber Bragg gratings[J].Measurement Science and Technology,2016,27(7):075107.]提出了一种干涉型传感器来实现海水盐度和温度的同时测量，海水盐度和温度灵敏度分别为48pm/‰和29pm/℃，这类传感器制作简便，但是灵敏度偏低，容易受到其他外界条件的干扰。光子晶体光纤传感器利用光子晶体光纤结构的多样性来实现高灵敏度折射率传感器的设计，Zhao Y等人[Zhao Y,Wu Q,Zhang Y.Theoretical analysis ofhigh-sensitive seawater temperature and salinity measurement based on C-typemicro-structured fiber[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2018,258:822-828.]设计了一种C型光子晶体光纤传感器，其海水盐度测量灵敏度为1.402nm/‰，温度灵敏度高达-7.609nm/℃，但是这类传感器大多停留在理论设计阶段，其结构复杂，难以实际生产。SPR传感器近些年来发展迅速，已经在许多参数测量上有着广泛应用。这类传感器利用SPR效应产生的谐振谷随折射率的变化而发生移动的特性来实现折射率的测量，这种传感器灵敏度高，结构多样，应用广泛，但是会受到温度变化的影响[Siyu E,Zhang Y,Wang X,etal.Capillary encapsulated reflective fiber optic SPR temperature sensor[J].Physica Scripta,2019.]。因此，这类传感器通常在测量折射率的同时补偿温度的影响。目前同时测量折射率和温度的SPR传感器通常分为两大类，一种是利用不同光纤结构来实现同时测量，另一类就是利用温度敏感材料来与传感器相结合实现折射率和温度的同时测量。2016年，Hu T等人[Hu T,Zhao Y,Song A.Fiber optic SPR sensor for refractiveindex and temperature measurement based on MMF-FBG-MMF structure[J].Sensorsand Actuators B:Chemical,2016,237:521-525.]提出了一种光纤布拉格光栅与多模光纤相结合的SPR传感器来实现折射率和温度的同时测量，该传感器制作简便，重复型好，但是灵敏度偏低，布拉格波长与SPR波长未在同一波段，测量不便。而与敏感膜材料相结合的SPR传感器提供了一种同时测量折射率和温度的新思路。2017年，Velázquez-González J S等人[Velázquez-González J S,Monzón-Hernández D,Moreno-Hernández D,etal.Simultaneous measurement of refractive index and temperature using a SPR-based fiber optic sensor[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2017,242:912-920.]提出了一种温度敏感膜相结合的SPR传感器，该传感器不仅灵敏度高，而且参数对应的波长位于相同的波段范围，提高了测量简便性。但是该传感器测量折射率和温度时全部利用传感器的外表面，容易受到干扰；而且将敏感膜镀在传感器的单模光纤外部不仅增大了传感器的体积，还使得传感器机械强度降低，容易折断。另外这种传感器的敏感膜易脱落，造成传感器性能下降。综上所述，基于光纤的海水盐度和温度的传感器目前仍存在受到传感器灵敏度低，结构不佳等问题。最为关键的是，当前的对于海水盐度和温度同时测量的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用于海水盐度和温度同时测量的传感器不足之处，提出一种制备工艺简单、成本低、结构稳定、且能同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案：
