CN111272331A - 基于表面等离激元共振的光纤气压传感器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于表面等离激元共振的光纤气压传感器及系统，主要涉及气压测量领域。本申请使用该光纤气压传感器测量待测气压时，当该密封腔内部的液体在没有压力的时候汇聚在一起，当存在压力的时候，液体在压力的作用下进行流动，外界气体的压强会改变液体的位置，使得该液体分布在多个金属结构周围，从而在多个金属结构的表面上形成了表面等离激元，使得多个金属结构的共振波长发生变化，进而使得该传感部的透射特性发生改变，使得通过该光纤的输出光的透射光谱发生相应的改变，通过输出光的透射光谱的改变与气压的对应关系，得到准确的待测气压。

Description

基于表面等离激元共振的光纤气压传感器及系统

技术领域

本发明涉及气压测量领域，主要涉及一种基于表面等离激元共振的光纤气压传感器及系统。

背景技术

气压是作用在单位面积上的大气压力，即在数值上等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱所受到的重力。著名的马德堡半球实验证明了它的存在。气压的国际制单位是帕斯卡，简称帕，符号是Pa，现有技术中，测量气压主要是通过过气压传感器进行测量。

空气压缩机的气压传感器主要的传感元件，是一个对气压的强弱敏感的薄膜和一个顶针开控制，电路方面它连接了一个柔性电阻器。当被测气体的压力降低或升高时，这个薄膜变形带动顶针，同时该电阻器的阻值将会改变。电阻器的阻值发生变化。从传感元件取得0-5V的信号电压，经过A/D转换由数据采集器接收，然后数据采集器以适当的形式把结果传送给计算机，就得到了待测量的气压数据。

但是，由于空气压缩机使用一段时间之后，薄膜由于具有可塑性形变，不能准确的带动顶针旋转，使得该气压传感器对气压的测量不准确。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于表面等离激元共振的光纤气压传感器及系统，以解决现有技术中由于空气压缩机使用一段时间之后，薄膜由于具有可塑性形变，不能准确的带动顶针旋转，使得该气压传感器对气压的测量不准确的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种基于表面等离激元共振的光纤气压传感器，光纤气压传感器包括：光纤和传感部，传感部设置在光纤纤芯上，传感部包括：腔体、多个金属结构和液体，腔体和光纤纤芯形成密封腔，多个贵金属结构分别设置在密封腔内部的光纤纤芯上，液体填充在密封腔内部，且未将密封腔填满。

可选的，该液体的折射率大于空气的折射率，且小于玻璃的折算率。

可选的，该传感部的腔体的材料为柔性材料。

可选的，该多个金属结构的材料为贵金属。

可选的，该多个金属结构的材料为：金、银、钌、铑、钯、锇、铱和铂中至少一种。

可选的，该传感部的靠近光纤输入端的一侧为储液部，储液部用于存放液体，传感部靠近靠近光纤输出的一侧为金属部，金属部用于设置多个金属结构。

可选的，该光纤气压传感器包括多个传感部，多个传感部分别设置在光纤纤芯上。

可选的，该光纤为单模光纤或者多模光纤。

第二方面，本申请提供另一种基于表面等离激元共振的光纤气压传感系统，光纤气压传感系统包括：光源、光谱仪和第一方面任意一项的光纤气压传感器，光源和光谱仪分别设置在光纤的入射端和出射端。

本发明的有益效果是：

本申请将传感部设置在光纤纤芯上，传感部包括：腔体、多个金属结构和液体，腔体和光纤纤芯形成密封腔，多个贵金属结构分别设置在密封腔内部的光纤纤芯上，液体填充在密封腔内部，且未将密封腔填满，使用该光纤气压传感器测量待测气压时，当该密封腔内部的液体在没有压力的时候汇聚在一起，当存在压力的时候，液体在压力的作用下进行流动，外界气体的压强会改变液体的位置，使得该液体分布在多个金属结构周围，从而在多个金属结构的表面上形成了表面等离激元，使得多个金属结构的共振波长发生变化，进而使得该传感部的透射特性发生改变，使得通过该光纤的输出光的透射光谱发生相应的改变，通过输出光的透射光谱的改变与气压的对应关系，得到准确的待测气压。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为发明实施例提供的一种基于表面等离激元共振的光纤气压传感器的结构示意图；

图2为发明实施例提供的另一种基于表面等离激元共振的光纤气压传感器的结构示意图；

图3为发明实施例提供的另一种基于表面等离激元共振的光纤气压传感器的结构示意图。

图标：10-光纤；20-传感部；21-腔体；22-金属结构；23-液体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一金属板实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

图1为发明实施例提供的一种基于表面等离激元共振的光纤气压传感器的结构示意图；如图1所示，本申请提供一种基于表面等离激元共振的光纤气压传感器，光纤气压传感器包括：光纤10和传感部20，传感部20设置在光纤10纤芯上，传感部20包括：腔体21、多个金属结构22和液体23，腔体21和光纤10纤芯形成密封腔，多个金属结构22分别设置在密封腔内部的光纤10纤芯上，液体23填充在密封腔内部，且未将密封腔填满。

