CN114061801A - 光纤v槽型包层spr应变传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感领域，主要涉及光纤V槽型包层SPR应变传感器；包括顺次连接的传感光纤和收光阶跃多模光纤；传感光纤上刻制有V槽结构，传感光纤接收并传输由光源发出的光束，光在经过V槽结构时将纤芯中的光耦合进入包层中，与覆盖在包层表面的金属膜发生SPR效应，最后由收光阶跃多模光纤进行收光并将光信号传输到光谱仪中进行信号采集与解调；本发明在传感光纤上刻制V槽，将纤芯中的光耦合进入包层中，通过改变V槽深度、V槽个数、V槽周期来调节SPR共振波长范围与灵敏度；光纤V槽结构受到应变时，V槽角度以及有效折射率发生改变，SPR入射角发生对应改变，进而可通过SPR共振谷的偏移来实现对应变的准确测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器领域，具体涉及光纤V槽型包层SPR应变传感器及其制作方法。
背景技术
表面等离子共振(SPR)传感器具有体积小，灵敏度高，抗电磁辐射和干扰，可实现远距离测量等优点，广泛应用于食品安全、生物医学、环境监测等方面。其原理为：当光波从光密介质射向光疏介质时，在两种介质的界面，将发生反射和折射，如果入射角大于临界角，将不会发生折射，反射光波与入射光波能量相等，这种现象称为全反射，当发生全反射时，入射光照射到两种介质分界面后，光波能量全部反射回光密介质，但并不是在界面上一下就反射回去的，而是在光疏介质中穿透很薄的一层，厚度在光波波长量级，这部分穿透的电磁波称为倏逝波，倏逝波在金属表面激发表面等离子体，在一定条件下，倏逝波与金属表面等离子体发生共振，此时，反射光的能量由于入射光的能量被部分吸收而下降，形成共振峰，当光疏介质折射率不同时，共振峰发生偏移，这就是光纤SPR传感器对待测介质(光疏介质) 折射率参数进行检测的基本原理。
光纤应变传感器在结构健康检测以及航空航天领域发挥着重要作用。目前光纤应变传感器按原理分类主要有两类：光纤干涉应变传感器和光纤光栅应变传感器。光纤干涉应变传感器传感原理为：当光纤干涉传感器受到应变时，光纤的有效折射率差和光程差发生改变，从而导致谐振波长发生改变，进而可通过谐振波长的偏移来实现对应变的测量；光纤光栅应变传感器传感原理为：当光纤光栅传感器受到应变时，光纤的有效折射率差和栅距发生改变，从而导致谐振波长发生改变，进而可通过谐振波长的偏移来实现对应变的测量。
SPR传感灵敏度较高，但目前还未将光纤SPR原理运用到应变传感。要将SPR技术用于应变测量，技术的难点在于既要确保能发生SPR效应，又要建立应变与SPR共振波长的联系。
首先针对SPR效应发生条件，SPR发生的结构条件是：倏逝波需进入金属薄膜，即要求传输光全反射时接触金膜。对于光纤波导来说，传输光在纤芯和包层界面全反射，从而在纤芯中传输，包层中没有传输光，在进行光纤型SPR传感器结构构造时，要解决的问题是如何让传输光全反射时接触金膜。光纤SPR传感器按传感基底位置可分为纤芯型SPR传感器和包层型SPR传感器。纤芯型光纤SPR传感器需要去除光纤包层以使倏逝场与金属薄膜接触才能发生SPR效应，目前使用的方法为腐蚀、光纤侧面抛磨或光纤研磨等，但这些加工方法存在加工困难，使光纤机械强度降低、重复性差等问题。包层型光纤SPR传感器需要将光纤纤芯中的传输光泄露耦合至光纤包层中，以使倏逝场与金属薄膜接触才能发生SPR效应，目前的方法有拉锥结构、异质芯结构，U型结构，但是拉锥结构的光纤SPR传感器容易折断，重复利用性差；异质芯结构通常为多模-单模-多模光纤结构，此种方法无法实现在多模光纤包层上进行SPR传感；U型结构重复制作困难且产生弯曲损耗。