一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，该双SPR效应光纤传感器包括四层结构，从内到外依次为温度敏感材料、银膜23、空芯光纤22和金膜21；其中，银膜23镀在空芯光纤22的内壁，银膜23外的空芯光纤22内部填充有温度敏感材料，金膜21镀在空芯光纤22的外壁，金膜21的厚度为40-45nm，温度敏感材料采用聚二甲基硅氧烷。
进一步地，双SPR效应光纤传感器能够激发两个SPR，产生双SPR效应，金膜21外表面感应海水折射率变化，即盐度变化；银膜23表面感应温度敏感膜折射率变化，即温度变化；空芯光纤22长20mm，外径670μm，内径450μm。
进一步地，双SPR效应光纤传感器制备流程为：首先将空芯光纤22两端研磨光滑，随后将空芯光纤22中部10mm长的区域去除涂覆层，并用酒精擦洗干净，随后利用离子溅射仪分别对空芯光纤22的正反两个柱面分别镀金膜21；随后用注射器将SnCl2溶液填充至两端研磨光滑的空芯光纤22内来敏化空芯光纤22内壁，然后将SnCl2溶液冲洗干净并吹干空芯光纤22内壁待用；随后利用银镜法来将空芯光纤22内壁镀上银膜23；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22内，待其固化以后，完成制作。
进一步地，银膜23的制备方法为：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22内部，50s后将空芯光纤22内部溶液冲干，完成银膜32制备。
进一步地，金膜21的制备方法为：将去除涂覆层的空芯光纤22放置在离子溅射仪内，使其处在溅射区中心，随后分别对空芯光纤22正反两个柱面进行镀膜，其中镀膜电流为5mA，正反两面的镀膜时间均为90秒，完成金膜21制备。
一种双SPR效应光纤传感器同时测量海水盐度和温度的方法，具体过程为：光源4发出的光经光纤连接耦合单元2传输至空芯光纤22处，在空芯光纤22内外壁之间不断反射同时向前传输，由于空芯光纤22内外壁均镀有金属膜，因此空芯光纤22内外壁会同时激发SPR，产生双SPR效应；外侧的金膜21对应的SPR谐振谷对为外界介质折射率变化敏感，而内部的银膜23对应的SPR谐振谷对空芯光纤22内的温度敏感材料的折射率变化敏感；测量时输出光谱会出现两个波长位置不同的谐振谷；最后，调制过的光信号经另一端的光纤连接耦合单元2传输至光谱仪1，光谱仪1将在输出上位机5来显示图谱的变化；当海水盐度发生改变时，金膜21外的海水的折射率就会发生改变，此时对应盐度变化的谐振谷会发生移动；当海水温度改变时，不仅会改变空芯光纤22内部温度敏感膜的折射率，造成温度对应的谐振谷移动，同时还会使盐度对应的谐振谷移动；因此，利用双波长矩阵的方法，计算两个谐振谷谐振波长的移动量就能反推出海水盐度和温度。
进一步地，双波长矩阵的方法具体为：当周围海水温度保持不变而改变海水盐度时，盐度对应的谐振谷的谐振波长λS会发生移动；而当海水盐度保持不变而改变海水温度时，不仅会使温度对应的谐振谷的谐振波长λT发生移动，还会使盐度对应的谐振谷的谐振波长λS发生移动；传感器的双波长矩阵为：
其中，ΔλS、ΔλT分别为盐度对应谐振谷谐振波长的移动量和温度对应谐振谷谐振波长移动量的移动量；ΔS、ΔT分别为海水盐度的变化量和海水温度的变化量；X为海水盐度变化时盐度对应谐振谷谐振波长的移动灵敏度系数；Y、Z分别为外界温度变化时海水盐度对应谐振谷谐振波长的移动灵敏度系数和温度对应谐振谷谐振波长的移动灵敏度系数；当传感器结构参数固定时，X、Y、Z均为固定值；
通过观察传感器的双波长矩阵中盐度对应谐振谷谐振波长的移动量和温度对应谐振谷谐振波长移动量即可反推出海水盐度和温度大小。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1)本发明提出的这种一种能同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，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)本发明提出的这种一种能同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，不仅具有光纤传感器优势，还利用了利用空芯光纤的结构优势，内壁和外壁同时激发SPR，实现双SPR效应进而实现双参数的同时测量。
附图说明
图1为本发明提供的光纤传感器结构示意图。
