CN111457862A - 一种方向识别的光纤spr曲率传感器及使用制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤表面等离子体共振(SPR)传感领域，主要涉及一种方向识别的光纤SPR曲率传感器及使用制作方法，本发明能通过共振波长和共振谷深两个参数，进行曲率测量、弯曲方向判断及进行基于波分复用技术的多点同时测量；本发明在塑料包层光纤纤芯一侧镀制半圆面SPR传感膜，外部用低折射率涂覆胶将塑料包层和涂覆层重塑复原；本发明提出的光纤SPR曲率传感器，与基于光纤干涉和光栅机理的曲率传感器相比，具有结构新颖稳定，弯曲性能强，仅需使用宽带非相干光源及可见光波段光谱仪即可实现检测等优势；在三峡库区滑坡、库岸等地质环境监测，建筑结构健康监测等领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光纤表面等离子体共振(SPR)传感领域，涉及一种方向识别的光纤SPR曲率传感器及使用制作方法。
背景技术
曲率可以反映材料的特性和结构力学，是评估机械、桥梁和建筑结构状态的基础，通过获取结构的曲率信息就可判断结构的健康状态，因此，曲率测量技术在机械工程和结构健康监测领域中尤为重要。与电传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、体积小、传输损耗小、易于弯曲且适用于埋入式分布测量等诸多优势，使得光纤曲率传感器具有广阔的研发前景，已经引起研究人员的广泛关注。在实际工程感测领域中，有时必须确定工程结构的弯曲方向，因此，光纤曲率传感器不仅能够测量曲率，而且能够确定弯曲方向是非常有必要的。此外，在实际工程测量中，传统点式光纤传感器检测范围有限，而能够多点检测的准分布式光纤传感器不仅扩大了光纤传感器的检测范围，而且极大提高了结构健康检测的效率，因此，能够在大范围内实现检测的准分布式光纤传感器具有非常广泛的应用需要和重大研究意义。
目前，研究最多的光纤曲率传感器分为两大类，一类是以光纤布拉格光栅型和长周期光纤光栅为主的光纤光栅型曲率传感器，另一类是以马赫-曾德尔干涉仪为主的光纤干涉仪型曲率传感器。
普通的光纤光栅型曲率传感器主要通过监测光栅谐振波长的偏移量进而实现曲率测量，但是普通光纤光栅型曲率传感器因为其光纤的圆对称性不能识别弯曲方向，因此，光纤光栅型曲率传感器实现弯曲方向识别的方法有两种，一种是在制造过程中引起光纤横截面的折射率调制不对称分布，另外一种是用D型光纤，偏芯光纤和多芯光纤等特种光纤写入光纤光栅，从而实现在不同弯曲方向上具有不同弯曲响应。然而，特种光纤通常不容易与标准单模光纤熔接，并且增加了制造难度和制作成本。
通常制作光纤光栅的常用方法都需要利用掩膜法，其中制作光纤布拉格光栅的是相位掩膜法，制作长周期光纤光栅的是振幅掩膜法，利用掩膜法制作光纤光栅，需要在制作光纤光栅前需要将光纤放置在高压氢气室中放置一段时间，以增加光纤光敏性，而且制作掩膜版复杂，制作成本高，而且不同的光栅需要使用不同的掩膜版，这增加利用光纤光栅传感器实现基于波分复用技术的多点曲率同时测量的成本。制作长周期光纤光栅的另一种方法是逐点写入法，这种方法能够灵活控制光栅的制作长度，但是它需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术，并且在写入长周期光纤光栅过程中会因二氧化碳激光器的功率过大，造成光纤的石英结构遭到破坏，降低了光纤的结构强度，在曲率测量过程中容易折断，从而限制了曲率检测范围。