其次针对SPR应变传感：SPR共振波长主要受基底折射率、外界环境折射率、SPR入射角、金属介电常数的影响，在基底折射率、外界环境折射率、金属介电常数保持一定时，SPR共振波长主要受 SPR入射角的影响，SPR共振波长随SPR入射角改变而改变，因此，要实现用SPR原理进行应变传感，需要解决的问题是如何建立应变与SPR入射角的关系。
基于此，本发明所要解决的问题是提供一种简单耐用的光纤SPR 传感器，并建立应变与SPR入射角的关系，以实现对应变的测量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光纤V槽型包层SPR应变传感器，以解决包层型光纤SPR传感器倏逝场难以获得的问题以及并建立应变与SPR入射角的关系。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
光纤V槽型包层SPR应变传感器，包括顺次连接的传感光纤，收光阶跃多模光纤；其中，传感光纤的右端与收光阶跃多模光纤的左端正对焊接，传感光纤水平放置在光纤应变平台上，传感光纤的左端与宽谱光源相连以传输光束，传感光纤上具有V槽结构，光束到达V槽结构时将纤芯中的光耦合进入包层中，与覆盖在包层表面的金属膜发生表面等离子体共振(SPR)效应后，反射光进入收光阶跃多模光纤的左端，收光阶跃多模光纤的右端与光谱仪相连，光谱仪对信号进行采集与解调；利用CO2激光器在传感光纤上刻制V槽，有效的将纤芯中的光耦合进入包层中，解决包层型光纤SPR传感器倏逝场难以获得的难题，进行折射率高灵敏传感，并可通过改变V槽深度(范围38μm-67μm)、个数(范围1-30)、周期(范围500μm-800μm) 来调节SPR共振波长范围与灵敏度；光纤V槽结构受到应变时，V 槽角度以及有效折射率发生改变，SPR入射角发生对应改变，进而可通过SPR共振谷的偏移来实现对应变的高灵敏测量。本文周期是指两个V槽之间的距离。
应当指出传感光纤固定在待测形变物上测量形变时，主要是通过 V槽结构的角度变化，因此固定时应尽量不影响V槽结构随待测形变物的正常形变。
作为优选方案，所述V槽结构的轴向垂直于传感光纤的轴向。
作为优选方案，所述的传感光纤具有V槽结构，可以有效的将纤芯中的光耦合进入包层中，传感光纤可以是单模光纤、渐变多模光纤和阶跃多模光纤；V槽的制作方法为：将剥除了涂敷层的裸纤放置于CO2激光器下方的三维微动台上，裸纤一端用光纤夹具固定住，光纤另一端悬挂轻质砝码使光纤在加热过程中保持恒定的轴向应力而始终处于水平直线状态，利用计算机设计CO2激光器加工V槽个数和周期，可通过改变加工次数来改变V槽深度。
作为优选方案，所述的收光阶跃多模光纤的纤芯直径105μm，包层直径125μm，数值孔径0.22。
作为优选方案，所述的光纤应变平台由底座、左电机、右电机、左三维位移台、右三维位移台、控制器和置物台组成，其中，左电机、右电机和置物台置于底座上方，置物台处于左电机和右电机中间，并处于一条水平直线上，左三维位移台置于左电机上，右三维位移台置于右电机上，左三维位移台和右三维位移台带有光纤夹具以夹持固定光纤，控制器通过电缆与左电机、右电机连接，以便控制左右电机在三维方向上的移动。
作为优选方案，其制作方法为：
