CN110186590A - 一种由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器，阶跃折射率多模塑料包层光纤中部间隔10mm的两侧分别剥除10mm长度的包层形成裸露纤芯，其中一侧的裸露纤芯上溅射有厚度为40nm的环形金膜，该环形金膜外侧包覆有塑料管，塑料管与环形金膜之间的空腔填充液晶分子层后进行密封处理形成传感通道I，另一侧的裸露纤芯上依次溅射有厚度为60nm的环形银膜和厚度为22nm的环形氧化铟锡薄膜形成传感通道II。本发明制作简便，同时结合了液晶分子的温度特性，使其具有很高的温度响应灵敏度，并且能实现在不同温度范围的变灵敏度响应。
Description
技术领域
本发明属于光纤表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）传感器的设计和制造技术领域，具体涉及一种由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器。
背景技术
传统的测温器件有热敏电阻与热电偶。热敏电阻测量精度虽然很高，但是由于其输出信号与温度之间具有非线性关系，从而不利于建立很好的响应关系；而热电偶与热敏电阻相比，具有相反的特点：测量精度较低，信号与温度线性相关。另外应用较多的芯片集成电路测温装置，其比热敏电阻更为精确，信号和温度也有高度线性相关性，却具有自加热效应和慢响应速率慢的缺陷。液晶随温度相变的物理特性决定了其可以成为一种优秀的测温材料。目前已知的基于波长调制的液晶测温系统，例如基于法布里珀罗腔（F-P）和光子晶体光纤设计的温度传感系统，具有极高的灵敏度。但是F-P腔测温系统需要复杂的响应电路支持，对于光子晶体光纤测温系统，将液晶填充到光子晶体光纤内也是极其困难的。因此，需要设计一种新型的温度传感系统，让其具有灵敏度高，信号响应曲线具有高度线性相关性，制作方法简便等特点。
发明内容
为达到设计目的，本发明将光纤SPR传感技术与液晶的材料特性相结合，设计了一种新型液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器，并验证了其传感特性。该传感器的探针结构的基底采用的是阶跃折射率多模塑料包层光纤，传感通道I在光纤裸露纤芯外侧溅射一层纳米金膜并将其用液晶包覆，传感通道II在光纤裸露纤芯外侧溅射银和氧化铟锡的双层膜结构。相比于F-P腔和光子晶体光纤的测温系统的复杂性，光纤SPR测温系统的探针部分制作简便，同时结合了液晶分子的温度特性，使其具有很高的温度响应灵敏度，并且能实现在不同温度范围的变灵敏度响应。
本发明为实现上述目的采用如下技术方案，一种由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器，其特征在于：长度为60mm、纤芯直径为400μm的阶跃折射率多模塑料包层光纤中部间隔10mm的两侧分别剥除10mm长度的包层形成裸露纤芯，其中一侧的裸露纤芯上溅射有厚度为40nm的环形金膜，该环形金膜外侧包覆有塑料管，塑料管与环形金膜之间的空腔填充液晶分子层后进行密封处理形成传感通道I，另一侧的裸露纤芯上依次溅射有厚度为60nm的环形银膜和厚度为22nm的环形氧化铟锡薄膜形成传感通道II。
优选的，所述阶跃折射率多模塑料包层光纤的两端分别剥除7mm长度的包层形成裸露纤芯，该裸露纤芯端面通过光纤研磨机研磨平滑。
优选的，所述液晶分子层的材质为向列热致液晶4-氰基-4'戊基联苯。
本发明所述的由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器的制作方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：将一段长度为60mm、纤芯直径为400μm的阶跃折射率多模塑料包层光纤的两端分别剥除7mm长度的包层形成裸露纤芯，并通过光纤研磨机将裸露纤芯的端面研磨平滑；
步骤S2：在阶跃折射率多模塑料包层光纤的中部间隔10mm的两侧分别剥除10mm长度的包层形成裸露纤芯，并对光纤进行超声波清洁处理以清除光纤两端的研磨碎屑及保证裸露纤芯部分的洁净度；
步骤S3：通过真空磁控溅射镀膜仪在阶跃折射率多模塑料包层光纤中部一侧的裸露纤芯上溅射厚度为40nm的环形金膜并用耐高温塑料管包覆，再通过微型注射器将室温下的向列热致液晶4-氰基-4'戊基联苯填充到塑料管与环形金膜之间的空腔内，填充完毕后进行全封闭处理形成传感通道I；