普通的马赫-曾德尔干涉仪光纤曲率传感器通过错位熔接、粗锥熔接、熔融拉锥、熔接多模光纤等方式将一部分纤芯模式耦合到单模光纤包层中从而激发光纤包层模式，光纤包层模式向前传输一段距离后再次耦合到光纤纤芯中，与光纤纤芯中传输的纤芯模式发生干涉，光纤弯曲后，纤芯模式和包层模式的光程差发生改变，通过检测谐振波长的位置可实现光纤弯曲曲率的测量。制作方向识别的马赫曾德尔干涉仪光纤曲率传感器需要通过错位熔接、不对称粗锥熔接、不对称熔融拉锥等技术手段增加光纤的不对称性，从而实现在不同弯曲方向上具有不同弯曲响应，然而，所提及的技术手段会使光纤石英结构遭到破坏，导致光纤传感器的结构强度降低，在曲率测量中容易折断，限制了曲率检测范围。而利用不对称多芯光纤制作干涉仪光纤曲率传感器，实现在不同弯曲方向上具有不同弯曲响应，但是多芯光纤的制作成本高昂，不利于在实际工程中的应用。
光纤光栅型和光纤干涉仪型曲率传感器在弯曲过程中还会受到温度和轴向应变的影响，导致谐振波长发生偏移。谐振波长发生偏移主要是因为轴向应变的弹光效应以及温度的热光效应和热膨胀效应使得光栅的栅距发生变化，也会使得光纤包层和纤芯的有效折射率差发生改变，因此，光纤光栅型和光纤干涉仪型曲率传感器对温度、轴向应变都非常敏感，导致这两类光纤曲率传感器的测量精度受到影响。
光纤型SPR曲率传感器是利用光纤弯曲会造成光纤纤芯内的全反射角发生改变，纤芯和包层界面的倏逝场强度增大，从而造成SPR谱线发生共振波长偏移以及共振谷的深度变化，通过SPR共振波长的偏移量或者共振谷的深度的变化量就可测量出曲率。光纤SPR共振波长与共振谷深度主要受到光纤内全反射角度和折射率的影响，而温度和轴向应变与SPR传感器的超高灵敏度相比，基本可以忽略。近年来，利用SPR效应的光纤传感器进行曲率测量被研究报道，但是还报道未运用SPR效应对弯曲方向进行识别。
基于此，本发明所要解决的问题是，研究并实现一种新的方法，能够制作一种工艺简单、成本低廉、制作时间短，且结构稳定的光纤SPR曲率传感器，该曲率传感器不仅能够测量监测点的曲率并判断监测点的弯曲方向，还可以实现基于波分复用技术的多点曲率同时测量和弯曲方向判断，在三峡库区滑坡、库岸等地质环境监测，建筑结构健康监测等领域具有良好的应用前景。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构强度高，弯曲性能强的可方向识别的光纤SPR曲率传感器及使用制作方法，解决目前在制作光纤曲率传感器过程中存在成本高昂，工艺复杂，制作时间长且结构不稳定地问题。本发明提出的SPR光纤曲率传感器，能通过共振波长和共振谷深两个参数，进行曲率测量、弯曲方向判断及进行基于波分复用技术的多点同时测量；本发明提出的光纤SPR曲率传感器，与基于光纤干涉和光栅机理的曲率传感器相比，仅需使用宽带非相干光源及可见光波段光谱仪即可实现检测等优势。
为达到上述目的，本发明提供如下的技术方案：
一种方向识别的光纤SPR曲率传感器，包括塑料包层多模光纤(1)以及依次制作在其上的第一SPR传感区(2)和第二SPR传感区(3)；所述塑料包层多模光纤(1)由第一石英纤芯(1-1)、环形包覆在第一石英纤芯表面的塑料包层(1-2)及环形包覆在塑料包层表面的涂覆层(1-3)组成；所述第一SPR传感区(2)由第二石英纤芯(2-1)、包覆在第二石英纤芯表面的第一半圆面SPR传感膜(2-2)、环形包覆在最外侧的第一低折射率涂覆层(2-3)组成；所述第二SPR传感区(3)由第三石英纤芯(3-1)、包覆在第三石英纤芯表面的第二半圆面SPR传感膜(3-2)、环形包覆在最外侧的第二低折射率涂覆层(3-3)组成；所述方向识别的光纤SPR曲率传感器，能通过SPR共振波长和共振谷深两个参数，进行曲率测量和弯曲方向判断；所述的第一低折射率涂覆层(2-3)折射率低于第二低折射率涂覆层(3-3)，SPR曲率传感共振波长工作范围和SPR传感膜外介质折射率相关，改变SPR传感膜外涂覆介质折射率，即可改变SPR共振波长工作范围，将不同折射率涂覆介质的第一SPR传感区(2)和第二SPR传感区(3)级联，即可实现基于波分复用技术的多点曲率同时测量和弯曲方向判断。
