CN114136919B - 基于近红外波段双峰pcf湿度与应力双参量传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明专利提供了基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感装置及方法，它包括光源(1)、单模光纤(2)、传感单元(3)、光谱分析仪(4)、光电转化器(5)、信号处理模块(6)和计算机(7)。利用表面等离子体共振原理，通过一个特殊结构的光子晶体光纤的两个共振峰的间距来检测湿度与应力，结果在计算机中显示。本发明由双峰灵敏度公式来取代传统的波长灵敏度的计算方法，提出的新的传感装置采用了双峰灵敏度的传感方法，具有更高的灵敏度和更强的稳定性，可广泛应用于金属冶炼、食品加工、建筑材料等领域。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统。
背景技术
生物传感器作为新世纪信息产业的三大支柱之一，近年来得到了迅速的发展，并被广泛应用于医疗卫生、农业工业、生物医学化学检测等领域。表面等离子体传感器(SPR传感器)作为其中的一种受到广泛关注并得以快速发展。表面等离子体共振(SPR)的原理是光在金属介质的表面发生全反射，利用全反射倏逝波激发表面等离子体极化激元(SPP)即表面等离子波从而导致全反射能量的大幅衰减。SPR传感器的原理正是根据不同被测物质有不同的衰减峰测量得到被测物质的折射率。SPR传感技术因其灵敏度高、无背景干扰、样品无标签、无需进一步纯化、实时快速检测等特点，已经成为监测分析物的折射率、过滤特定频率的光和检测纳米生物膜的形成的多功能工具。近年来，基于光子晶体光纤(PCF)的SPR传感器的概念已被提出。光子晶体光纤具有超强的抗弯曲特性、灵活的色散裁剪特性、良好的非线性特性、独特的光子带隙特性，因此可以通过不同的气孔布置来定制色散、双折射、非线性等。这些方面使得光子晶体光纤在许多领域特别引人注目，并在基于气体的非线性光学、原子和粒子制导、超高非线性、掺稀土激光和传感等领域有广泛的应用。PCF-SPR传感器可以实现等离子体模式和基模模式的完美匹配，因为基模的有效折射率可以设计为零到核心材料的折射率之间，在折射率检测方面具有很高的灵敏度和分辨率。克服了基于棱镜和传统光纤的SPR传感器体积大、传输损耗高、灵敏度低的缺点。可根据传感结构的不同将PCF-SPR传感器大致分为三类：基于空气孔内壁镀膜、内嵌金属纳米线以及基于包层外镀膜。目前大部分PCF-SPR传感器都采用空气孔内壁镀膜。
目前大部分PCF-SPR传感器都采用空气孔内壁镀膜，将空气孔内表面镀金属膜并填充合适的材料(热敏材料或待测介质)，在金属膜表面激发表面等离子体波：2021年WangJ K等人提出(Wang J K,Ying Y,Hu N,et al.Double D-shaped optical fibertemperature and humidity sensor based on ethanol and polyvinyl alcohol[J].Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2021,242(1):166972)了基于SPR传感器的温湿度双参量测量系统，将双D形光纤的两个平面分别涂有乙醇作为温敏材料和聚乙烯醇(PVA)作为湿敏材料进行温度和湿度的测量。在10～70℃范围内，温度灵敏度达到2.9nm/℃，在20℃范围内，湿度灵敏度达到11.6nm/％RH。分别获得了0.9933和0.9998的高线性。这种结构促进了高性能双参数传感器的发展。2019年，Han B等人提出(Han B,Zhang Y N,Siyu E,et al.Simultaneous measurement of temperatureand strain based on dual SPR effect in PCF[J].Optics&Laser Technology,2019,113:46-51)了一种具有双表面等离子体激元共振(SPR)的新型光子晶体光纤(PCF)结构，实现了温度和应变的同时测量，解决了温度和应变之间的交叉敏感问题。PCF的两个对称孔涂有金层，其中一个孔渗透有温度敏感液体。