光纤气压传感器的传感部20设置在该光纤10一侧，该传感部20的腔体21贴在光纤10的一侧，该腔体21一般为长方体空腔，且该长方体空腔缺少一个面，并使用缺少的一个面的位置紧贴该光纤10设置，该传感部20和该光纤10形成密封腔，在实际应用中可以将该传感部20的腔体21粘贴在该光纤10的侧壁上，该密封腔内设置多个金属结构22，该金属结构22的形状可以为圆柱体，也可以为棱柱体还可以为其他任意形状，在此不作具体限定，为了方便说明，在此以嘎金属结构22的形状为圆柱进行说明，多个圆柱体的金属结构22之间的距离根据实际需要进行设置，在此不做具体限定，该密封腔中填充的液体23的量根据实际情况进行设置，在此不做具体限定，该液体23的作用分为两个方面，第一方面用于对外界气压的传感；另一方面当光传输到传感部20位置时，由于光纤10和溶液的折射率差小于光纤10与空气的折射率差，因此大部分能量会以倏逝场的形式存在于光纤10外部的介质，从而，光纤10的光场分布对于外界环境的变化非常敏感，提高了传感灵敏度，由于光纤10一般材料为二氧化硅，材质较脆，当存在外界压力的时候，容易使得光纤10损坏，则可以将腔体21设置在光纤10外部相当于在光纤10外侧包裹一层弹性材料，该腔体21不光对该传感部20的其他装置进行保护密封，还对该光纤10进行保护，使用该光纤气压传感器测量待测气压时，当该密封腔内部的液体23在没有压力的时候汇聚在一起，当存在压力的时候，液体23在压力的作用下进行流动，外界气体的压强会改变液体23的位置，使得该液体23分布在多个金属结构22周围，从而在多个金属结构22的表面上形成了表面等离激元，使得多个金属结构22的共振波长发生变化，进而使得该传感部20的透射特性发生改变，使得通过该光纤10的输出光的透射光谱发生相应的改变，通过输出光的透射光谱的改变与气压的对应关系，得到准确的待测气压，需要说明的是，输出光的透射光谱的改变与气压的对应关系，根据实验测量得到在此不做具体限定，本申请中的光纤气压传感器将气压变化转化为光纤10传感器表面的表面等离激元共振特性的变化，当外界环境压强发生改变的时候，该密封腔内的液体23状态和位置会发生改变，从而使得多个金属结构22的共振波长发生变化，进而使得该传感部20的透射特性发生改变，使得通过该光纤10的输出光的透射光谱发生相应的改变，所以该光纤气压传感器对气压的测量灵敏度高。另外，光纤气压传感器由于密封性好，则相比于传统的电子气压传感器，稳定性好，抗电磁干扰能力强，体积小。

名词解释，倏逝场也被称为消逝场，是入射波和反射波之间的干涉在入射区域形成驻波分布，尽管所有的功率都被反射回来，但在第二种介质中仍然存在光场，其场强随着到边界距离的增加而迅速消逝，这样一个消逝的，不携带能量的场。

可选的，该液体23的折射率大于空气的折射率，且小于玻璃的折算率。

该液体23的折算率大于空气的折算率，且小于玻璃的折算率，当光传输到传感部20位置时，由于光纤10和溶液的折射率差小于光纤10与空气的折射率差，因此大部分能量会以倏逝场的形式存在于光纤10外部的介质，从而，光纤10的光场分布对于外界环境的变化非常敏感，提高了传感灵敏度，一般的，该液体23为不侵润液体23。

名词解释，不侵润液体23会产生不侵润现象，不润湿现象的产生与液体23和固体性质有关。同一种液体23，能润湿某些固体的表面，但不能润湿另一些固体的表面。例如，水银不能润湿玻璃，却能润湿干净的锌板、铜板、铁板。造成不浸润现象的原因。可从能量的观点来说明润湿现象。附着层中任一分子，在内聚力大于附着力的情况下，分子受到的合力垂直于附着层指向液体23内部。此时，若将一个分子从液体23内部移到附着层，必须反抗合力f作功，结果将使附着层中势能增大。附着层中的液体23分子越少，系统的能量就越低，状态就越稳定，因此附着层就有缩小的趋势，宏观上就表现出液体23不被固体所吸附。

可选的，该传感部20的腔体21的材料为柔性材料。

该腔体21和该光纤10形成密封腔，由于光纤10一般材料为二氧化硅，材质较脆，当存在外界压力的时候，容易使得光纤10损坏，则可以将腔体21设置为柔性材料对光纤10进行保护。

可选的，该多个金属结构22的材料为贵金属。

可选的，该多个金属结构22的材料为：金、银、钌、铑、钯、锇、铱和铂中至少一种。

该金属结构22的材料可以为金、银、钌、铑、钯、锇、铱和铂中的任意一种，还可以为金、银、钌、铑、钯、锇、铱和铂中任意多种组成的混合金属，若该金属结构22的材料为多种金属组成的混合金属，则混合金属的混合比例根据实际需要而定，在此不做具体限定。