可选地，所述塑料包层多模光纤(1)，中心为直径125μm纯石英材料的第一石英纤芯、第一石英纤芯外侧环形紧密包覆低折射率塑料包层至直径150-200μm，低折射率塑料包层材质为低折射率紫外固化胶，塑料包层外侧环形紧密包覆普通光纤涂覆层，至直径250μm，该光纤利用光纤拉制时二次涂覆工艺制作，先将纯二氧化硅光纤预制棒在光纤拉丝塔上拉制成125μm裸光纤丝，先压力涂覆低折射率紫外固化胶涂覆层至设计直径，形成塑料包层，再涂覆普通涂覆层至250μm。
可选地，所述第一半圆面SPR传感膜(2-2)，为半圆形紧密包覆在第二石英纤芯一侧，厚度为30nm-60nm薄膜，材质为金、银、铜等易发生表面等离子体共振的金属，利用直流等离子溅射或磁控溅射工艺镀制于纤芯表面一侧形成半圆形。
可选地，所述第一SPR传感区(2)和第二SPR传感区(3)，长度为10mm-20mm，将塑料包层多模光纤机械剥除涂覆层和塑料包层，裸露125μm纤芯，在纤芯一侧包覆半圆形SPR传感膜，再利用光纤涂覆机在最外侧涂覆低折射率紫外固化胶作为新的低折射率介质涂层，可使光保持传输并提供SPR发生的低折射率介质环境，其中第一SPR传感区(2)最外侧的第一低折射率涂覆层(2-3)折射率范围为1.335-1.355RIU，第二SPR传感区(3)最外侧的第二低折射率涂覆层(3-3)折射率范围为1.365-1.385RIU。
一种方向识别的光纤SPR曲率传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1预制备裸纤区，取塑料包层光纤，其中一段用米勒钳剥除塑料包层和涂覆层，裸露出纤芯，将剥好的塑料包层光纤放置在U型石英槽中，使得纤芯的一半外表面裸露在空气中，另一半光纤纤芯外表与U型石英槽的内壁相接触，用胶水固定，将U型石英槽放置在直流等离子溅射仪或磁控溅射仪金属靶材正下方，U型石英槽的凹槽口垂直向上；
S2镀制金属膜，位于U型石英槽正上方的金属靶垂直向下降落金属粒子，最终裸露在空气中的光纤纤芯的半圆面上镀制厚度为30nm-60nm的金属薄膜；
S3取出镀膜光纤，将U型石英槽取出，浸入解胶剂，溶解掉胶水，取下镀制完金属半膜的光纤，放于光纤涂覆机夹具中；
S4涂覆复原裸纤，光纤涂覆机中预装载固化后折射率为1.335-1.355RIU的低折射率紫外固化胶，对镀制金属半膜的光纤进行低折射率涂覆及固化，固化后的紫外固化胶折射率适合作为传感区的新包层，并使得剥除光纤包层和涂覆层区域的裸光纤直径恢复到250μm，将塑料包层和涂覆层重塑复原，完成第一SPR传感区(2)的制作；
S5在同一段塑料包层光纤上，距第一SPR传感区(2)为10cm-200cm处，用同样的步骤S1-S4制作第二SPR传感区(3)，在涂覆复原裸纤时，光纤涂覆机使用折射率范围为1.365-1.385RIU的低折射率紫外固化胶。
一种方向识别的光纤SPR曲率传感器的使用方法，包括以下步骤：
S1将塑料多模光纤(1)的一端剥除塑料包层与涂覆层并将端面切割平整，插入裸纤适配器后与光源(4)连接，塑料多模光纤(1)的另一端剥除塑料包层与涂覆层并将端面切割平整，插入裸纤适配器后与光谱仪(5)连接，光谱仪采集光谱数据送入计算机实时处理；
S2传输光线在光纤纤芯和光纤包层的交界面发生全反射，光线与交界面的法线间的夹角称为全反射角，根据激发表面等离子体共振的条件，SPR共振峰与全反射角有关，全反射角发生变化，SPR共振谷在光谱上的位置将发生偏移，因此当光纤传感区弯曲时，光纤纤芯内的全反射角发生变化，SPR共振谷在光谱上的位置也将发生偏移，并且随着光纤弯曲曲率增大，光纤纤芯内的全反射角的改变量越大，SPR共振谷在光谱上的偏移量越大，因此可以通过SPR共振峰的偏移量来确定光纤弯曲曲率，从而实现SPR共振谷波长传感曲率；
S3随着光纤传感区弯曲曲率增大，在纤芯和包层界面的倏逝场强度增大，从光纤纤芯中泄露的倏逝场强度越大，而SPR的共振谷深度和倏逝场强度相关，进而实现SPR共振谷深度传感曲率；