通过理论和数值分析，讨论和计算了温度和应变对PCF结构参数的影响。仿真结果表明，该方法可以同时测量温度和应变，且灵敏度高-当选择二甘醇作为温敏液体时，温度分别为6.83nm/℃和1.30×10nm/με。特别是对应变变化对温度传感特性的影响进行了分析和补偿，解决温度和应变的交叉敏感问题。2015年，李志全等人提出(李志全,安东阳,张鑫,等.一种适用于湿度传感的表面等离子微环传感器[J].光谱学与光谱分析,2015,35(9):5)了一种适用于湿度传感的表面等离子微环传感器。该传感器纵向上采用表面等离子多层波导结构，横向上采用U型微环结构，以聚酰亚胺(polyimide,PI)为感湿材料。根据传输矩阵法推导表面等离子微环传感器结构的传递函数，外界环境的相对湿度变化引起聚酰亚胺的折射率变化，从而多层波导结构的有效折射率发生改变，导致传感器的输出光谱发生漂移。在哈尔滨理工大学，沈涛和李晓晓提出(沈涛,李晓晓.一种基于聚乙烯醇膜的多模拉锥光纤湿度传感器,CN206772824U[P].2017)了一种基于聚乙烯醇膜的多模拉锥光纤湿度传感器，在聚乙烯醇基础上，结合光纤传输的特性，实现湿度检测，同时利用阵列波导光栅实现对湿度的多点复用，具有体积小，成本低，制作简单，易于调节，高精度等优点。
以上已公开PCF-SPR的检测方法都是基于某种耦合模式，检测单一损耗峰的共振波长与其漂移变化。但PCF-SPR传感器是同时拥有多个耦合存在，只检测一个耦合模式的峰值是困难，不稳定的。因为在实际使用中存在无法区分具体耦合模式所对应的约束损耗峰和约束损耗峰的共振波长波动不稳定导致无法检测的问题，Ying Guo等人提出(Y Guo,LiJ,Wang X,et al.Highly sensitive sensor based on D-shaped microstructure fiberwith hollow core-ScienceDirect[J].Optics&Laser Technology,123)了双峰检测光子晶体光纤传感器，分别检测两个峰的波长漂移量，同时拥有两个灵敏度，但是与上述单峰光子晶体光纤传感器在检测方法上没有区别。Gongli Xiao等人提出(Xiao G,Ou Z,Yang H,et al.An Integrated Detection Based on a Multi-Parameter Plasmonic OpticalFiber Sensor[J].Sensors,2021,21(3):803.)双峰检测双参量光子晶体光纤传感器，通过两个耦合模式下的损耗峰同时检测两种参量，同样依据单峰的共振波长与共振波长漂移量来判断检测物的折射率与灵敏度，稳定性较低。以上PCF-SPR传感器与本发明在对分析物状态的判别与灵敏度计算方法上有本质区别，且目前提出的高灵敏度传感器同样受限于光谱仪的性能，所以目前大多数PCF-SPR传感器只存在于仿真理论，实际制造效果较差。所以提出一种新的切实可行的工作在近红外波段的PCF结构及检测方法是十分重要的。
发明内容
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提出基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统，并提出一种新的分析物状态(包括折射率、应力或湿度)判定方法与稳定的灵敏度计算方法。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
技术方案：基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统，其特征在于：由光源(1)、单模光纤(2)、传感单元(3)、光谱分析仪(4)、光电转化器(5)、信号处理模块(6)和计算机(7)组成；
进一步地，所述传感单元(3)为光子晶体光纤(3-1)；由包层(3-2)、银膜(3-6)和分析液(3-7)构成；银膜(3-6)在包层(3-2)与分析液(3-7)交界处；其中包层(3-2)包括：10个第一圆形空气孔(3-3)、12个椭圆空气孔(3-4)、3个第二圆形空气孔(3-5)构成；第一圆形空气孔(3-3)、椭圆空气孔(3-4)、第二圆形空气孔(3-5)关于光纤y轴对称排列；椭圆空气孔(3-4)位于第一圆形空气孔(3-3)与第二圆形空气孔(3-5)中间；