步骤S4：通过真空磁控溅射镀膜仪在阶跃折射率多模塑料包层光纤中部另一侧的裸露纤芯上依次溅射厚度为60nm的环形银膜和厚度为22nm的环形氧化铟锡薄膜形成传感通道II。
本发明所述的由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器的使用方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：用400μm芯径规格、接口类型为SMA905的光纤连接器和法兰接口将制得的由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器与光纤连接线进行连接；
步骤S2：将传感器上传感通道I一侧的光纤连接线连接到准备的白光光源上，传感器另一侧的光纤连接线连接到光纤光谱仪上，此时传感器内部的共振反射光传输到光纤光谱仪中，使其能够探测到该信号，并与计算机连接，以便可以实现对反射光谱数据的读取以及分析；
步骤S3：准备一个比传感器大的硬质玻璃试管，将传感器置于硬质玻璃试管中，并向硬质玻璃试管内通入均匀介质作为环境介质测量其反射光谱；
步骤S4：对硬质玻璃试管进行水浴加热，从室温加热到沸腾，并实时记录反射光谱和与之对应的温度，测量10组数据，反复测量三次；
步骤S5：通过得到的反射光谱与波长的关系以及随温度变化的共振波长的变化，分别计算出两个传感通道的共振波长与温度线性相关的曲线，然后结合待测介质反射光谱的波长参数与两个传感通道的共振波长与温度线性相关的曲线即可得到待测介质的温度参数。
优选的，所述传感通道I在室温至34.5℃的范围内具有1.006nm/℃的温度灵敏度，同时在34.5℃时共振波长出现了6.8nm的阶跃变化，之后在35-60℃范围内其温度灵敏度为0.058nm/℃；传感通道II在室温至60℃的范围内温度灵敏度为-0.8nm/℃，且具有很好的温度-波长响应曲线。
本发明的传感器制作过程简单方便，有效结合了液晶分子随温度变化而产生相变的特点，利用光纤SPR传感的方式将其变为一个具备自校准功能的双传感通道温度计，不仅可以对实验室环境温度进行实时监测，而且可应用于基于共振波长变化的生物传感检测系统。
附图说明
图1是本发明中传感器的结构示意图；
图2是本发明传感器中传感通道I处的剖面结构示意图；
图3是本发明传感器中传感通道II处的剖面结构示意图；
图4是本发明的实验测量反射谱。
图中：1-纤芯，2-金膜，3-液晶分子层，4-银膜，5-氧化铟锡薄膜，6-传感通道I，7-传感通道II。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
结合附图1-3详细描述本发明中光纤SPR双通道自校准温度传感器的具体结构及其制作过程。一种由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器，长度为60mm、纤芯直径为400μm的阶跃折射率多模塑料包层光纤中部间隔10mm的两侧分别剥除10mm长度的包层形成裸露纤芯1，其中一侧的裸露纤芯1上溅射有厚度为40nm的环形金膜2，该环形金膜2外侧包覆有塑料管，塑料管与环形金膜2之间的空腔填充液晶分子层3后进行密封处理形成传感通道I 6，另一侧的裸露纤芯1上依次溅射有厚度为60nm的环形银膜4和厚度为22nm的环形氧化铟锡薄膜5形成传感通道II 7。所述阶跃折射率多模塑料包层光纤的两端分别剥除7mm长度的包层形成裸露纤芯，该裸露纤芯端面通过光纤研磨机研磨平滑。
整个光纤SPR双通道自校准温度传感器的制作及其测量系统所需要的设备支持及其所承担的作用：
设备D1-光纤光谱仪（HR4000, Ocean Optics, Inc.）：接收传感探针所传递来的反射光谱信号，再将其输送到计算机中进行数据处理。
设备D2-白光光源（HL-2000-FHSA, Ocean Optics, Inc.）：波长范围为360-2400nm。本发明的测量系统中所用光纤与连接线的规格都是统一的阶跃折射率多模光纤，具有较大的数值孔径和纤芯直径，可将更多的光能耦合进去，因此可以采用LED或者卤素灯等功率较小的光源，无须使用大功率激光器，从而降低成本，且使得整个装置更为灵便。
