CN113310507A - 一种测量位移和角度的光纤spr传感器及标定装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤传感领域，光纤SPR传感器包括注光光纤，与注光光纤呈一定角度并径向偏离一定位移放置的角度调制光纤，与角度调制光纤同轴对接的传感光纤以及与传感光纤同轴对接的收光光纤；注光光纤与角度调制光纤之间可调的径向偏离位移与轴倾角用于感知外界微位移变化和角度变化；角度调制光纤中的光束随着注光光纤与角度调制光纤之间径向偏离位移以及轴倾角的变化以不同的路径进行传输，进而以不同角度入射到传感光纤；传感光纤随着光入射角度的变化具有不同的全内反射角，即在传感区具有不同的SPR入射角，从而在其出射光谱中呈现不同位置的SPR共振谷，通过SPR共振波长的偏移量便可实现外部位移变化和角度变化的测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种测量位移和角度和光纤SPR 传感器及标定装置与方法。
背景技术
位移，作为检测领域中重要的物理量之一，是各种物理量的基础，通过测量位移可以间接测出体积、压强、压力、速度、加速度等物理量，甚至可以检测膨胀、偏轴、化学反应等一些物理化学变化过程，因此，位移是研究传感装置时主要考虑的因素之一。目前，位移传感器已经实现对器件相对位置的位移监测以及微小振动位移的测控，在机器运转产生的振动、石油化工中液位监测等产业结构领域中得到实际应用。角度，作为常规测量中另外一个重要物理参量，可以用来表征物体转动时的位置变化量，并且角度传感器在设计制造领域和军事领域中有着广泛应用。
传统的位移测量方法主要有机械测量、电磁测量、无线电测量和光学测量，传统的角度测量方法主要有机械测量、电磁测量和光学测量，而能够实现同时实现位移和角度的测量是基于电容式传感器的电磁测量和基于激光外差干涉的光学测量。其中，基于电容式传感器的测量方法是利用极板之间的距离和角度与电容量之间的变化关系，是通过电磁参量来检测角度和位移，其抗电磁干扰能力弱；基于激光外差干涉的测量方法是利用法拉第旋光效应，实现线偏振光束原路返回形成干涉，通过干涉原理中对应的相干花纹变动的光程差异来解算角度和位移，该测量技术发展较为成熟，且抗电磁干扰能力强、灵敏度以及精度高，但是需要精细光路调节和昂贵的激光光源。
光纤传感器具有体积小、抗电磁干扰能力强、灵敏度高、成本低、易于连接等优点，采用光纤传输的方案来实现位移和角度的测量，能够避免光学测量技术所需的复杂光路调节。现有能够实现同时测量位移和角度的光纤传感器是反射式强度调制型光纤传感器，该传感器是通过检测强度或者功率变化来测量位移或角度，其测量结果容易受到环境光干扰、光源功率波动、被测面反射率变化等因素的影响。
近几十年来，光纤表面等离子体共振(SPR)传感器因其具有灵敏度高的特性，已经成功应用于化学和生物分析物折射率检测，但是少有利用光纤SPR传感器实现位移或角度的测量，尤其能够利用光纤SPR传感器实现位移和角度的双参数测量。鉴于此，本发明提出一种基于表面等离子体共振(SPR)技术的光纤传感器，该传感器是波长调制型光纤传感器，可以利用光谱波长变化检测出位移和角变化，能够避免强度调制型光纤传感器对环境光强或者被测面反射率等因素的影响。本发明提出的光纤SPR 传感器能够实现位移和角度的测量，可用于检测建筑结构微小位移量和倾斜量，未来在监测交通沿线边坡滑坡、路基沉降、大型建筑结构倾斜变形等领域可有良好的应用前景。
发明内容
本发明意在提供供一种能够测量位移和角度的波长调制型光纤SPR 传感器，以解决强度调制型光纤传感器的精度和稳定性容易受环境光干扰、光源功率扰动等因素影响的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种测量位移和角度的光纤SPR传感器，包括注光光纤，与注光光纤呈一定径向偏离位移和角度放置的角度调制光纤，与角度调制光纤同轴对接的传感光纤以及与传感光纤同轴对接的收光光纤；所述注光光纤可以是单模光纤或阶跃折射率多模光纤，用于接收并传递来自宽谱白光光源的光束，并与角度调制光纤轴线形成一定径向偏离位移和倾角传感外界位移和角度变化；所述角度调制光纤可以是阶跃折射率多模光纤或渐变折射率多模光纤，用于接收并传递来自注光光纤的光束，通过自身的光传输特性调节光束在角度调制光纤中的传输路径以及其出射光与传输轴线夹角，并将光束以一定入射光角度注入传感光纤；所述传感光纤可以是单模光纤或塑料包层多模光纤，用于接收并传递来自角度调制光纤的光，使传输光以一定角度传输至传感光纤与金属薄膜交界面发生全反射并产生SPR现象，反射光信号再传输至收光光纤；所述收光光纤为粗芯阶跃折射率多模光纤，用于接收光信号并将其传递至光谱仪进行后续数据处理。
当通过单模光纤为阶跃折射率多模光纤倾斜注光，从单模光纤进入到阶跃折射率多模光纤的传输光，将在阶跃折射率多模光纤中沿空间螺旋折线轨迹向前传输形成斜光线，随后从阶跃多模光纤中出射并进入到传感光纤，光在传感光纤中传输并呈一定角度与其传感区表面的传感膜相接触，并发生SPR效应。
在保持角度调制光纤长度不变的情况下，通过改变注光光纤与角度调制光纤轴线的径向偏移量和倾角，便可改变传输光束在角度调制光纤中的传输轨迹，进而改变其传输光束离开角度调制光纤的出射角度；当角度调制光纤中的光以不同入射角度进入传感光纤时，角度调制光纤中的传输光束将以不同传输路径向前传输，而传感区的全反射角即SPR入射角随之改变，进而改变SPR共振谷的在传感器出射光谱上的位置，通过其SPR 共振波长的移动量实现外界位移和角度的测量。
进一步，所述注光光纤可以是单模光纤，通过角度调制光纤传输光束并激发传感光纤中少数高阶模，少数高阶模在传感器出射光谱中呈现位置相近可进行叠加的SPR共振谷，进而可实现高灵敏度的测量；注光光纤也可以是阶跃折射率多模光纤，因其大的数值孔径，出射光束易进入角度调制光纤的孔径角中，因此阶跃折射率多模光纤可以实现大范围倾斜角度或者偏离位移的控制，从而实现宽检测范围的测量。
进一步，所述的角度调制光纤可以是阶跃折射率多模光纤，通过单模光纤向阶跃折射率多模光纤径向偏移一定位移量倾斜注光，传输光从单模光纤进入到阶跃折射率多模光纤，在阶跃折射率多模光纤中沿空间螺旋折线轨迹向前传输形成斜光线，当改变单模光纤与阶跃折射率多模光纤的径向偏移位移或轴倾角，传输光在阶跃折射率多模光纤中向前传输的全反射角发生改变，进而改变传输光从阶跃折射率多模光纤中进入到传感光纤的入射角度，从而改变传输光在传感光纤中与传感膜接触的入射光角度，即 SPR入射角度，而SPR入射角度改变会导致传感探头出射光谱共振波长偏移，通过SPR共振波长的偏移量实现位移检测或角度检测。
进一步，所述的角度调制光纤可以渐变折射率多模光纤，其折射率分布与径向位移呈函数关系，中心折射率高，边缘折射率低，因此传输光在渐变折射率多模光纤中沿正弦轨迹向前传输。当渐变折射率多模光纤长度保持不变时，则传输光在定长渐变多模光纤中传输的正弦周期保持恒定，通过改变注光光纤与渐变折射率多模光纤之间的位移偏移量或轴倾角，传输光正弦轨迹的振幅随之发生改变，不同振幅的正弦曲线传输光在传输相同的周期后具有不同的出射角度，从而改变进入到传感光纤的光入射角度，即传感区的SPR入射角度，而SPR入射角度的改变会导致传感探头出射光谱的共振波长偏移，通过SPR共振波长的偏移量可实现位移检测或者角度检测。
进一步，所述的传感光纤可以是单模光纤，利用其包层制作传感区，不需进行特殊微操作便可令倏逝场泄露于传感的金属薄膜与光纤交界面；所述传感光纤可以是塑料包层多模光纤，利用其纤芯制作传感区，在不牺牲光强的情况下进行传感测量。
进一步，所述的金属薄膜可以是金膜，也可以是银膜，或者其他SPR 共振谷可控的金属膜，其膜厚可根据传感需求确定。
进一步，所述的单模光纤的纤芯直径为4-10μm，所述的用于注光的阶跃折射率多模光纤的纤芯直径为40-60μm，所述渐变折射率多模光纤的纤芯直径为105μm，所述用于角度调制的阶跃折射率多模光纤的纤芯直径为105μm，所述用于传感的塑料包层多模光纤纤芯直径为125μm，其包层直径为140-200μm。
一种测量位移和角度的光纤SPR传感器的标定装置，一个带刻度的圆形角度调节装置，用于调节注光光纤和角度调制光纤之间轴倾角；一个位于圆形角度调节装置内的三维位移调节装置，用于调节注光光纤和角度调制光纤之间位移偏移量；与计算机相连接的成像装置CCD，用于观察注光光纤和角度调制光纤之间相对位置情况；白光光源用于为注光光纤提供入射光；光谱仪用于检测收光光纤的出射光；所述的光纤SPR传感器的注光光纤放置在三维位移调节装置的夹具中，所述的光纤SPR传感器的角度调制光纤放置在角度调节装置的夹具中；白光光源与注光光纤相连、可见光光谱仪与收光光纤相连。
进一步，所述的三维位移调节装置由一个二维位移调节装置和一个一维位移调节装置两部分组成，两部分位移调节装置共同实现调节三维位移位置，二维位移调节装置一部分位于圆形角度调节装置内部，一维位移调节装置位移圆形角度调节装置上。
一种测量位移和角度的光纤SPR传感器的标定方法，包括以下步骤：
S1将与传感光纤同轴对接的角度调制光纤放置在一维位移调节装置上，并用紫外固化胶固定在其一维位移台的平面上，并调节一维位移台的位置，使得角度调制光纤的端头位于圆形角度调节装置的圆心；
S2将注光光纤固定于二维位移装置上，并用紫外固化胶固定在其二维位移台的平面上，并调节二维位移台的位置，使得注光光纤同样位于圆形角度调节装置的圆心；
S3调节成像装置CCD的焦距和位置,使得CCD的能够清晰成像注光光纤和角度光纤的相对位置，并将成像情况在计算机上清晰展示；
S4光纤SPR位移传感器的标定方法；
S4.1保持注光光纤和角度调制光纤之间的轴倾角不变，利用三维位移调节装置改变两光纤之间的位移偏移量，每改变固定的位移偏移量，使用光谱仪记录一次反射光谱，保存反射光谱数据；
S4.2使用MATLAB软件对反射光谱进行处理，得到测试曲线及其每条测试曲线的SPR共振谷的共振波长；
S4.3以SPR的共振波长为纵轴，注光光纤与角度调制光纤之间的位移偏移量为横轴，进行曲线拟合得到位移量与共振波长的函数关系，即为所述光纤SPR位移传感器的标定函数。
S5光纤SPR角度传感器的标定方法；
S5.1保持注光光纤和角度调制光纤之间的位移偏移量不变，转动圆形角度调节装置，改变注光光纤和角度调制光纤之间的轴倾角，每转动一定角度，便使用光谱仪记录一次反射光谱，保存反射光谱数据；
S5.2使用MATLAB软件对反射光谱进行处理，得到测试曲线及其每条测试曲线的SPR共振谷的共振波长；
S5.3以SPR的共振波长为纵轴，注光光纤与角度调制光纤之间的轴倾角为横轴，进行曲线拟合得到轴倾角与共振波长的函数关系，即为所述光纤SPR角度传感器的标定函数。
与现有技术相比，本发明的一种测量位移和角度的光纤SPR传感器及标定装置与方法具有以下的积极效果：
1.利用阶跃折射率多模光纤斜光线实现SPR传感。本发明通过单模光纤为阶跃折射率多模光纤倾斜注光，从单模光纤进入到阶跃折射率多模光纤的传输光，将在阶跃折射率多模光纤中沿空间螺旋折线轨迹向前传输形成斜光线，随后从阶跃多模光纤中出射并进入到传感光纤，光在传感光纤中传输并呈一定角度与其传感区表面的传感膜相接触，发生SPR效应。相比于传统子午光线，斜光线可以充分和包层表面的金属薄膜接触，加深 SPR共振谷。