S4光纤传感区弯曲，传输光线在弯曲部分内侧全反射角增大，在弯曲部分外侧全反射角减小，而SPR的共振波长和全反射角度相关，当SPR传感半膜在弯曲部分内侧时，SPR共振波长向长波长方向移动，当SPR传感半膜在弯曲部分外侧时，SPR共振波长向短波长方向移动，进而实现SPR共振谷波长的移动方向判断弯曲方向；
S5改变SPR传感膜外涂覆介质折射率，即可改变SPR共振波长工作范围，将不同折射率涂覆介质的传感器级联，即可实现基于波分复用技术的多点曲率同时测量和弯曲方向判断，第一低折射率涂覆层(2-3)折射率低于第二低折射率涂覆层(3-3)，从而实现一次测量，光谱上在不同共振波长范围产生两个共振谷，短波长共振谷代表第一SPR传感区(2)，长波长共振谷代表第二SPR传感区(3)，进而双通道实现两点的曲率同时测量和弯曲方向判断。
所述的方向识别的光纤SPR曲率传感器的使用方法，所述步骤S4中，所述弯曲光纤纤芯表面的点(x,y,z)的轨迹方程表达式为：
其中，R表示光纤的弯曲半径，r表示纤芯半径；
当传输光线从平直光纤的点(0,R,0)进入弯曲光纤，经过时间tn入射到弯曲光纤纤芯表面的点(xn,yn,zn)，其参数方程的表达式为：
其中，α和β分别表示
与xoz平面以及
与xoy平面的夹角；
进一步，将表达式(2)带入表达式(1)中得到：
传输光线从平直光纤入射到弯曲光纤，经过时间tn第一次入射到弯曲光纤纤芯表面，然后传输光线会在弯曲光纤纤芯表面发生全反射，继续沿弯曲光纤向前传输，直至传输光线从弯曲光纤中出射；传输光线在弯曲光纤纤芯表面的第一个全反射点所在平面的法向量
的表达式为：
进一步，传输光线在弯曲光纤纤芯表面的第一个反射点的全反射角θ的表达式为：
将表征传输光线的传播方向的向量
用平行于法线方向的分量
和垂直于法线方向的分量
表示，根据反射定律，在经过反射点后，分量
大小不变，方向相反，分量
大小和方向后不发生改变；以第一个反射点为起点，传输光线在弯曲光纤纤芯内继续向前传播，利用MATLAB仿真软件实现对弯曲光纤纤芯表面的其他反射点的反射角度的计算。
可选地，所述光源(4)为宽带非相干白光光源，波长范围覆盖500-1100nm，所述光谱仪(5)为可见光光谱仪，波长范围覆盖500-1100nm。
可选地，所述方向识别的光纤SPR曲率传感器，其多通道测量实现方法，通过将第一低折射率涂覆层(2-3)和第二低折射率涂覆层(3-3)设置不同折射率实现；或将第一低折射率涂覆层(2-3)和第二低折射率涂覆层(3-3)设置同样的折射率，而将第一半圆面SPR传感膜(2-2)和第二半圆面SPR传感膜(3-2)采用不同材料的金属膜实现；或将第一低折射率涂覆层(2-3)和第二低折射率涂覆层(3-3)设置同样的折射率，第一半圆面SPR传感膜(2-2)和第二半圆面SPR传感膜(3-2)采用相同的金属膜，而将第一半圆面SPR传感膜(2-2)和第二半圆面SPR传感膜(3-2)采用不同的膜厚实现。
可选地，所述方向识别的光纤SPR曲率传感器，其多通道测量采用调节传感区涂覆层折射率或传感膜金属材料实现后，分别通过调节两传感区镀制金属膜的厚度调节两传感区共振谷深度达到一致，从而良好实现基于波分复用的测量。
可选地，所述方向识别的光纤SPR曲率传感器，其多通道测量可综合利用调节传感区涂覆层折射率、传感膜金属材料和传感膜厚度精密调节每个传感区SPR共振谷工作波长范围，进行多于两级的级联，实现基于波分复用技术的更多点曲率及弯曲方向检测。
与现有技术相比，本发明的一种方向识别的光纤SPR曲率传感器及使用制作方法具有以下的积极效果：
1、提供的一种光纤SPR曲率传感器弯性能强，能够在较大曲率范围内进行检测。传统的光纤曲率传感器要对裸光纤进行加工，需要去除光纤涂覆层，并且光纤石英部分也遭到破坏，导致细如发丝的光纤难以承受较大弯曲强度且容易折断，本发明提出的光纤SPR曲率传感器是利用塑料包层多模光纤制成，在去除塑料包层光纤的包层和涂覆层后，再在塑料包层光纤纤芯表面镀制SPR传感膜，外部用低折射率紫外固化胶将塑料包层和涂覆层重塑复原，传感光纤的物理性质和未去除光纤包层和涂覆层的光纤相同，光纤柔韧性高且弯曲性强，能够在较大曲率范围内进行检测。