设备D3-磁控溅射镀膜仪（K575XD from E.M.Technologies Ltd. Ashford,Kent）：在真空环境下，将传感探针的两个通道的纤芯表面分别溅射上对应的金属层，同时可以达到nm级别的薄膜厚度的控制。
设备D4-计算机：用于接收光纤光谱仪所传递来的反射光谱的信号，并将其转化为波长与反射率的共振曲线图，从而分析该探针结构的传感特性。
整个光纤SPR双通道自校准温度传感器的制作过程为：
步骤S1：将一段长度为60mm、纤芯直径为400μm的阶跃折射率多模塑料包层光纤的两端分别剥除7mm长度的包层形成裸露纤芯，并通过光纤研磨机将裸露纤芯的端面研磨平滑；
步骤S2：在阶跃折射率多模塑料包层光纤的中部间隔10mm的两侧分别剥除10mm长度的包层形成裸露纤芯，并对光纤进行超声波清洁处理以清除光纤两端的研磨碎屑及保证裸露纤芯部分的洁净度；
步骤S3：通过真空磁控溅射镀膜仪在阶跃折射率多模塑料包层光纤中部一侧的裸露纤芯上溅射厚度为40nm的环形金膜并用耐高温塑料管包覆，再通过微型注射器将室温下的向列热致液晶4-氰基-4'戊基联苯填充到塑料管与环形金膜之间的空腔内，填充完毕后进行全封闭处理形成传感通道I；
步骤S4：通过真空磁控溅射镀膜仪在阶跃折射率多模塑料包层光纤中部另一侧的裸露纤芯上依次溅射厚度为60nm的环形银膜和厚度为22nm的环形氧化铟锡薄膜形成传感通道II。
下面要利用所列出的设备对光纤SPR温度探针部分的传感特性测量方式进行描述：
步骤S1：用400μm芯径规格、接口类型为SMA905的光纤连接器和法兰接口将上述制备好的传感器与光纤连接线进行连接；
步骤S2：将传感器上传感通道I一侧的光纤连接线连接到准备的白光光源上，传感器另一侧的光纤连接线连接到光纤光谱仪上，此时传感器内部的共振反射光会传输到光纤光谱仪中，使其能够探测到该信号，并与计算机连接，以便可以实现对反射光谱数据的读取以及分析；
步骤S3：准备一个比传感器略大的硬质玻璃试管，将传感器置于硬质玻璃试管中，并向硬质玻璃试管内通入均匀介质（水，折射率为1.33）作为环境介质测量其反射光谱；
步骤S4：对硬质玻璃试管进行水浴加热，从室温加热到沸腾，并实时记录反射光谱和与之对应的温度，测量10组数据，反复测量三次；
步骤S5：通过得到的反射光谱与波长的关系（如图4所示）以及随温度变化的共振波长的变化，分别计算出两个传感通道的共振波长与温度线性相关的曲线。
通过上述实施例的操作测量和计算得出以下结论：传感通道I在室温至34.5℃的范围内具有1.006nm/℃的温度灵敏度，同时在34.5℃时共振波长出现了6.8nm的阶跃变化，之后在35-60℃范围内其温度灵敏度为0.058nm/℃；传感通道II在室温至60℃的范围内温度灵敏度为-0.8nm/℃，且具有很好的温度-波长响应曲线。
因此，可以将传感通道I视为一个在不同温度范围可实现变灵敏度响应温度传感通道，传感通道II可以作为本发明的温度自校准结构。实验得到的结果与发明所预想的效果一致，可以实现双通道自校准的温度测量功能。并且解决了已有的温度测量装置灵敏度低、线性相关性差及构造操作难等缺陷。本发明不仅可以检测环境温度的实时变化，也可以应用到基于波长共振的生化传感中。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (6)
1.一种由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器，其特征在于：长度为60mm、纤芯直径为400μm的阶跃折射率多模塑料包层光纤中部间隔10mm的两侧分别剥除10mm长度的包层形成裸露纤芯，其中一侧的裸露纤芯上溅射有厚度为40nm的环形金膜，该环形金膜外侧包覆有塑料管，塑料管与环形金膜之间的空腔填充液晶分子层后进行密封处理形成传感通道I，另一侧的裸露纤芯上依次溅射有厚度为60nm的环形银膜和厚度为22nm的环形氧化铟锡薄膜形成传感通道II。
2.根据权利要求1所述的由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器，其特征在于：所述阶跃折射率多模塑料包层光纤的两端分别剥除7mm长度的包层形成裸露纤芯，该裸露纤芯端面通过光纤研磨机研磨平滑。
3.根据权利要求1所述的由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器，其特征在于：所述液晶分子层的材质为向列热致液晶4-氰基-4'戊基联苯。