2.利用阶跃折射率多模光纤实现位移角度传感。角度调制光纤可以是阶跃折射率多模光纤。通过单模光纤为阶跃折射率多模光纤径向偏移一定位移量倾斜注光，传输光从单模光纤进入到阶跃折射率多模光纤，在阶跃折射率多模光纤中沿空间螺旋折线轨迹向前传输形成斜光线，当改变单模光纤与阶跃折射率多模光纤的径向偏移位移或者轴倾角，传输光在阶跃折射率多模光纤中向前传输的全反射角发生改变，进而改变传输光从阶跃折射率多模光纤中进入到传感光纤的入射角度，从而改变传输光在传感光纤中与传感膜接触的入射光角度，即SPR入射角度，而SPR入射角度改变会导致传感探头出射光谱共振波长偏移，通过SPR共振波长的偏移量实现位移检测或者角度检测。
3.利用渐变折射率多模光纤实现位移角度传感。角度调制光纤可以是渐变折射率多模光纤，其折射率分布与径向位移呈函数关系，中心折射率高，边缘折射率低，因此传输光在渐变折射率多模光纤中沿正弦轨迹向前传输。当渐变折射率多模光纤长度保持不变时，则传输光在定长渐变多模光纤中传输的正弦周期保持恒定，通过改变注光光纤与渐变折射率多模光纤之间的位移偏移量或轴倾角，传输光正弦轨迹的振幅随之发生改变，不同振幅的正弦曲线传输光在传输相同的周期后具有不同的出射角度，从而改变进入到传感光纤的光入射角度，即传感区的SPR入射角度，而SPR 入射角度的改变会导致传感探头出射光谱的共振波长偏移，通过SPR共振波长的偏移量可实现位移检测或者角度检测。
4.当角度调制光纤为渐变折射率多模光纤时，注光光纤可以为单模光纤或阶跃多模光纤，实现灵敏度高或检测范围宽的角度传感器。通过控制注光光纤与角度调制光纤的者径向偏移位移或轴倾角调节角度调制光纤中光的传输轨迹，实现传感光纤传感区的光入射角度(SPR入射角度) 的控制，从而实现光纤SPR角度或者位移传感。注光光纤可以是单模光纤，通过角度调制光纤传输光束并激发传感光纤中少数高阶模，少数高阶模在传感器出射光谱中呈现位置相近可进行叠加的SPR共振谷，可实现高灵敏度的测量。注光光纤也可以是阶跃折射率多模光纤，因其大的数值孔径，出射光束易进入角度调制光纤的孔径角中，因此阶跃折射率多模光纤可以实现大范围倾偏离位移或斜角度的控制，从而实现宽检测范围的测量。
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。
本发明提出的能测量位移和角度的光纤SPR传感器，在保持角度调制光纤长度不变的情况下，通过改变注光光纤与角度调制光纤轴线的夹角和径向偏移量，便可改变传输光束在角度调制光纤中的传输轨迹，进而改变其传输光束的出射角度；当角度调制光纤中的光以不同入射角度进入传感光纤时，传感区的全反射角即SPR入射角随之改变，进而改变SPR共振谷的在传感器出射光谱上的位置，通过其SPR共振谷的移动量实现外界位移和角度的测量。
附图说明
图1为测量位移和角度的光纤SPR传感器的结构示意图；
图2为测量位移和角度的光纤SPR传感器的标定装置的整体结构示意图；
图3为角度调制光纤中光线传输路径示意图；
图4角度调制光纤为渐变折射率多模光纤；
图5为注光光纤为单模光纤，角度调制光纤为阶跃折射率多模光纤，传感光纤为单模光纤的结构示意图；
图6为注光光纤为单模光纤，角度调制光纤为渐变折射率多模光纤，传感光纤为塑料包层光纤的结构示意图。
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。
下面将结合附图，对本发明的优选实施案例进行详细的描述。