2、提供的一种光纤SPR曲率传感器，能够通过共振波长和共振谷深度两个参数进行曲率测量。光纤传感区弯曲时，光纤纤芯内的全反射角发生变化，而SPR的共振波长和全反射角度相关，全反射角发生变化，SPR共振谷在光谱上的位置将发生偏移，SPR共振峰的偏移量来确定光纤弯曲曲率，从而实现SPR共振谷波长测量曲率；光纤传感区弯曲时，纤芯和包层界面的倏逝场强度增大，而SPR的共振谷深度和倏逝场强度相关，进而可以通过共振谷深度测量曲率；
3、提供的一种光纤SPR曲率传感器，能够通过共振波长的偏移方向判别光纤弯曲方向。光纤弯曲后，传输光线在弯曲部分内侧全反射角增大，在弯曲部分外侧全反射角减小，而SPR的共振波长和全反射角度相关，当SPR传感半膜在弯曲部分内侧时，SPR共振波长向长波长方向移动，当SPR传感半膜在弯曲部分外侧时，SPR共振波长向短波长方向移动，进而可以通过SPR共振波长的移动方向判断弯曲方向；
4、提供的一种光纤SPR曲率传感器，能够通多点曲率同时测量和弯曲方向判断。改变SPR传感膜外涂覆介质折射率，即可改变SPR共振波长工作范围，将不同折射率涂覆介质的传感器级联，即可实现基于波分复用技术的多点曲率同时测量和弯曲方向判断。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为可方向识别的光纤SPR曲率传感器的结构图。
图2为可方向识别的光纤SPR曲率传感器的工作系统示意图。
图3为图1中AA′、BB′、CC′面对应的剖面图，其中图(a)为塑料包层多模光纤剖面图，对应于AA′平面；图(b)为第一SPR传感区2剖面图，对应于BB′平面。图(c)为第二SPR传感区3剖面图，对应于CC'平面
图4为弯曲光纤内光束反射点数学模型坐标示意图。
图5为本发明的传输光线在不同传播方向下，反射角度θ与投影距离L之间的曲线示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1，附图中的元件标号分别表示：塑料包层光纤1，第一SPR传感区2、第二SPR传感区3、白光光源4、可见光光谱仪5、计算机6。
本发明涉及一种方向识别的光纤SPR曲率传感器，所涉及的塑料包层多模光纤1的包层直径为140μm，纤芯直径为125μm，长度为2m左右，用于传输白光光源4的光并将光依次注入到第一SPR传感区2和第二SPR传感区3，还用于将第一SPR传感区2和第二SPR传感区3输出的光传输到可见光光谱仪5内；第一SPR传感区2和第二SPR传感区3用于结构进行曲率测量，传感区的长度为2cm且两个传感区之间的距离为50cm；可见光光谱仪5用于对光信号进行采集和解调，计算机6用于对可见光光谱仪5传输的反射光谱数据使用软件分析处理。所涉及的白光光源4，波长范围覆盖500-1100nm，所述光谱仪5为可见光光谱仪，波长范围覆盖500-1100nm。
具体连接方式为：塑料包层多模光纤1的左端连接白光光源4，塑料包层多模光纤1的右端连接可见光光谱仪5，可见光光谱仪5连接计算6。
具体的制作方法分为以下几个步骤：
(1)预制备裸纤区，取一段长度为2m的塑料包层多模光纤，塑料包层多模光纤的纤芯直径为125μm，包层直径为150μm，在距离塑料包层多模光纤一端1m处，用米勒钳剥除塑料包层和涂覆层，裸露出长度为2cm的纤芯，将剥好的塑料包层光纤放置在U型石英槽中，使得纤芯的一半外表面裸露在空气中，另一半光纤纤芯外表与U型石英槽的内壁相接触，用胶水固定，将U型石英槽放置在小型直流等离子溅射仪金属靶材正下方，U型石英槽的凹槽口垂直向上；