图2为传感单元主剖图和侧视图。其中，(a)为主剖图，(b)为侧视图。
图3为传感器海水盐度测量光谱曲线。
图4为传感器海水盐度测量灵敏度曲线。
图5为传感器海水温度测量光谱曲线。
图6为传感器海水温度测量灵敏度曲线。
图中：1光谱仪；2光纤连接耦合单元；21金膜；22空芯光纤；23银膜；24聚二甲基硅氧烷；3传感单元；4光源；5输出上位机。
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能同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器。其工作过程为：光源4发出的光首先经光纤连接耦合单元2传输至传感单元3，在传感单元3处调制后的光信号经过另一端的光纤连接耦合单元2传输至光谱仪1进行光谱移动量的监测。其中，空芯光纤22长20mm，外径670μm，内径450μm，并且空芯光纤22外部镀有金膜21，空芯光纤22内部镀有银膜23，银膜23外的空芯光纤22内部填充有聚二甲基硅氧烷24，银膜23采用银氨反应制备。
当光从光源4传输至空芯光纤22处时，会在空芯光纤22的内外壁同时激发SPR，产生双SPR效应，由于空芯光纤22内外表面产生的SPR效应对应的介质折射率不同，因此会在输出图谱产生两个波长位置不同的谐振谷。当金膜21外的海水盐度发生改变时，对应海水盐度的谐振谷会发生移动，来实现海水盐度测量。空芯光纤22内部填充有聚二甲基硅氧烷24，当海水温度改变时，使内部通道对应的海水温度的谐振谷发生移动，来实现海水温度测量，进而最终实现海水盐度和温度的测量。本发明中，当周围海水温度保持不变而改变海水盐度时，盐度对应的谐振谷的谐振波长λS会发生移动，如图3所示。而当海水盐度保持不变而改变海水温度时，不仅会使温度对应的谐振谷的谐振波长λT发生移动，还会使盐度对应的谐振谷的谐振波长λS发生移动，如图5所示。结合双波长矩阵方法，可得：
其中，ΔλS、ΔλT分别为盐度对应谐振谷谐振波长的移动量和温度对应谐振谷谐振波长移动量的移动量；ΔS、ΔT分别为海水盐度的变化量和海水温度的变化量。X为海水盐度变化时盐度对应谐振谷谐振波长的移动灵敏度系数；Y、Z分别为外界温度变化时海水盐度对应谐振谷谐振波长的移动灵敏度系数和温度对应谐振谷谐振波长的移动灵敏度系数。本发明中，当传感器结构参数固定时，X、Y、Z均为固定值，传感器的海水盐度测量灵敏度和海水温度测量灵敏度曲线分别如图4和图6所示，此时传感器的双波长矩阵为：
因此，由式(2)可得，通过观察盐度对应谐振谷谐振波长的移动量和温度对应谐振谷谐振波长移动量即可反推出海水盐度和温度大小，不仅可解决温度对海水盐度测量的交叉敏感问题，还可以实现海水盐度和温度同时监测，为海水浓度的高精度测量提供了可能。

Claims (10)

1.一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，该双SPR效应光纤传感器包括四层结构，从内到外依次为温度敏感材料、银膜(23)、空芯光纤(22)和金膜(21)；其中，银膜(23)镀在空芯光纤(22)的内壁，银膜(23)外的空芯光纤(22)内部填充有温度敏感材料，金膜(21)镀在空芯光纤(22)的外壁，金膜(21)的厚度为40-45nm，温度敏感材料采用聚二甲基硅氧烷。
2.根据权利要求1所述的一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，双SPR效应光纤传感器能够激发两个SPR，产生双SPR效应，金膜(21)外表面感应海水折射率变化，即盐度变化；银膜(23)表面感应温度敏感膜折射率变化，即温度变化；空芯光纤(22)长20mm，外径670μm，内径450μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，双SPR效应光纤传感器制备流程为：首先将空芯光纤(22)两端研磨光滑，随后将空芯光纤(22)中部10mm长的区域去除涂覆层，并用酒精擦洗干净，随后利用离子溅射仪分别对空芯光纤(22)的正反两个柱面分别镀金膜(21)；随后用注射器将SnCl2溶液填充至两端研磨光滑的空芯光纤(22)内来敏化空芯光纤(22)内壁，然后将SnCl2溶液冲洗干净并吹干空芯光纤(22)内壁待用；随后利用银镜法来将空芯光纤(22)内壁镀上银膜(23)；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(22)内，待其固化以后，完成制作。