请参阅图1-2，附图中元件标号分别表示：注光光纤1，角度调制光纤2，传感光纤3，传感薄膜3-1，低折紫外固化胶层3-2，收光光纤4，白光光源5，可见光光谱仪6，计算机7，角度调节装置8，三维位移调节装置9，成像装置CCD10。
本发明涉及的一种光纤SPR角度传感器，其传感原理：白光光源5 发出的白光经过注光光纤1注入角度调制光纤2中，传输光束由角度调制光纤2调制后进入到传感光纤3，并在传感光纤3的纤芯与传感薄膜3-1 界面发生全反射，并发生SPR效应，在传感光纤3及传感薄膜3-1外表面涂覆低折紫外固化胶，在保持角度调制光纤2长度不变的情况下，通过改变注光光纤1与角度调制光纤2轴线的夹角，便可改变传输光束在角度调制光纤2中的传输轨迹，进而改变其传输光束的出射角度；当角度调制光纤2中的光以不同入射角度进入传感光纤3时，传感区的全反射角即SPR 入射角随之改变，进而改变SPR共振谷在传感器出射光谱上的位置，通过其SPR共振谷的移动量实现外界角度的测量。
本发明提出的一种测量位移和角度的光纤SPR传感器，主要由四部分组成，分别为注光光纤1、角度调制光纤2、传感光纤3和收光光纤4。其中，注光光纤长度为1m左右,可以为常见的单模光纤，纤芯直径为8.2 μm，包层直径为125μm，也可以为阶跃折射率多模光纤，纤芯直径为 40μm，包层直径为125μm；角度调制光纤为阶跃折射率多模光纤(SI 105/125-22/250),长度可以为1mm至500mm，也可以为渐变折射率多模光纤(GI 105/125-29/250),长度为正弦传输光束的四分之一周期至整个周期，一般为1mm左右；传感光纤可以为单模光纤，纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，也可以塑料包层光纤，纤芯直径125μm，包层直径140μm，长度为2cm，其表面溅射一层厚度为50nm的金膜，并在金膜外侧旋涂折射率为1.340RIU超低折紫外固化胶；收光光纤为阶跃折射率多模光纤(SI 105/125-22/250)，长度为1mm左右。
具体连接方式为：角度调制光纤2与传感光纤3同轴对接，传感光纤 3与收光光纤4同轴熔接，传感光纤3表面镀制一层厚度50nm金膜，并在金膜外侧旋涂折射率为1.340RIU低折紫外固化胶；注光光纤1左端连接白光光源5，收光光纤4右端与可见光光谱仪6连接，可见光光谱仪6 连接计算机7。所涉及的白光光源5，波长范围覆盖500-1100nm，所述可见光光谱仪6，波长范围覆盖500-1100nm。
本发明涉及的一种测量位移和角度的光纤SPR传感器，具体制作方法为：
S1取收光光纤，用光纤米勒钳剥除收光光纤两端一定长度的涂覆层，裸露出光纤包层，用酒精对收光光纤两端进行清洁，并用光纤切割刀将收光光纤两端切割平整以备用；
S2取传感光纤，用光纤米勒钳剥除传感光纤两端一定长度的涂覆层，裸露出光纤包层，用酒精对传感光纤裸露出光纤包层的两端进行清洁，并用光纤切割刀将传感光纤两端切割平整以备用；
S3取角度调制光纤，用光纤米勒钳剥除角度调制光纤两端一定长度的涂覆层，裸露出光纤包层，用酒精对角度调制光纤两端进行清洁，并用光纤切割刀将角度调制光纤两端切割平整以备用；
S4同轴对接传感光纤，将收光光纤的其中一端与传感光纤的一端放置于光纤熔接机中，将收光光纤与传感光纤进行同轴对接；
S5切割传感光纤，将同轴对接完成的光纤从光纤熔接机中取出，并放置于光纤切割刀中进行定长切割，使得最终同轴对接在收光光纤上的传感光纤长度为20mm；
S6同轴对接角度调制光纤，将收光光纤已经同轴对接传感光纤的一端放置于光纤熔接机的其中一个光纤夹具上，同时将角度调制光纤的一端放置于光纤熔接机的另一个夹具，并进行同轴对接；