(2)镀制金膜，利用小型等离子溅射仪(ETD-2000，外部连接有膜厚监测仪)，在8×10-2mbar真空稳定度下，加载10mA溅射电流，位于U型石英槽正上方的金属靶垂直向下降落金属粒子，最终裸露在空气中的光纤纤芯的半圆面上镀制厚度为50nm的金膜；
(3)取出镀膜光纤，将U型石英槽从小型等离子溅射仪中取出，浸入解胶剂，溶解掉胶水，取下镀制完金属半圆面膜的光纤，放于光纤涂覆机夹具中；
(4)涂覆复原裸纤，光纤涂覆机中预装载固化后折射率为1.340RIU的低折射率紫外固化胶，对镀制金属半膜的光纤进行低折射率涂覆及固化，固化后的紫外固化胶折射率适合作为传感区的新包层，并使得剥除光纤包层和涂覆层区域的裸光纤直径恢复到250μm，将塑料包层和涂覆层重塑复原，完成第一SPR传感区2的制作；
(5)在同一段塑料包层光纤上，距第一SPR传感区2为50cm处，用同样的步骤制作第二SPR传感区3，在涂覆复原裸纤时，光纤涂覆机使用折射率为1.370RIU的低折射率紫外固化胶。
具体使用方法为：用米勒钳将整段塑料包层多模光纤1左端剥除塑料包层与涂覆层并用光纤切割刀将端面切割平整，插入裸纤适配器后与白光光源4连接，光源发出的光经过塑料包层光纤1注入到传感膜外涂覆不同折射率介质的第一SPR传感区2和第二SPR传感区3，塑料包层多模光纤1右端剥除塑料包层与涂覆层并将端面切割平整，插入裸纤适配器后与可见光光谱仪5连接，光谱仪采集光谱数据送入计算机6实时处理，将第一SPR传感区2和第二SPR传感区3放于具有形变的建筑结构中，因为第一低折射率涂覆层2-3折射率低于第二低折射率涂覆层3-3，光谱上在不同共振波长范围产生两个共振谷，短波长共振谷代表第一SPR传感区2，长波长共振谷代表第二SPR传感区3，通过共振波长和共振谷深两个参数，进而利用双通道实现两点的曲率同时测量和弯曲方向判断。
附图1为本发明的系统示意图。白光光源4发出的光通过塑料包层多模光纤依次注入到第一SPR传感区2和第二SPR传感区3中，传输光在光纤纤芯与第一半圆面SPR传感膜2-2和第二半圆面SPR传感膜3-2界面发生全反射和表面等离子体共振，反射后的光信号经塑料包层多模光纤1进入可见光光谱仪5，光谱仪5将传输过来的反射光谱传输至计算机6，利用MATLAB仿真软件对数据进行实时处理，即可得到不同曲率的反射光谱曲线。
附图4为本发明的弯曲光纤内光束反射点数学模型坐标示意图。O点为坐标轴原点且为弯曲光纤的圆心，R表示光纤的弯曲半径，r表示光纤纤芯半径，光纤纤芯的中心轴线位于xoy平面，沿光纤纤芯的中心轴线且垂直于xoy平面的曲面为弯曲光纤的中性面，弯曲光纤的中性面既不受压力也不受拉力，以中性面为界限，靠近圆心的一侧半圆柱面为弯曲光纤内侧，远离圆心的一侧半圆柱面为弯曲光纤外侧。
附图5为本发明的传输光线在不同传播方向下，反射角度θ与投影距离L之间的曲线示意图。投影距离L为传输光线在纤芯表面的反射点与光纤纤芯中心轴线之间的距离r在xoy平面的投影。图中(a)为在传输光线以角度α＝0°；β＝9°的传播方向进入弯曲光纤，反射角度θ与投影距离L在不同弯曲曲率下的曲线；图中(b)为在传输光线以角度α＝9°；β＝27°的传播方向进入弯曲光纤，反射角度θ与投影距离L在不同弯曲曲率下的曲线；不同曲率下的曲线在L＝0处相交，此时反射点位于光纤纤芯表面与中性面的交界处；L<0表示全反射角位于弯曲光纤内侧，全反射角随曲率的增大而增大；L>0表示全反射角位于弯曲光纤外侧，全反射角随曲率的增大而减小。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种方向识别的光纤SPR曲率传感器，其特征在于：
包括塑料包层多模光纤(1)以及依次制作在其上的第一SPR传感区(2)和第二SPR传感区(3)；
所述塑料包层多模光纤(1)由第一石英纤芯(1-1)、环形包覆在第一石英纤芯表面的塑料包层(1-2)及环形包覆在塑料包层表面的涂覆层(1-3)组成；