S1取一段足够长的单模光纤，纤芯直径8μm，包层直径125μm，用米勒钳将单模光纤一端剥除10cm的涂敷层，用无纺布蘸取酒精擦拭干净，将剥除了涂敷层的裸纤放置于CO2激光器下方的三维微动台上，裸纤一端用光纤夹具固定住，光纤另一端悬挂轻质砝码使光纤在加热过程中保持恒定的轴向应力而始终处于水平直线状态，CO2激光器加工参数设置为加工速度800毫米/秒，功率50％，频率5KHz，利用计算机设计V槽个数和周期，可通过改变加工次数来改变V槽深度。取出V槽刻制完成后的光纤，将其用定长切割装置在V槽后切割2cm的长度做为传感区，另一端做切平处理后用酒精擦拭干净放置一旁备用；
S2取一段50cm长的阶跃多模光纤，纤芯直径105μm，包层直径125μm，两端做切平处理后用酒精擦拭干净放置一旁备用；
S3将制备好的V槽结构单模光纤传感区的一端与阶跃多模光纤的一端利用光纤焊接机自动焊接模式进行正对焊接，完成后用酒精擦拭干净并将传感区置于载玻片上，两端用无痕胶固定，将其放置于小型等离子溅射仪(ETD-2000，外部连接有膜厚监测仪)中，将V槽区域用载玻片覆盖避免镀上金膜，V槽后传感区环形镀制50nm金膜，单模光纤V槽型包层SPR应变传感器制作完成；
S4将探针左端单模光纤连接光源，探针右端阶跃多模光纤连接光谱仪，探针镀膜区域置于装有环境溶液的玻璃管中，环境溶液折射率为1.333RIU-1.385RIU，玻璃管水平置于载物台上，光源发出的光在通过V槽结构时，包层模式被激发，传输光在包层与金属薄膜界面发生全反射和表面等离子体共振，反射后的光信号经芯径为105μ m阶跃折射率多模收光光纤进入光谱仪，光谱仪将传输过来的反射光谱进行采集与解调，保存反射光谱数据，利用MATLAB仿真软件对数据进行处理，即可得到不同折射率溶液的反射光谱曲线；然后将光纤探针镀膜区域放入光纤涂敷机中涂覆一层紫外固化胶，折射率为 1.333RIU-1.385RIU，并用紫外固化灯照射使紫外固化胶凝固，构成V 槽型包层SPR应变传感器。
具体使用方法如下：将V槽型包层SPR应变传感器的单模光纤置于光纤应变平台左边夹具中，探针右端阶跃多模光纤置于光纤应变平台右侧夹具中并连接光谱仪，左右夹具固定在电机上，此时，探针处于水平拉直状态，以上用以模拟V槽型包层SPR应变传感器固定在待测形变物体上，并随物体一起发生形变；由电机控制箱控制电机带动左右夹具在三维空间上移动，保持左夹具在三维方向上不动，保持右夹具在Y轴与Z轴方向上不动，通过电机控制箱使右夹具在X 方向定量远离左夹具移动，使光纤受到微应变，当光纤V槽受到轴向应变时，V槽形状发生改变，V槽角度变大，发生SPR的入射角以及发生SPR的强度发生改变，进而导致SPR共振谷波长发生改变，从而可通过SPR共振谷的偏移来进行应变传感。可通过改变V槽个数、V槽深度和V槽周期来调节光纤探针的SPR共振谷波长范围和灵敏度。
本发明的有益效果在于：
利用CO2激光在传感光纤上加工V槽，有效的将纤芯中的光耦合至包层中。可通过改变V槽深度、V槽个数、V槽周期来调节SPR 共振波长范围与灵敏度。光纤V槽结构受到应变时，V槽角度以及有效折射率发生改变，且SPR入射角发生改变，进而可通过SPR共振谷的偏移来实现对应变的测量。
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。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的整体组成示意图；
图2为光纤V槽型包层SPR应变传感器探针示意图；
图3为图2AA’、BB’、CC’、DD’平面对应的剖面图，其中图(a) 为单模光纤剖面图对应于AA’平面；图(b)为单模光纤V槽结构剖面图对应于BB’平面；图(c)为单模光纤V槽后包层镀膜剖面图对应于CC’平面；图(d)为收光阶跃多模光纤剖面图对应于DD’平面；
图4为受到应变后光纤V槽型包层SPR应变传感器探针示意图；
图5为光纤应变平台结构图。