S7切割角度调制光纤，将同轴对接完成的光纤从光纤熔接机中取出，并放置于光纤定长切割装置中进行切割，使得最终同轴对接在传感光纤的角度调制光纤长度为a mm，从而形成依次连接的角度调制光纤-传感光纤 -收光光纤；
S8在传感光纤表面镀制金膜，将切割完成的光纤放置于等离子溅射仪中，并用盖玻片盖住角度调制光纤一段盖住，并利用等离子溅射仪在传感光纤表面镀制厚度为50nm的金属薄膜；
S9涂覆并固化传感光纤，将镀制完成金膜的传感探针取出，并用固化后折射率为1.340RIU的紫外固化胶涂覆在镀制有金膜的传感光纤表面，并用紫外固化灯照射使紫外固化胶固化。
在实施案例中，所用收光光纤为阶跃折射率多模光纤，纤芯直径为 105μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.22，长度为1m；所用注光光纤为单模光纤，纤芯直径8.2μm，包层直径为125μm,长度为1m；在实施案例1中，角度调制光纤为阶跃折射率多模光纤，纤芯直径为105μ m，包层直径为125μm，数值孔径为0.22，长度为50cm，传感光纤为塑料包层光纤，纤芯直径为125μm，包层直径为140μm长度为2cm，如图5所示；在实施案例2中，角度调制光纤为渐变折射率多模光纤，芯直径为105μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.29，长度为500μm(约为正弦传输光束的半个周期)，在传感光纤为单模光纤，纤芯直径8.2μ m，包层直径为125μm,长度为2cm，如图6所示。
本发明所涉及的一种测量角度的光纤SPR传感器及标定装置与方法，其具体的操作方法如下：将注光光纤1的一端放置在二维位移装置9-1上，然后滴加紫外固化胶并用紫外固化灯固化，调节二维位移装置9-1，使得注光光纤的端头位于圆形角度调节装置上的圆心，将角度调制光纤的一端放置于一维位移装置9-2上，调节一维位移装置9-2，使得角度调制光纤的端头位于圆形角度调节装置上的圆心；而后注光光纤1接通白光光源5，收光光纤4接通可见光光谱仪6。测量时，转动圆形带刻度的角度调节装置8，改变注光光纤1与角度调制光纤2之间的倾斜角度，使得注光光纤和角度调制光纤由正对逐渐呈一定的轴倾角，每旋转1°角度调节装置，就在可见光光谱仪6上采集一次反射光谱，直至可见光谱仪上接收到光强为0，即为最大注光角度，此时角度调制光纤2不能接收到注光光纤1的光，将所采集的光谱数据在MATLAB软件中进行处理，得到最终测试曲线。在调节二维位移装置9-1和一维位移调节装置9-2时，可以用成像装置CCD 10来实时观察注光光纤1和角度调制光纤2的相对位置情况。
本发明所涉及的一种测量位移的光纤SPR传感器及标定装置与方法，其具体的操作方法如下：将注光光纤1的一端放置在二维位移装置9-1上，然后滴加紫外固化胶并用紫外固化灯固化，调节二维位移装置9-1，使得注光光纤的端头位于圆形角度调节装置上的圆心，将角度调制光纤的一端放置于一维位移装置9-2上，调节一维位移装置9-2，使得角度调制光纤的端头位于圆形角度调节装置上的圆心；而后注光光纤1接通白光光源5，收光光纤4接通可见光光谱仪6。测量时，调节圆形带刻度的角度调节装置8，使注光光纤和角度调制光纤由正对逐渐呈一定的轴倾角，然后固定圆形带刻度的角度调节装置8。调节一维位移装置改变角度调制光纤和注光光纤之间的位移偏移量，一维位移装置每偏移10μm，就在可见光光谱仪6上采集一次反射光谱，直至可见光谱仪上接收到光强为0，即为最大位移偏移量，此时角度调制光纤2不能接收到注光光纤1的光，将所采集的光谱数据在MATLAB软件中进行处理，得到最终测试曲线。在调节二维位移装置9-1和一维位移调节装置9-2时，可以用成像装置CCD 10来实时观察注光光纤1和角度调制光纤2的相对位置情况。