进一步地，所述的传感单元(3)，包层(3-2)直径为18μm，第一圆形空气孔(3-3)直径为1.5μm，椭圆空气孔(3-4)的长轴长为3μm，短轴长为2μm，第二圆形空气孔(3-5)直径为2μm；银膜(3-6)厚度为26nm；包层材料为熔融石英，其折射率由Sellmeier公式定义；
进一步地，采用堆叠-拉丝技术制备光子晶体光纤(3-1)，光子晶体光纤(3-1)长度为20mm，所述的银膜(3-6)利用射频磁控溅射方法可以得到；
所述的堆叠-拉丝技术为：首先对石英套管进行预处理，在超净环境下按照参数拉制毛细管，拉制温度为1900℃-2000℃，之后对毛细管两端用氢氧焰进行拉锥封孔，在石英套管中将毛细管按照设计要求堆积形成所需的结构，用纯石英棒对空隙进行填充，利用氧炔火焰将石英套管与毛细管烧结在一起，在拉丝塔上使用两次拉丝技术制成光子晶体光纤；
进一步地，所述分析液(3-7)为聚酰亚胺(PI)，湿度的变化会改变聚酰亚胺(PI)的折射率，使得共振损耗峰发生明显变化；而应力会改变传感单元(3)的包层的折射率，也会使得共振损耗峰发生明显变化。
进一步地，所述的基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统，光源(1)发射光信号经过单模光纤(2)传输到传感单元(3)，传感单元(3)输出至光谱分析仪(4)与光电转化器(5)，光电转化器(5)将光信号转化为电信号输出到信号处理模块(6)，最终在计算机(7)中显示；
进一步地，所述光源(1)输出750-2000nm波段的光信号
进一步地，所述的光信号经过单模光纤(2)传输到传感单元(3)，银膜(3-6)表面激发的等离子体波波矢与入射光场的波矢在特定的波长范围内达到相位匹配，发生两次耦合，出现两个共振损耗峰；表面等离子体共振(SPR)对介质环境十分敏感，分析液(3-7)或包层(3-2)折射率RI变化会使共振条件发生变化，导致两个共振损耗峰发生明显变化，可以实现高灵敏度、实时性探测；
进一步地，所述的基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统，由光源(1)发出光信号，经单模光纤(2)传输至传感单元(3)，当分析液(3-7)折射率改变时，光子晶体光纤(3-1)等离子体共振现象的条件发生改变，两种耦合模式发生变化，在光谱分析仪(4)中显示的两个峰的距离Δλpeak发生明显的改变，当分析液(3-7)或包层(3-2)的折射率增大时，两个峰的距离减少，当分析液(3-7)或包层(3-2)的折射率减少时，两个峰的距离增加。经双峰灵敏度公式计算灵敏度。
所述双峰灵敏度公式为：
s＝(Δλpeak2-Δλpeak1)/Δna (1)
式中(Δλpeak2-Δλpeak1)为不同折射率下的两个损耗峰的波长差值，Δna为湿度/应力变化量，s为所求得的双峰灵敏度；其中Δλpeak1和Δλpeak2的大小与传感单元(3)所处的湿度和应力状态对应；传感单元(3)将携带(Δλpeak2-Δλpeak1)数值的光信号传输至光电转化器(5)，光电转化器(5)将光信号转化为电信号输出至信号处理模块(6)，最终在计算机(7)中显示传感单元所受湿度和应力的信息；
进一步地，所述的基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统，在同时测量应力与湿度时需要用以下公式进行计算：
式(2)中Δλ1为湿度改变后两峰间距的变化量，Δλ2为应力改变后两峰间距的变化量，ST，SN分别为湿度与应力的灵敏度，ΔT与ΔN分别为湿度与应力的变化量，进而从公式(3)可得出湿度与应力的变化量。
结构发明：基于近红外波段双峰PCF磁场与应力双参量传感系统。
与已公开技术相比，本发明专利的有益效果是：
1.本发明所述的基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统结构特殊，极大地增加了双折射特性以及色散特性，有利于偏振态的保持，可广泛应用于偏振控制、精密光纤传感等领域。