图2为发明实施例提供的另一种基于表面等离激元共振的光纤气压传感器的结构示意图；如图2所示，可选的，该传感部20的靠近光纤10输入端的一侧为储液部，储液部用于存放液体23，传感部20靠近光纤10输出的一侧为金属部，金属部用于设置多个金属结构22。

在该传感部20的腔体21内设置储液部和金属部，该储液部用于存放液体23，该金属部用于设置多个金属结构22，即将多个金属结构22和液体23分开，当对气压不进行测量或者气压未变化的时候，该液体23和多个金属结构22不接触，当有气压时，液体23会流动到金属结构22的周围。由于没有气压时金属结构22周围是空气，有气压时金属结构22周围是液体23，相差非常大，进而使得液体23在压力的作用下进行流动，并且流动空间更多，，从而使得多个金属结构22的共振波长发生变化更大，进而使得该传感部20的透射特性发生改变更多，使得通过该光纤10的输出光的透射光谱发生相应的改变更大，进而使得该光纤气压传感器敏感性更高。

图3为发明实施例提供的另一种基于表面等离激元共振的光纤气压传感器的结构示意图；如图3所示，可选的，该光纤气压传感器包括多个传感部20，多个传感部20分别设置在光纤10纤芯上。

传感部20为多个时，可以使得光纤气压传感器对气压的测量更加敏感，当有气压变化时，多个传感部20共同作用，这样一方面可以提高传感敏感性，另一方面，防止某一传感部20不作用，起不到传感作用，也不影响该光纤气压传感器对气压的测量，增加了该传感器件的可操作性。此外，多个传感部20间会产生干涉效应，形成在相邻传感部20间的共振波长，从而产生相应的透射谷，这从另外一个维度提高了探测准确性。

可选的，该光纤10为单模光纤10或者多模光纤10。

该光纤10可以为单模光纤10，还可以为多模光纤10。

本申请将传感部20设置在光纤10纤芯上，传感部20包括：腔体21、多个金属结构22和液体23，腔体21和光纤10纤芯形成密封腔，多个金属结构22分别设置在密封腔内部的光纤10纤芯上，液体23填充在密封腔内部，且未将密封腔填满，使用该光纤气压传感器测量待测气压时，当该密封腔内部的液体23在没有压力的时候汇聚在一起，当存在压力的时候，液体23在压力的作用下进行流动，外界气体的压强会改变液体23的位置，使得该液体23分布在多个金属结构22周围，从而在多个金属结构22的表面上形成了表面等离激元，使得多个金属结构22的共振波长发生变化，进而使得该传感部20的透射特性发生改变，使得通过该光纤10的输出光的透射光谱发生相应的改变，通过输出光的透射光谱的改变与气压的对应关系，得到准确的待测气压。

本申请提供另一种基于表面等离激元共振的光纤气压传感系统，光纤气压传感系统包括：光源、光谱仪和上述任意一项的光纤气压传感器，光源和光谱仪分别设置在光纤10的入射端和出射端

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于表面等离激元共振的光纤气压传感器，其特征在于，所述光纤气压传感器包括：光纤和传感部，所述传感部设置在所述光纤纤芯上，所述传感部包括：腔体、多个金属结构和液体，所述腔体和所述光纤纤芯形成密封腔，多个所述贵金属结构分别设置在所述密封腔内部的所述光纤纤芯上，所述液体填充在所述密封腔内部，且所述未将所述密封腔填满。

2.根据权利要求1所述的基于表面等离激元共振的光纤气压传感器，其特征在于，所述液体的折射率大于空气的折射率，且小于玻璃的折算率。

3.根据权利要求1所述的基于表面等离激元共振的光纤气压传感器，其特征在于，所述传感部的所述腔体的材料为柔性材料。

4.根据权利要求1所述的基于表面等离激元共振的光纤气压传感器，其特征在于，多个所述金属结构的材料为贵金属。

5.根据权利要求4所述的基于表面等离激元共振的光纤气压传感器，其特征在于，多个所述金属结构的材料为：金、银、钌、铑、钯、锇、铱和铂中至少一种。

6.根据权利要求1所述的基于表面等离激元共振的光纤气压传感器，其特征在于，所述传感部的靠近光纤输入端的一侧为储液部，所述储液部用于存放所述液体，所述传感部靠近光纤输出的一侧为金属部，所述金属部用于设置多个所述金属结构。

7.根据权利要求1所述的基于表面等离激元共振的光纤气压传感器，其特征在于，所述光纤气压传感器包括多个所述传感部，多个所述传感部分别设置在所述光纤纤芯上。

8.根据权利要求1所述的基于表面等离激元共振的光纤气压传感器，其特征在于，所述光纤为单模光纤或者多模光纤。

9.一种基于表面等离激元共振的光纤气压传感系统，其特征在于，所述光纤气压传感系统包括：光源、光谱仪和权利要求1-8任意一项所述的光纤气压传感器，所述光源和所述光谱仪分别设置在光纤的入射端和出射端。

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