所述第一SPR传感区(2)由第二石英纤芯(2-1)、包覆在第二石英纤芯表面的第一半圆面SPR传感膜(2-2)、环形包覆在最外侧的第一低折射率涂覆层(2-3)组成；
所述第二SPR传感区(3)由第三石英纤芯(3-1)、包覆在第三石英纤芯表面的第二半圆面SPR传感膜(3-2)、环形包覆在最外侧的第二低折射率涂覆层(3-3)组成；
所述方向识别的光纤准分布式SPR曲率传感器，能通过SPR共振波长和共振谷深两个参数，进行曲率测量和弯曲方向判断；
所述的第一低折射率涂覆层(2-3)折射率低于第二低折射率涂覆层(3-3)，SPR曲率传感共振波长工作范围和SPR传感膜外介质折射率相关，改变SPR传感膜外涂覆介质折射率，即可改变SPR共振波长工作范围，将不同折射率涂覆介质的第一SPR传感区(2)和第二SPR传感区(3)级联，即可实现基于波分复用技术的多点曲率同时测量和弯曲方向判断。
2.如权利要求1中所述的一种方向识别的光纤SPR曲率传感器，其特征在于：所述塑料包层多模光纤(1)，中心为直径125μm纯石英材料的第一石英纤芯、第一石英纤芯外侧环形紧密包覆低折射率塑料包层至直径150-200μm，低折射率塑料包层材质为低折射率紫外固化胶，塑料包层外侧环形紧密包覆普通光纤涂覆层，至直径250μm，该光纤利用光纤拉制时二次涂覆工艺制作，先将纯二氧化硅光纤预制棒在光纤拉丝塔上拉制成125μm裸光纤丝，先压力涂覆低折射率紫外固化胶涂覆层至设计直径，形成塑料包层，再涂覆普通涂覆层至250μm。
3.如权利要求1中所述的一种方向识别的光纤SPR曲率传感器，其特征在于：所述第一半圆面SPR传感膜(2-2)，为半圆形紧密包覆在第二石英纤芯一侧，厚度为30nm-60nm薄膜，材质为金、银、铜等易发生表面等离子体共振的金属，利用直流等离子溅射或磁控溅射工艺镀制于纤芯表面一侧形成半圆形。
4.如权利要求1中所述的一种方向识别的光纤SPR曲率传感器，其特征在于：所述第一SPR传感区(2)和第二SPR传感区(3)，长度为10mm-20mm，将塑料包层多模光纤机械剥除涂覆层和塑料包层，裸露125μm纤芯，在纤芯一侧包覆半圆形SPR传感膜，再利用光纤涂覆机在最外侧涂覆低折射率紫外固化胶作为新的低折射率介质涂层，可使光保持传输并提供SPR发生的低折射率介质环境，其中第一SPR传感区(2)最外侧的第一低折射率涂覆层(2-3)折射率范围为1.335-1.355RIU，第二SPR传感区(3)最外侧的第二低折射率涂覆层(3-3)折射率范围为1.365-1.385RIU。
5.一种方向识别的光纤SPR曲率传感器的制作方法，其特征在于，用于制备如权利要求1～4任一项中所述的方向识别的光纤SPR曲率传感器，包括以下步骤：
S1预制备裸纤区，取塑料包层光纤，其中一段用米勒钳剥除塑料包层和涂覆层，裸露出纤芯，将剥好的塑料包层光纤放置在U型石英槽中，使得纤芯的一半外表面裸露在空气中，另一半光纤纤芯外表与U型石英槽的内壁相接触，用胶水固定，将U型石英槽放置在直流等离子溅射仪或磁控溅射仪金属靶材正下方，U型石英槽的凹槽口垂直向上；
S2镀制金属膜，位于U型石英槽正上方的金属靶垂直向下降落金属粒子，最终裸露在空气中的光纤纤芯的半圆面上镀制厚度为30nm-60nm的金属薄膜；
S3取出镀膜光纤，将U型石英槽取出，浸入解胶剂，溶解掉胶水，取下镀制完金属半膜的光纤，放于光纤涂覆机夹具中；
S4涂覆复原裸纤，光纤涂覆机中预装载固化后折射率为1.335-1.355RIU的低折射率紫外固化胶，对镀制金属半膜的光纤进行低折射率涂覆及固化，固化后的紫外固化胶折射率适合作为传感区的新包层，并使得剥除光纤包层和涂覆层区域的裸光纤直径恢复到250μm，将塑料包层和涂覆层重塑复原，完成第一SPR传感区(2)的制作；
S5在同一段塑料包层光纤上，距第一SPR传感区(2)为10cm-200cm处，用同样的步骤S1-S4制作第二SPR传感区(3)，在涂覆复原裸纤时，光纤涂覆机使用折射率范围为1.365-1.385RIU的低折射率紫外固化胶。