2.本发明所述的基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统拥有两个约束损耗峰，通过本发明所提出的双峰灵敏度公式计算，解决了传统PCF-SPR传感器灵敏度测量精度差，实际测试效果差的问题，增加了测量系统的稳定性。
3.本发明所述的基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统工作波长位于近红外波段，可忽略外界环境光对传感器的干扰。
4.本发明所述的基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统，采用银作为SPR激发材料，采用聚酰亚胺(PI)作为分析液，可以实现湿度和应力双参量测量，达到最大灵敏度0.125nm/％RH和2×10-3nm/mpa。
附图说明
图1为本发明提供基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统的装置图。
图2为本发明提供基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统的传感单元横截面图。
图3为本发明提供基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统的耦合图。
图4为本发明提供基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统的结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提出的基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统的具体实施方式加以说明。
如图1所示，本发明提供基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统的装置图，光源(1)发射光信号经过单模光纤(1)传输到传感单元(3)，当光传输至银膜(3-6)，由于分析液(3-7)与包层(3-2)的折射率不一致，光在银膜(3-6)处发生表面等离子体基元现象，出现两个约束损耗峰。传感单元(3)输出至光谱分析仪(4)与光电转化器(5)，光电转化器(5)将光信号转化为电信号输出到信号处理模块(6)，最终在计算机(7)中显示；
如图2所示，为本发明提供基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统的传感单元横截面图，传感单元(3)为光子晶体光纤(3-1)；由包层(3-2)、银膜(3-6)分析液(3-7)构成；其中包层(3-2)包括：10个第一圆形空气孔(3-3)、12个椭圆空气孔(3-4)、3个第二圆形空气孔(3-5)；第一圆形空气孔(3-3)、椭圆空气孔(3-4)、第二圆形空气孔(3-5)关于光纤y轴对称排列；椭圆空气孔(3-4)位于第一圆形空气孔(3-3)与第二圆形空气孔(3-5)中间；空气孔影响模式性质，可以把光控制在纤芯内，银膜(3-6)在包层(3-2)与分析液(3-7)交界处，当光信号传输至光子晶体光纤(3-1)，银膜(3-6)的存在导致表面等离子共振现象的发生，从而实现高灵敏度检测；
如图3所示，为本发明提供的基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统的两次耦合图，当工作波长为1200-2000nm时，本传感系统可以检测到两个约束损耗峰，发生两次纤芯与银膜(3-6)的耦合。
如图4所示，为本发明提供基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统的仿真结果图，在应力80kN，湿度60％RH和应力60kN，湿度40％RH下的损耗谱。分别计算应力从60kN到80kN和湿度从40％RH到60％RH情况下损耗值的变化量可以得到湿度测量的最大灵敏度为0.125nm/％RH和应力测量的最大灵敏度为2×10-3nm/mpa。
Claims (1)
1.基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统，其特征在于：由光源(1)、单模光纤(2)、传感单元(3)、光谱分析仪(4)、光电转化器(5)、信号处理模块(6)和计算机(7)组成；
