CN114112173A - 一种光子晶体光纤压力传感器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光子晶体光纤压力传感器及其测量方法，包括通过第一传导光纤依次连接的光源、光纤耦合器、磁场温度传感头、光谱仪；磁场温度传感头的封装外壳内壁设有隔振层，封装外壳内设有空气腔，光子晶体光纤通过弹性体安装在空气腔内；光子晶体光纤的横截面为D形，内部纵向的分布有多个空气孔，在第二层的空气孔中设有两个第一大孔径空气孔，作为磁流体通道，第四层的空气孔的中间设有第二大孔径空气孔；光子晶体光纤表面的平面镀有金膜，金膜外设有填充乙醇的温度传感通道，温度传感通道内。本发明增强Sagnac干涉效果，同时增强纤芯基模与表面等离子体模的耦合强度，获得更高的灵敏度，实现温度、磁场的双参量测量。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种光子晶体光纤压力传感器及其测量方法。
背景技术
基于表面等离子体共振的光子晶体光纤(Photonic crystal fiber based onsurface plasmon resonance；PCF-SPR)传感器具有极高的灵敏度和应用范围，尤其对生物介质界面处介质微小变化的检测在环境和医疗卫生、工业监测等方面得到了应用性的推广。PCF-SPR传感器传输损耗小，在SPR检测区间能保证电磁场的利用效率，且易于实现远距离检测以及分布式检测，检测装置简单，可实时性检测。但作为一种新兴的传感技术，由于起步较晚，其特性研究方面还有巨大的发展潜力。
目前所研究的PCF-SPR传感器其具有以下缺点：
1.基模与高阶等离子体模式存在共振耦合，使得基模的共振光谱曲线展宽进而使信噪比劣化，造成该传感器的灵敏度低。
2.难以消除参量交叉影响的问题，定向耦合效应的温度传感会影响表面等离子体共振的折射率传感，温度的变化会影响对磁场的检测，但同时实现对温度和磁场测量的PCF-SPR传感器很少。
导致原因：
1.未优化设计传感器的结构参数，使得纤芯对能量的束缚能力不足，SPR强度弱，共振效应差。
2.磁流体折射率受温度和磁场的改变而改变,造成温度与磁场的交叉影响，无法实现双参量传感。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种光子晶体光纤压力传感器及其测量方法，目的在于：
1.提升灵敏度：
通过对光子晶体进行特性分析，优化设计传感器的结构参数。采用PCF数值分析的有限元法，构建PCF-SPR传感结构，通过缩小第一层空气孔的中心两个孔，增强共振效果，提升灵敏度；通过模式分析、损耗谱分析和对比分析，对传感器进行设计优化，并研究检测范围、光谱灵敏度、折射率分辨率、振幅灵敏度和品质因子等传感特性；
2.实现双参量传感：
引入磁流体填充双芯的磁感通道和乙醇填充的温敏通道，通过磁流体通道测量磁场和温度，再通过乙醇通道测量温度，最后通过双参量解调矩阵公式分别计算出磁场和温度，便可实现温度和磁场双参量传感。
具体的技术方案为：
一种光子晶体光纤压力传感器，包括通过第一传导光纤依次连接的光源、光纤耦合器、磁场温度传感头、光谱仪；
所述的磁场温度传感头包括封装外壳，封装外壳内壁设有隔振层，封装外壳内设有空气腔，光子晶体光纤通过弹性体安装在空气腔内。
光子晶体光纤的横截面为D形，内部纵向的分布有多个空气孔，空气孔之间的间隙填充二氧化硅；
所述的空气孔呈六边形排布，在第二层的空气孔中设有两个第一大孔径空气孔，第四层的空气孔的中间设有一个第二大孔径空气孔，第一大孔径空气孔、第二大孔径空气孔直径相等；
第一大孔径空气孔作为磁流体通道，填充水基Fe3O4磁流体，Fe3O4质量浓度为1.8％；
光子晶体光纤表面的平面镀有金膜，金膜外设有温度传感通道，温度传感通道内填充高热光系数的乙醇。
一种光子晶体光纤压力传感器的测量方法：光源发出的光经过第一传导光纤、光纤耦合器耦合至由光子晶体光纤制作的磁场温度传感头上，而磁场温度传感头中，光子晶体光纤对所感知的磁场温度而产生参数和模场变化，从而引起光谱仪输出光谱曲线的变化，通过磁流体通道测量磁场和温度，再通过温度传感通道测量温度，最后通过双参量解调矩阵公式分别计算出磁场和温度，便可实现温度和磁场双参量传感。
本发明具有的技术方案为：