4.一种权利要求1所述的由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器的制作方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：将一段长度为60mm、纤芯直径为400μm的阶跃折射率多模塑料包层光纤的两端分别剥除7mm长度的包层形成裸露纤芯，并通过光纤研磨机将裸露纤芯的端面研磨平滑；
步骤S2：在阶跃折射率多模塑料包层光纤的中部间隔10mm的两侧分别剥除10mm长度的包层形成裸露纤芯，并对光纤进行超声波清洁处理以清除光纤两端的研磨碎屑及保证裸露纤芯部分的洁净度；
步骤S3：通过真空磁控溅射镀膜仪在阶跃折射率多模塑料包层光纤中部一侧的裸露纤芯上溅射厚度为40nm的环形金膜并用耐高温塑料管包覆，再通过微型注射器将室温下的向列热致液晶4-氰基-4'戊基联苯填充到塑料管与环形金膜之间的空腔内，填充完毕后进行全封闭处理形成传感通道I；
步骤S4：通过真空磁控溅射镀膜仪在阶跃折射率多模塑料包层光纤中部另一侧的裸露纤芯上依次溅射厚度为60nm的环形银膜和厚度为22nm的环形氧化铟锡薄膜形成传感通道II。
5.一种权利要求1所述的由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器的使用方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：用400μm芯径规格、接口类型为SMA905的光纤连接器和法兰接口将制得的由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器与光纤连接线进行连接；
步骤S2：将传感器上传感通道I一侧的光纤连接线连接到准备的白光光源上，传感器另一侧的光纤连接线连接到光纤光谱仪上，此时传感器内部的共振反射光传输到光纤光谱仪中，使其能够探测到该信号，并与计算机连接，以便可以实现对反射光谱数据的读取以及分析；
步骤S3：准备一个比传感器大的硬质玻璃试管，将传感器置于硬质玻璃试管中，并向硬质玻璃试管内通入均匀介质作为环境介质测量其反射光谱；
步骤S4：对硬质玻璃试管进行水浴加热，从室温加热到沸腾，并实时记录反射光谱和与之对应的温度，测量10组数据，反复测量三次；
步骤S5：通过得到的反射光谱与波长的关系以及随温度变化的共振波长的变化，分别计算出两个传感通道的共振波长与温度线性相关的曲线，然后结合待测介质反射光谱的波长参数与两个传感通道的共振波长与温度线性相关的曲线即可得到待测介质的温度参数。
6.根据权利要求5所述的由液晶填充的双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器的使用方法，其特征在于：所述传感通道I在室温至34.5℃的范围内具有1.006nm/℃的温度灵敏度，同时在34.5℃时共振波长出现了6.8nm的阶跃变化，之后在35-60℃范围内其温度灵敏度为0.058nm/℃；传感通道II在室温至60℃的范围内温度灵敏度为-0.8nm/℃，且具有很好的温度-波长响应曲线。
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| CN (1) | CN110186590A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113533259A (zh) * | 2021-06-04 | 2021-10-22 | 天津大学 | 一种基于双通道结构的光纤spr传感器及其检测方法 |
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| CN210136002U (zh) * | 2019-05-17 | 2020-03-10 | 河南师范大学 | 由液晶填充双通道自校准光纤表面等离子共振温度传感器 |
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2019
- 2019-05-17 CN CN201910410185.6A patent/CN110186590A/zh active Pending
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