所述传感单元(3)为光子晶体光纤(3-1)；由包层(3-2)、银膜(3-6)和分析液(3-7)构成；银膜(3-6)在包层(3-2)与分析液(3-7)交界处；其中包层(3-2)包括：10个第一圆形空气孔(3-3)、12个椭圆空气孔(3-4)、3个第二圆形空气孔(3-5)构成；第一圆形空气孔(3-3)、椭圆空气孔(3-4)、第二圆形空气孔(3-5)关于光纤y轴对称排列；椭圆空气孔(3-4)位于第一圆形空气孔(3-3)与第二圆形空气孔(3-5)中间；
所述的传感单元(3)，包层(3-2)直径为18μm，第一圆形空气孔(3-3)直径为1.5μm，椭圆空气孔(3-4)的长轴长为3μm，短轴长为2μm，第二圆形空气孔(3-5)直径为2μm；银膜(3-6)厚度为26nm；包层材料为熔融石英，其折射率由Sellmeier公式定义；
所述的银膜(3-6)利用射频磁控溅射方法涂覆；采用堆叠-拉丝技术制备光子晶体光纤(3-1)，光子晶体光纤(3-1)长度为20mm，具体制备方法为：
首先对石英套管进行预处理，在超净环境下按照参数拉制毛细管，拉制温度为1900℃-2000℃，之后对毛细管两端用氢氧焰进行拉锥封孔，在石英套管中将毛细管按照设计要求堆积形成所需的结构，用纯石英棒对空隙进行填充，利用氧炔火焰将石英套管与毛细管烧结在一起，在拉丝塔上使用两次拉丝技术制成光子晶体光纤；
所述分析液(3-7)为聚酰亚胺(PI)，湿度的变化会改变聚酰亚胺(PI)的折射率，使得共振损耗峰发生明显变化；而应力会改变传感单元(3)的包层的折射率，也会使得共振损耗峰发生明显变化，所以可以达到双参量测量的目的；
所述光源(1)输出750-2000nm波段的光信号；
所述的基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统，光源(1)发射光信号经过单模光纤(2)传输到传感单元(3)，传感单元(3)输出至光谱分析仪(4)与光电转化器(5)，光电转化器(5)将光信号转化为电信号输出到信号处理模块(6)，最终在计算机(7)中显示；
所述的光信号经过单模光纤(2)传输到传感单元(3)，银膜(3-6)表面激发的等离子体波波矢与入射光场的波矢在特定的波长范围内达到相位匹配，发生两次耦合，出现两个共振损耗峰；表面等离子体共振(SPR)对介质环境十分敏感，分析液(3-7)与包层(3-2)折射率RI变化会使共振条件发生变化，导致两个共振损耗峰发生明显变化，由此可以实现对湿度和应力的高灵敏度、实时性探测；
所述的基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统，由光源(1)发出光信号，经单模光纤(2)传输至传感单元(3)，当分析液(3-7)折射率改变时，光子晶体光纤(3-1)等离子体共振现象的条件发生改变，两种耦合模式发生变化，在光谱分析仪(4)中显示的两个峰的距离Δλpeak发生明显的改变，当分析液(3-7)或包层(3-2)的折射率增大时，两个峰的距离减少，当分析液(3-7)或包层(3-2)的折射率减少时，两个峰的距离增加；经双峰灵敏度公式计算灵敏度；
所述双峰灵敏度公式为：
s＝(Δλpeak2-Δλpeak1)/Δna (1)
式中(Δλpeak2-Δλpeak1)为不同折射率下的两个损耗峰的波长差值，Δna为湿度/应力变化量，s为所求得的双峰灵敏度；其中Δλpeak1和Δλpeak2的大小与传感单元(3)所处的湿度和应力状态对应；传感单元(3)将携带(Δλpeak2-Δλpeak1)数值的光信号传输至光电转化器(5)，光电转化器(5)将光信号转化为电信号输出至信号处理模块(6)，最终在计算机(7)中显示传感单元所受湿度和应力的信息；
所述的基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统，在同时测量应力与湿度时需要用以下公式进行计算：
式(2)中Δλ1为湿度改变后两峰间距的变化量，Δλ2为应力改变后两峰间距的变化量，ST，SN分别为湿度与应力的灵敏度，ΔT与ΔN分别为湿度与应力的变化量，进而从公式(3)可得出湿度与应力的变化量。
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