4.根据权利要求1或2所述的一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，银膜(23)的制备方法为：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(22)内部，50s后将空芯光纤(22)内部溶液冲干，完成银膜32制备。
5.根据权利要求3所述的一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，银膜(23)的制备方法为：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(22)内部，50s后将空芯光纤(22)内部溶液冲干，完成银膜32制备。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，金膜(21)的制备方法为：将去除涂覆层的空芯光纤(22)放置在离子溅射仪内，使其处在溅射区中心，随后分别对空芯光纤(22)正反两个柱面进行镀膜，其中镀膜电流为5mA，正反两面的镀膜时间均为90秒，完成金膜(21)制备。
7.根据权利要求3所述的一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，金膜(21)的制备方法为：将去除涂覆层的空芯光纤(22)放置在离子溅射仪内，使其处在溅射区中心，随后分别对空芯光纤(22)正反两个柱面进行镀膜，其中镀膜电流为5mA，正反两面的镀膜时间均为90秒，完成金膜(21)制备。
8.根据权利要求4所述的一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，金膜(21)的制备方法为：将去除涂覆层的空芯光纤(22)放置在离子溅射仪内，使其处在溅射区中心，随后分别对空芯光纤(22)正反两个柱面进行镀膜，其中镀膜电流为5mA，正反两面的镀膜时间均为90秒，完成金膜(21)制备。
9.采用权利要求1-8所述的任一一种双SPR效应光纤传感器同时测量海水盐度和温度的方法，其特征在于，具体过程为：光源(4)发出的光经光纤连接耦合单元(2)传输至空芯光纤(22)处，在空芯光纤(22)内外壁之间不断反射同时向前传输，由于空芯光纤(22)内外壁均镀有金属膜，因此空芯光纤(22)内外壁会同时激发SPR，产生双SPR效应；外侧的金膜(21)对应的SPR谐振谷对为外界介质折射率变化敏感，而内部的银膜(23)对应的SPR谐振谷对空芯光纤(22)内的温度敏感材料的折射率变化敏感；测量时输出光谱会出现两个波长位置不同的谐振谷；最后，调制过的光信号经另一端的光纤连接耦合单元(2)传输至光谱仪(1)，光谱仪(1)将在输出上位机(5)来显示图谱的变化；当海水盐度发生改变时，金膜(21)外的海水的折射率就会发生改变，此时对应盐度变化的谐振谷会发生移动；当海水温度改变时，不仅会改变空芯光纤(22)内部温度敏感膜的折射率，造成温度对应的谐振谷移动，同时还会使盐度对应的谐振谷移动；因此，利用双波长矩阵的方法，计算两个谐振谷谐振波长的移动量就能反推出海水盐度和温度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，双波长矩阵的方法具体为：当周围海水温度保持不变而改变海水盐度时，盐度对应的谐振谷的谐振波长λS会发生移动；而当海水盐度保持不变而改变海水温度时，不仅会使温度对应的谐振谷的谐振波长λT发生移动，还会使盐度对应的谐振谷的谐振波长λS发生移动；传感器的双波长矩阵为：
其中，ΔλS、ΔλT分别为盐度对应谐振谷谐振波长的移动量和温度对应谐振谷谐振波长移动量的移动量；ΔS、ΔT分别为海水盐度的变化量和海水温度的变化量；X为海水盐度变化时盐度对应谐振谷谐振波长的移动灵敏度系数；Y、Z分别为外界温度变化时海水盐度对应谐振谷谐振波长的移动灵敏度系数和温度对应谐振谷谐振波长的移动灵敏度系数；当传感器结构参数固定时，X、Y、Z均为固定值；
通过观察传感器的双波长矩阵中盐度对应谐振谷谐振波长的移动量和温度对应谐振谷谐振波长移动量即可反推出海水盐度和温度大小。
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