6.一种方向识别的光纤SPR曲率传感器的使用方法，其特征在于，应用如权利要求1～4任一项中所述的方向识别的光纤SPR曲率传感器，包括以下步骤：
S1将塑料多模光纤(1)的一端剥除塑料包层与涂覆层并将端面切割平整，插入裸纤适配器后与光源(4)连接，塑料多模光纤(1)另一端剥除塑料包层与涂覆层并将端面切割平整，插入裸纤适配器后与光谱仪(5)连接，光谱仪采集光谱数据送入计算机实时处理；
S2传输光线在光纤纤芯和光纤包层的交界面发生全反射，光线与交界面的法线间的夹角称为全反射角，根据激发表面等离子体共振的条件，SPR共振峰与全反射角有关，全反射角发生变化，SPR共振谷在光谱上的位置将发生偏移，因此当光纤传感区弯曲时，光纤纤芯内的全反射角发生变化，SPR共振谷在光谱上的位置也将发生偏移，并且随着光纤弯曲曲率增大，光纤纤芯内的全反射角的改变量越大，SPR共振谷在光谱上的偏移量越大，因此可以通过SPR共振峰的偏移量来确定光纤弯曲曲率，从而实现SPR共振谷波长传感曲率；
S3随着光纤传感区弯曲曲率增大，在纤芯和包层界面的倏逝场强度增大，从光纤纤芯中泄露的倏逝场强度越大，而SPR的共振谷深度和倏逝场强度相关，进而实现SPR共振谷深度传感曲率；
S4光纤传感区弯曲，传输光线在弯曲部分内侧全反射角增大，在弯曲部分外侧全反射角减小，而SPR的共振波长和全反射角度相关，当SPR传感半膜在弯曲部分内侧时，SPR共振波长向长波长方向移动，当SPR传感半膜在弯曲部分外侧时，SPR共振波长向短波长方向移动，进而实现SPR共振谷波长的移动方向判断弯曲方向；
S5改变SPR传感膜外涂覆介质折射率，即可改变SPR共振波长工作范围，将不同折射率涂覆介质的传感器级联，即可实现基于波分复用技术的多点曲率同时测量和弯曲方向判断，第一低折射率涂覆层(2-3)折射率低于第二低折射率涂覆层(3-3)，从而实现一次测量，光谱上在不同共振波长范围产生两个共振谷，短波长共振谷代表第一SPR传感区(2)，长波长共振谷代表第二SPR传感区(3)，进而双通道实现两点的曲率同时测量和弯曲方向判断。
7.如权利要求6中所述的方向识别的光纤SPR曲率传感器的使用方法，其特征在于：所述光源(4)为宽带非相干白光光源，波长范围覆盖500-1100nm，所述光谱仪(5)为可见光光谱仪，波长范围覆盖500-1100nm。
8.如权利要求6中所述的方向识别的光纤SPR曲率传感器的使用方法，其特征在于：所述方向识别的光纤SPR曲率传感器，其多通道测量实现方法，通过将第一低折射率涂覆层(2-3)和第二低折射率涂覆层(3-3)设置不同折射率实现；或将第一低折射率涂覆层(2-3)和第二低折射率涂覆层(3-3)设置同样的折射率，而将第一半圆面SPR传感膜(2-2)和第二半圆面SPR传感膜(3-2)采用不同材料的金属膜实现；或将第一低折射率涂覆层(2-3)和第二低折射率涂覆层(3-3)设置同样的折射率，第一半圆面SPR传感膜(2-2)和第二半圆面SPR传感膜(3-2)采用相同的金属膜，而将第一半圆面SPR传感膜(2-2)和第二半圆面SPR传感膜(3-2)采用不同的膜厚实现。
9.如权利要求6中所述的方向识别的光纤SPR曲率传感器的使用方法，其特征在于：所述方向识别的光纤SPR曲率传感器，其多通道测量采用调节传感区涂覆层折射率或传感膜金属材料实现后，分别通过调节两传感区镀制金属膜的厚度调节两传感区共振谷深度达到一致，从而良好实现基于波分复用的测量。
10.如权利要求6中所述的方向识别的光纤SPR曲率传感器的使用方法，其特征在于：所述方向识别的光纤SPR曲率传感器，其多通道测量可综合利用调节传感区涂覆层折射率、传感膜金属材料和传感膜厚度精密调节每个传感区SPR共振谷工作波长范围，进行多于两级的级联，实现基于波分复用技术的更多点曲率及弯曲方向检测。
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