图3、图4为本发明传输光线两种角度调制光纤中的传输路径，图3 为阶跃折射率多模光纤中的光线传输路径，入射光倾斜入射到阶跃折射率多模光纤时，斜光线在光纤中以螺旋折线的形式向前传输，从光纤截面上呈现为环形光场；图4为渐变折射率多模光纤中的光线传输路径，因其特殊的折射率分布，渐变折射率光纤中光线的传输轨迹呈正弦分布。
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种测量位移和角度的光纤SPR传感器，其特征在于：
包括注光光纤(1)，与注光光纤(1)呈一定径向偏离位移和角度放置的角度调制光纤(2)，与角度调制光纤(2)同轴对接的传感光纤(3)以及与传感光纤(3)同轴对接的收光光纤(4)；
所述注光光纤(1)为单模光纤或阶跃折射率多模光纤，用于接收并传递来自宽谱白光光源的光束，与角度调制光纤(2)的轴线形成一定径向偏离位移和倾角传感外界位移和角度变化；
所述角度调制光纤(2)为阶跃折射率多模光纤或渐变折射率多模光纤，用于接收并传递来自注光光纤的光束，通过自身的光传输特性调节光束在角度调制光纤(2)中的传输路径以及其出射光与传输轴线夹角，并将光束以一定入射光角度注入传感光纤(3)；
所述传感光纤(3)为单模光纤或塑料包层多模光纤，用于接收并传递来自角度调制光纤(2)的光，使传输光以一定角度传输至传感光纤(3)与金属薄膜交界面发生全反射并产生SPR现象，反射光信号再传输至收光光纤(4)；
所述收光光纤(4)为粗芯阶跃折射率多模光纤，用于接收光信号并将其传递至光谱仪进行后续数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种测量位移和角度的光纤SPR传感器，其特征在于：所述注光光纤(1)是单模光纤，通过角度调制光纤(2)传输光束并激发传感光纤(3)中少数高阶模，少数高阶模在传感器出射光谱中呈现位置相近可进行叠加的SPR共振谷，进而实现高灵敏度的测量；注光光纤(1)是阶跃折射率多模光纤，因其大数值孔径，出射光束易进入角度调制光纤(2)的孔径角中，因此阶跃折射率多模光纤可以实现大范围倾斜角度或者偏离位移的控制，从而实现宽检测范围的测量。
3.根据权利要求1所述的一种测量位移和角度的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的角度调制光纤(2)是阶跃折射率多模光纤，通过单模光纤向阶跃折射率多模光纤径向偏移一定位移量倾斜注光，传输光从单模光纤进入到阶跃折射率多模光纤，在阶跃折射率多模光纤中沿空间螺旋折线轨迹向前传输形成斜光线，当改变单模光纤与阶跃折射率多模光纤的径向偏移位移或轴倾角，传输光在阶跃折射率多模光纤中向前传输的全反射角发生改变，进而改变传输光从阶跃折射率多模光纤中进入到传感光纤的入射角度，从而改变传输光在传感光纤中与传感膜接触的入射光角度，即SPR入射角度，而SPR入射角度改变会导致传感探头出射光谱共振波长偏移，通过SPR共振波长的偏移量实现位移检测或角度检测。
4.根据权利要求1所述的一种测量位移和角度的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的角度调制光纤(2)是渐变折射率多模光纤，其折射率分布与径向位移呈函数关系，中心折射率高，边缘折射率低，因此传输光在渐变折射率多模光纤中沿正弦轨迹向前传输。
5.根据权利要求1所述的一种测量位移和角度的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的传感光纤(3)是单模光纤，利用其包层制作传感区，令倏逝场泄露于传感的金属薄膜与光纤交界面；所述传感光纤(3)是塑料包层多模光纤，利用其纤芯制作传感区。