1.对光子晶体光纤结构上，引入三个大孔径孔空气孔，以破坏纤芯的对称性，使纤芯X偏振与Y偏振的有效折射率差增大，从而增强Sagnac干涉效果，同时增强纤芯基模与表面等离子体模的耦合强度，获得更高的灵敏度；
2.引入乙醇填充的温度传感通道和磁流介质通道，使用数学双参量解调矩阵公式分别计算出磁场和温度，最终实现温度、磁场的双参量测量。
附图说明
图1为本发明的传感器结构示意图；
图2为本发明光子晶体光纤结构示意图；
图3(a)基于Sagnac干涉原理对磁场的传感透射谱；
图3(b)基于Sagnac干涉原理对温度的传感透射谱；
图3(c)基于等离子体共振原理对温度的传感损耗；
图3(d)基于等离子体共振原理对磁场传感损耗；
图4(a)透射峰随磁场强度变化的移动情况；
图4(b)损耗峰随温度变化的移动情况；
图4(c)透射峰随温度变化的移动情况；
图5(a)两种环境状态下透射峰移动情况；
图5(b)两种环境状态下损耗峰的移动情况。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
1.传感器结构：
如图1所示，一种光子晶体光纤压力传感器，包括通过第一传导光纤4依次连接的光源1、光纤耦合器3、磁场温度传感头5、光谱仪2；
所述的磁场温度传感头5包括封装外壳10，封装外壳10内壁设有隔振层6，封装外壳10内设有空气腔7，光子晶体光纤9通过弹性体8安装在空气腔7内。
对于光纤传感器，传感的核心部分在光纤磁场温度传感头。光源发出的光经过普通传导光纤耦合至由光子晶体光纤制作的磁场温度传感头上，而光纤磁场温度传感头中，光子晶体光纤发挥主要的传感作用，其将会对所感知的磁场温度而产生一定的参数和模场变化，从而引起光谱仪输出光谱曲线的变化，再利用数学工具，最终实现磁场温度的测量。因此光子晶体光纤对磁场温度的感知的灵敏度可直接影响传感器的传感性能。本发明则通过对光子晶体光纤9结构的创新设计，提高光纤对压力的传感灵敏度，进而设计出具有一种可实现高灵敏度双参量测量的传感器。
如图2所示，高灵敏度双参量传感的光子晶体光纤，Photonic crystal fiber：PCF，即光子晶体光纤9的横截面为D形，内部纵向的分布有多个空气孔91，直径用dl表示，空气孔91之间的间隙填充二氧化硅；
所述的空气孔91呈六边形排布，在第二层的空气孔中设有两个第一大孔径空气孔92，第四层的空气孔的中间设有一个第二大孔径空气孔93，第一大孔径空气孔92、第二大孔径空气孔93直径相等，直径用dc表示；
第一大孔径空气孔92作为磁流体通道，填充水基Fe3O4磁流体，Fe3O4质量浓度为1.8％；
光子晶体光纤9表面的平面镀有金膜95，厚度为d，金膜95外设有温度传感通道96，温度传感通道96内填充高热光系数的乙醇。
通过磁流体通道测量磁场和温度，再通过乙醇通道测量温度，最后通过双参量解调矩阵公式分别计算出磁场和温度，便可实现温度和磁场双参量传感。
上述一种光子晶体光纤压力传感器的测量方法：
光源发出的光经过第一传导光纤4、光纤耦合器3耦合至由光子晶体光纤9制作的磁场温度传感头5上，而磁场温度传感头5中，光子晶体光纤9对所感知的磁场温度而产生参数和模场变化，从而引起光谱仪2输出光谱曲线的变化，通过磁流体通道测量磁场和温度，再通过温度传感通道96测量温度，最后通过双参量解调矩阵公式分别计算出磁场和温度，便可实现温度和磁场双参量传感。
2、传感器性能实验分析
2.1优化结构参数
本发明基于全矢量有限元理论，使用COMSOL构建模型，利用Matlab软件计算其有效折射率。分析有效折射率、损耗谱、透射谱等，明确温度，磁场与结构参数之间的作用关系，最终确定最佳参数。
PCF中的包层具有周期性空气孔，可调控入射光的传输和泄露，结构参数的取值会在一定程度上影响传感器的性能。保持外界温度为20℃，磁场为10mT不变，通过斜率可计算出磁场传感灵敏度和磁传感器的传感线性度，再综合磁场的传感灵敏度和线性度这两个指标，使它们达到相对的平衡点。选取优化结构dc＝9.6um、dl＝4.6um、ds＝8.75um、t＝11.0um、d＝35nm。
2.2磁场和温度双参量传感特性分析
为研究该传感器的磁场和温度双参量解调传感原理及关系，画出基于Sagnac干涉原理的磁场和温度感透射谱和基于等离子体共振原理的磁场和温度传感损耗谱如图3(a)到图3(d)所示。