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例进行详细的描述。
请参阅图1-图5，附图中的元件标号分别表示：宽谱光源1，传感光纤2，收光阶跃多模光纤3，光纤应变平台4，光谱仪5。
本发明涉及光纤V槽型包层SPR应变传感器，所涉及的传感光纤2具有V槽结构，可以有效的将纤芯中的光耦合进入包层中，传感光纤2可以是单模光纤、渐变多模光纤和阶跃多模光纤；所涉及的收光阶跃多模光纤3的纤芯直径105μm，包层直径125μm，数值孔径0.22；所涉及的光纤应变平台4由底座4-7、左电机4-1、右电机4-2、左三维位移台4-3、右三维位移台4-4、控制器4-6和置物台4-5组成，其中，左电机4-1、右电机4-2和置物台4-5置于底座4-7上方，置物台4-5处于左电机4-1和右电机4-2中间，并处于一条水平直线上，左三维位移台4-3置于左电机4-1上，右三维位移台4-4置于右电机 4-2上，左三维位移台4-3和右三维位移台4-4带有光纤夹具以夹持固定光纤，控制器4-6通过电缆与左电机4-1、右电机4-2连接，以便控制左右电机在三维方向上的移动。
具体连接方式为：传感光纤2的右端与收光阶跃多模光纤3的左端正对焊接，传感光纤2水平放置在光纤应变平台4上，传感光纤2 的左端与宽谱光源1相连以传输光束，传感光纤2上具有V槽结构，光束到达V槽结构时将纤芯中的光耦合进入包层中，与覆盖在包层表面的金属膜发生表面等离子体共振(SPR)效应后，反射光进入收光阶跃多模光纤3的左端，收光阶跃多模光纤3的右端与光谱仪5相连，光谱仪5对信号进行采集与解调。
具体制作方法为：步骤如下：
S1取一段足够长的单模光纤，纤芯直径8μm，包层直径125μm，用米勒钳将单模光纤一端剥除10cm的涂敷层，用无纺布蘸取酒精擦拭干净，将剥除了涂敷层的裸纤放置于CO2激光器下方的三维微动台上，裸纤一端用光纤夹具固定住，光纤另一端悬挂轻质砝码使光纤在加热过程中保持恒定的轴向应力而始终处于水平直线状态，CO2激光器加工参数设置为加工速度800毫米/秒，功率50％，频率5KHz，利用计算机设计V槽个数和周期，可通过改变加工次数来改变V槽深度。取出V槽刻制完成后的光纤(V槽参数为：V槽个数为10，V 槽深度为45μm，V槽周期571μm)，将其用定长切割装置在V槽后切割2cm的长度做为传感区，另一端做切平处理后用酒精擦拭干净放置一旁备用；
S2取一段50cm长的阶跃多模光纤(纤芯直径105μm，包层直径125μm)，两端做切平处理后用酒精擦拭干净放置一旁备用；
S3将制备好的V槽结构单模光纤传感区的一端与阶跃多模光纤的一端利用光纤焊接机自动焊接模式进行正对焊接，完成后用酒精擦拭干净并将传感区置于载玻片上，两端用无痕胶固定，将其放置于小型等离子溅射仪(ETD-2000，外部连接有膜厚监测仪)中，将V槽区域用载玻片覆盖避免镀上金膜，V槽后传感区环形镀制50nm金膜，单模光纤V槽型包层SPR传感器制作完成；
S4将探针左端单模光纤连接光源1，探针右端阶跃多模光纤连接光谱仪5，探针镀膜区域置于装有环境溶液(环境溶液折射率为 1.333RIU-1.385RIU)的玻璃管中，玻璃管水平置于载物台上，光源1 发出的光在通过V槽结构时，包层模式被激发，传输光在包层与金属薄膜界面发生全反射和表面等离子体共振，反射后的光信号经芯径为105μm阶跃折射率多模收光光纤3进入光谱仪5，光谱仪5将传输过来的反射光谱进行采集与解调，保存反射光谱数据，利用 MATLAB仿真软件对数据进行处理，即可得到不同折射率溶液的反射光谱曲线；然后将光纤探针镀膜区域放入光纤涂敷机中涂覆一层紫外固化胶(折射率为1.333RIU-1.385RIU)并用紫外固化灯照射使紫外固化胶凝固，构成V槽型包层SPR应变传感器，将单模光纤置于光纤应变平台左边夹具中，探针右端阶跃多模光纤置于光纤应变平台右侧夹具中并连接光谱仪5，左右夹具固定在电机上，此时，探针处于水平拉直状态；由电机控制箱控制电机带动左右夹具在三维空间上移动，保持左夹具在三维方向上不动，保持右夹具在Y轴与Z轴方向上不动，通过电机控制箱使右夹具在X方向定量远离左夹具移动，使光纤受到微应变，当光纤V槽受到轴向应变时，V槽形状发生改变，V槽角度变大(如图4所示)，发生SPR的入射角以及发生SPR 的强度发生改变，进而导致SPR共振谷波长发生改变，从而可通过 SPR共振谷的偏移来进行高灵敏应变传感。
S5可通过改变V槽个数、V槽深度和V槽周期来调节光纤探针的SPR共振谷波长范围和灵敏度。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过以上优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (5)
1.光纤V槽型包层SPR应变传感器，包括顺次连接的传感光纤，收光阶跃多模光纤；其中，传感光纤固定在待测形变物上，传感光纤的右端与收光阶跃多模光纤的左端正对焊接，传感光纤的左端与宽谱光源相连，收光阶跃多模光纤的右端与光谱仪相连，光谱仪对信号进行采集与解调；其特征在于：传感光纤上具有V槽结构，光束到达V槽结构时纤芯中的光耦合进入包层中，与覆盖在包层表面的金属膜发生表面等离子体共振效应后，反射光进入收光阶跃多模光纤的左端。
2.根据权利要求1所述的光纤V槽型包层SPR应变传感器，其特征在于：所述传感光纤上的V槽38μm-67μm、个数为1-30个、周期为500μm-800μm。
3.根据权利要求1所述的光纤V槽型包层SPR应变传感器，其特征在于：传感光纤是单模光纤、渐变多模光纤或阶跃多模光纤。
4.根据权利要求1所述的光纤V槽型包层SPR应变传感器，其特征在于：所述的收光阶跃多模光纤的纤芯直径105μm，包层直径125μm，数值孔径0.22。
5.一种光纤V槽型包层SPR应变传感器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
S1取一段单模光纤，纤芯直径8μm，包层直径125μm，将单模光纤一端剥除涂敷层，在其上刻蚀设计数量的V槽个数和周期，切割单模光纤带有V槽的部分为传感区，两端做切平备用；
S2取一段阶跃多模光纤，纤芯直径105μm，包层直径125μm，两端切平备用；
S3将制备好V槽结构的单模光纤传感区的一端与阶跃多模光纤的一端正对焊接，通过等离子溅射仪对V槽后传感区环形镀制50nm金膜，光纤V槽型包层SPR应变传感器制作完成；
S4将探针左端单模光纤连接光源，探针右端阶跃多模光纤连接光谱仪，探针镀膜区域置于装有环境溶液的玻璃管中，环境溶液折射率为1.333RIU-1.385RIU，玻璃管水平置于载物台上，光源发出的光在通过V槽结构时，包层模式被激发，传输光在包层与金属薄膜界面发生全反射和表面等离子体共振，反射后的光信号经芯径为105μm阶跃折射率多模收光光纤进入光谱仪，光谱仪5将传输过来的反射光谱进行采集与解调，保存反射光谱数据，并制作不同折射率溶液的反射光谱曲线；然后将光纤探针镀膜区域放入光纤涂敷机中涂覆一层紫外固化胶，折射率为1.333RIU-1.385RIU，并用固胶凝固，构成V槽型包层SPR应变传感器。
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