6.根据权利要求1所述的一种测量位移和角度的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的金属薄膜是金膜或银膜或其他SPR共振谷可控的金属薄膜。
7.根据权利要求1所述的一种测量位移和角度的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的单模光纤的纤芯直径为4-10μm，所述的用于注光的阶跃折射率多模光纤的纤芯直径为40-60μm，所述渐变折射率多模光纤的纤芯直径为100-110μm，所述用于角度调制的阶跃折射率多模光纤的纤芯直径为100-110μm，所述用于传感的塑料包层多模光纤纤芯直径为120-130μm，其包层直径为140-200μm。
8.一种测量位移和角度的光纤SPR传感器的标定装置，其特征在于：包括一个带刻度的圆形角度调节装置，用于调节注光光纤和角度调制光纤之间轴倾角；一个位于圆形角度调节装置内的三维位移调节装置，用于调节注光光纤和角度调制光纤之间位移偏移量；与计算机相连接的成像装置CCD，用于观察注光光纤和角度调制光纤之间相对位置情况；白光光源用于为注光光纤提供入射光；光谱仪用于检测收光光纤的出射光；所述的光纤SPR传感器的注光光纤放置在三维位移调节装置的夹具中，所述的光纤SPR传感器的角度调制光纤放置在角度调节装置的夹具中；白光光源与注光光纤相连、可见光光谱仪与收光光纤相连。
9.根据权利要求8所述的一种测量位移和角度的光纤SPR传感器的标定装置，其特征在于：所述的三维位移调节装置由一个二维位移调节装置和一个一维位移调节装置两部分组成，共同实现调节三维位移位置；二维位移调节装置位于圆形角度调节装置内部，一维位移调节装置位移圆形角度调节装置上。
10.一种测量位移和角度的光纤SPR传感器的标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将与传感光纤同轴对接的角度调制光纤固定放置在一维位移调节装置上，使得角度调制光纤的端头位于圆形角度调节装置的圆心；
S2、将注光光纤固定放置于二维位移装置上，使得注光光纤同样位于圆形角度调节装置的圆心；
S3、调节成像装置CCD的焦距和位置,使得CCD的能够清晰成像注光光纤和角度光纤的相对位置，并将成像情况在计算机上清晰展示；
S4、光纤SPR位移传感器的标定方法；
S4.1、保持注光光纤和角度调制光纤之间的轴倾角不变，利用三维位移调节装置改变两光纤之间的位移偏移量，每改变固定的位移偏移量，使用光谱仪记录一次反射光谱，保存反射光谱数据；
S4.2、使用MATLAB软件对反射光谱进行处理，得到测试曲线及其每条测试曲线的SPR共振谷的共振波长；
S4.3、以SPR的共振波长为纵轴，注光光纤与角度调制光纤之间的位移偏移量为横轴，进行曲线拟合得到位移量与共振波长的函数关系，即为所述光纤SPR位移传感器的标定函数。
S5、光纤SPR角度传感器的标定方法；
S5.1、保持注光光纤和角度调制光纤之间的位移偏移量不变，转动圆形角度调节装置，改变注光光纤和角度调制光纤之间的轴倾角，每转动一定角度，便使用光谱仪记录一次反射光谱，保存反射光谱数据；
S5.2、使用MATLAB软件对反射光谱进行处理，得到测试曲线及其每条测试曲线的SPR共振谷的共振波长；
S5.3、以SPR的共振波长为纵轴，注光光纤与角度调制光纤之间的轴倾角为横轴，进行曲线拟合得到轴倾角与共振波长的函数关系，即为所述光纤SPR角度传感器的标定函数。
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