图3(a)是在外界环境温度为20℃下，磁场从10mT到30mT透射谱的变化，随着磁场的变大，透射谱均匀左移。随着磁场的增大，磁流体的折射率也会增加，X、Y两偏振模式的有效折射率就会增大，根据透射谱公式，相对波长减小，所以透射峰会向短波波长方向移动。图3(b)是固定外界磁场为10mT时，外界温度从-30℃到50℃的透射峰的变化情况。可以看到，随着温度的增加，透射谱近似均匀右移，因为随着温度的增加磁流体的折射率会减小，所以透射峰位置的移动方向正好与磁场影响效果相反，两偏振模的有效折射率减小，使透射峰向长波方向移动。
图3(c)、图3(d)是基于等离子体共振原理对磁场和温度的传感损耗谱。图3(c)中外界磁场为10mT下，随着温度的增加，损耗峰向右移，损耗值的大小没有太大的变化，而当固定外界环境为20℃时，外界磁场发生变化，损耗峰几乎不会移动，如图3(d)所示，这是因为乙醇的折射率仅对温度敏感，而磁场对它的折射率变化几乎不会产生影响。为了得到磁场和温度的变化量可以用下式计算得到：
式中，Δλtr、Δλloss分别是透射谱和损耗谱移动的波长，
和
分别是透射峰和损耗峰的温度灵敏系数，
是磁场的灵敏系数，它们分别用K1、K2和K3表示，它们的数值通过线性拟合得到，K1＝1.239nm/℃，K2＝-3.799nm/mT，K3＝2.514nm/℃,通过求k系数矩阵的逆矩阵求得变化的温度和磁场，关系式为：
图4(a)到图4(c)，图5(a)和图5(b)所示，该传感器温度在-30℃～50℃，透射峰温度灵敏度为1.239nm/℃，线性度达0.9957；损耗峰温度光谱灵敏度为2.514nm/℃，线性度达0.99717。外界磁场在10mT～30mT，透射峰磁场灵敏度为-3.799nm/mT，线性度达0.99727。该传感器损耗峰峰值较大，半高宽为235nm左右，半峰全宽值相对较小，损耗峰尖锐，检测峰值位置时精确，传感准确性较好。该传感器基于Sagnac干涉原理和表面等离子体共振原理实现了磁场与温度的双参量传感，避免了传统传感器中交叉传感的问题，且温度的测量误差为1.135％，磁场的测量误差为6.67％。
Claims (4)
1.一种光子晶体光纤压力传感器，其特征在于，包括通过第一传导光纤(4)依次连接的光源(1)、光纤耦合器(3)、磁场温度传感头(5)、光谱仪(2)；
所述的磁场温度传感头(5)包括封装外壳(10)，封装外壳(10)内壁设有隔振层(6)，封装外壳(10)内设有空气腔(7)，光子晶体光纤(9)通过弹性体(8)安装在空气腔(7)内。
2.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤压力传感器，其特征在于，所述的光子晶体光纤(9)的横截面为D形，内部纵向的分布有多个空气孔(91)，空气孔(91)之间的间隙填充二氧化硅；
所述的空气孔(91)呈六边形排布，在第二层的空气孔中设有两个第一大孔径空气孔(92)，第一大孔径空气孔(92)作为磁流体通道，填充水基Fe3O4磁流体，Fe3O4质量浓度为1.8％；
光子晶体光纤(9)表面的平面镀有金膜(95)，金膜(95)外设有温度传感通道(96)，温度传感通道(96)内填充高热光系数的乙醇。
3.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤压力传感器，其特征在于，第四层的空气孔的中间设有一个第二大孔径空气孔(93)，第一大孔径空气孔(92)、第二大孔径空气孔(93)直径相等。
4.根据权利要求1到3任一项所述的一种光子晶体光纤压力传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
光源发出的光经过第一传导光纤(4)、光纤耦合器(3)耦合至由光子晶体光纤(9)制作的磁场温度传感头(5)上，而磁场温度传感头(5)中，光子晶体光纤(9)对所感知的磁场温度而产生参数和模场变化，从而引起光谱仪(2)输出光谱曲线的变化，通过磁流体通道测量磁场和温度，再通过温度传感通道(96)测量温度，最后通过双参量解调矩阵公式分别计算出磁场和温度，便可实现温度和磁场双参量传感。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220301 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |