CN114608636B - 一种s型光纤包层spr传感器及其制作和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤表面等离子体共振传感领域，主要涉及S型光纤包层SPR传感器；该传感器由传光区、S型调制区、包层传感区、环形芯收光光纤、金属膜、环境介质组成；包层传感区右端面与环形芯收光光纤左端面同轴对接，金属膜环形包覆在包层传感区表面，环境介质包覆在金属膜的表面，S型调制区纤芯和包层均弯曲成S型；本发明解决现有技术中包层型SPR传感器结构少的问题，不仅可以调节SPR共振工作波段，进而实现波分复用多通道检测，还可以实现高灵敏度的双参数应变传感。
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，特别涉及一种S型光纤包层SPR传感器，适用于光纤波分复用多通道折射率传感及应变传感。
背景技术
表面等离子共振(SPR)传感技术是利用全反射倏逝波和金属表面等离子体波之间的共振现象来工作的。这种现象使宽谱光特定波长处的能量急剧衰减，在透射光谱中表现为特定波长处的共振谷。SPR对金属表面环境折射率的变化非常敏感。当金属周围环境的折射率发生变化时，共振谷的特定波长位置会发生变化，从而产生共振谷漂移现象，因此，可以实现高灵敏度的折射率测量。此外，当外界环境介质折射率保持不变，SPR对传输光的全反射角度(也称SPR共振角度)变化也十分敏感，SPR共振角度发生改变时，也会产生共振谷漂移的现象。
在光纤上构造SPR传感结构，需要光纤基底中传输光的倏逝场与金属膜接触，进而与金属膜中的电子发生共振。根据发生SPR的光纤基底位置，可将光纤SPR传感器分为纤芯型和包层型两类。纤芯型SPR传感器是通过去除光纤包层使纤芯裸露，在裸露的纤芯表面镀制一层金属膜，让纤芯模式的倏逝场与金属膜接触从而发生SPR，典型的去除包层构建SPR光纤传感结构的方法有侧抛法、研磨法、腐蚀法，这些加工方法往往需要复杂的微加工设备，存在加工效率低，去除包层的光纤探针结构脆弱等问题。因此，光纤包层型SPR传感器成为新的研究热点。
光纤包层型SPR传感器则是将纤芯中传输的光耦合到包层中，在包层表面镀制金属膜，利用包层模式的倏逝场与金属膜接触从而发生SPR，典型的包层型SPR传感器是由多模光纤-单模光纤-多模光纤构成的异质芯结构，通过纤芯失配将多模光纤纤芯中的光直接耦合注入到单模光纤的包层中，然后在单模光纤包层上镀制金属膜。但是，目前报道的光纤包层型SPR传感器结构还是很少，因为开发出的，可将纤芯中的光有效耦合到包层，进而构造包层SPR传感器的结构尚少。因此，需要开发出一些新型的光纤包层SPR传感器来替代那些加工复杂，加工效率低且结构脆弱的纤芯型SPR传感器。
由于光纤SPR传感器具有体积小、抗电磁干扰能力强、灵敏度高、可实现长距离实时在线检测等优点，目前已成为环境监测领域的研究热点。但是在实际应用场景中，通常需要同时检测多个待测量，而不仅仅只是检测一种物质，因此构建可多通道检测的SPR传感器也成为了光纤SPR传感领域的迫切需求。
应变测量在工程健康监测预警领域中起重要作用，成为近年来光纤传感领域的研究热点，现已提出的光纤型应变传感器主要有马赫曾德干涉型、法布里-伯罗干涉型和光纤光栅型几类。光纤SPR传感技术具有灵敏度高等优势，因此，构造一种能够用于应变测量且加工简单的光纤SPR传感器成为了光纤SPR传感领域的迫切需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种S型光纤包层SPR传感器及其制作和使用方法，以解决现有技术背景中纤芯型SPR传感器加工难度大，探针结构脆弱、包层型SPR传感器结构较少的问题，此外，该发明还具备波分复用双通道检测和应变检测两大功能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种S型光纤包层SPR传感器，包括传光区、S型调制区、包层传感区、环形芯收光光纤、金属膜、环境介质；传光区、S型调制区、包层传感区在同一根光纤上从左至右依次分布，S型调制区是利用光纤电熔技术制成，S型调制区的纤芯和包层均弯曲成S型，包层传感区右端面与环形芯收光光纤左端面同轴焊接，金属膜环形包覆在包层传感区表面，环境介质包覆在金属膜的表面；光源光在传光区的纤芯内向右传输，当光传输至S型调制区时，由于纤芯弯曲，纤芯模耦合为包层模，满足传输条件的包层模在包层中继续向右传输至包层传感区，包层传感区中的包层模倏逝场与金属膜接触并发生SPR效应，发生SPR效应后的包层模继续向右进入环形芯收光光纤的环形纤芯中传输至光谱仪，光信号采集解调后得到SPR传感光谱，本发明不仅可以通过调节共振工作波段，实现波分复用的多通道折射率传感，还可以实现高灵敏度的双参数应变传感。
作为优选方案，所述传光区、S型调制区、包层传感区采用的光纤纤芯直径可以是4.7μm、9μm或者19μm的单模、少模光纤，也可以是40μm-80μm的多模光纤，其纤芯的折射率分布可以是阶跃型也可以是渐变型；光纤的包层直径为125μm；所述S型调制区的长度为350μm-510μm，所述S型调制区的垂轴偏移量为10μm-130μm；所述环形芯收光光纤的内包层直径与传光区采用的光纤纤芯的直径相同，环形纤芯环形包覆内包层，环形纤芯的内径与内包层直径相同，外径为105μm，外包层环形包覆环形纤芯，内径105μm，外径125μm；所述金属膜厚度为40-60nm，可以是金膜也可以是银膜也可以是金银复合膜；所述环境介质可以是甘油和蒸馏水的混合溶液也可以是紫外固化胶，折射率为1.333RI U-1.395RI U。
作为优选方案，其制作方法为：
S1取两段单模光纤作为校准光纤，分别将两根光纤的其中一端用米勒钳剥除涂覆层，端面做切平处理，放于光纤熔接机左右两侧的夹具内，使光纤伸出夹具端面长度为1cm，进入熔接机的手动模式，熔接机显微镜头下，调节两光纤端面的轴向距离为10μm，纵轴偏移量为设计的S区垂轴偏移量，调节好后取下校准光纤；
S2取一段设计纤芯直径的单芯光纤，在单芯光纤中间段用米勒钳剥涂覆层4cm，用蘸有酒精的无纺布擦拭干净后，将单芯光纤放置在光纤熔接机左右两侧的夹具内，其中使剥除了涂覆层的区域处于左右夹具间，正对放电电极，由于校准后的熔接机两侧夹具纵向之间存在垂轴偏移量，因此光纤在垂轴偏移推力的作用下呈Z型，盖上熔接机防风盖，在线微调S型调制区长度至设计长度后，多次放电，使光纤逐渐熔融，直至变成设计尺寸的S形，S型光纤制备完成；
S3取出制备好的S型光纤，并在S型调制区右侧2cm处做端面切平处理，该S型调制区右侧2cm区域为包层传感区；
S4取一段设计环形纤芯直径的环形芯光纤，用米勒钳将环形芯光纤左端剥除3cm的涂覆层，用蘸有酒精的无纺布擦拭干净后将光纤左端切平；
S5在光纤熔接机中，将制备好的S型光纤右端面与环形收光光纤的左端面进行正对熔接；
S6将包层SPR传感区置于磁控溅射仪金靶下方，两端夹持于光纤旋转镀膜夹具中，用石英套管覆盖S型调制区避免镀上金膜，在包层SPR传感区上均匀镀制40-60nm金膜，优选50nm，S型光纤包层SPR传感器制作完成。
作为优选方案，其折射率测量使用方法为：
S1将所述S型光纤包层SPR传感探针的传光区左端接入宽谱光源，将环形芯收光光纤右端接入光谱分析仪，让S型调制区处于自然伸展状态，宽谱光在传光区的纤芯内向右传输，当光传输至S型调制区时，由于纤芯弯曲，纤芯模耦合为包层模，满足传输条件的包层模在包层中继续向右传输至包层传感区，包层传感区中的包层模倏逝场与包层外环形镀制的50nm金属膜接触并发生SPR效应，发生SPR效应后的包层模继续向右进入环形芯收光光纤的环形纤芯中传输至光谱仪，光信号采集解调后得到SPR传感光谱，将包层传感区放置于反应管中，管中依次通入折射率为1.333-1.385RIU的折射率标定溶液，得到每个测量折射率下的SPR共振谷波长，即得到传感器的SPR共振谷波长与折射率之间的数量关系；
S2再将传感探针的包层传感区置于待测环境介质溶液中，同样让S型调制区处于自然伸展状态，光谱仪接收到发生SPR效应后的透射光谱并保存；
S3将接收到的透射光谱导入计算机进行解调处理，得到有SPR共振谷的SPR光谱；
S4最后再根据SPR光谱的SPR共振谷波长所在位置，计算出环境介质的折射率大小，即实现折射率测量。
作为优选方案，其波分复用多通道测量使用方法为：
S1所述光纤探针的纤芯的直径不同时，S型调制区处激发的包层模式也不同，即包层模式的传输全反射角度不同，即SPR共振角度不同，SPR工作共振波段不同；当所述S型调制区的垂轴偏移量不同时，S型调制区处激发的包层模式不同，SPR共振角度不同，SPR工作共振波段不同；S型光纤包层SPR传感器的制作方法中S1、S2和S3的制作方法步骤，分别制备一个纤芯直径较小、垂轴偏移量较大的S型光纤，以及一个纤芯直径较大，垂轴偏移量较小的S型光纤，在第二个S型光纤的后方续接环形纤芯内径与第二个S型光纤芯径相同，环形纤芯外直径为105μm的环形芯光纤，将第一个S型光纤的右端面与第二个S型光纤的左端面正对熔接；
S2将第一个S型光纤传光区的左端面连接至宽谱光源，将第二个S型光纤后端的环形芯收光光纤右端接入光谱分析仪，再按S型光纤包层SPR传感器的折射率测量使用方法分别使用两个S区在一次光谱测量中进行两部位同时传感；
S3光纤探针的纤芯的直径越大，对应的SPR共振工作波段更靠近短波长；S型调制区的垂轴偏移量越大，对应的SPR共振工作波段更靠近长波长；不同纤芯直径和不同垂轴偏移量来调节SPR共振工作波段，再通过控制选择不同纤芯直径或不同垂轴偏移量的S型光纤探针进行级联，即可实现波分复用双通道传感。
作为优选方案，其双参数应变传感使用方法为：
S1将所述S型光纤包层SPR传感器穿入石英毛细管中，包层传感区位于石英毛细管中间并被毛细管完全包覆，将石英毛细管放置于应变测试装置中间带U型槽的支柱上，将传感器两端分别固定在应变测试装置的左右两侧夹具上，传光区左端连接光源，环形芯收光光纤右端连接光谱分析仪；
S2光源发出的光经过光纤探针传输至S型调制区后，激发包层模式，并与包层传感区表面的金属薄膜接触发生SPR效应，发生SPR效应的包层光再由环形芯收光光纤接收，最后再传输至光谱分析仪中进行数据采集与保存；
S3采集并保存石英毛细管中为空气，且传感光纤处于松弛状态时的空气参考谱；
S4将石英毛细管中注入折射率为1.345RIU的甘油水溶液，精密控制电机移动，使电机的步进量能够逐次产生100με的应变增量，在应变每增加100με时，在光谱分析仪上记录下透射光谱，直至应变达到2000με；
S5环境介质的折射率保持不变，当传感器两端受到拉力作用时，光纤在拉力的作用下S型调制区的形状发生改变，产生应变，使得S型调制区的垂轴偏移量变小，S型调制区的长度变长，进而导致耦合进包层中的高阶模式变低，模式较低的包层模传输的全反射角度更大，即SPR共振角度变大，SPR共振波长会向短波长方向移动，同时，由于S型调制区的垂轴偏移量变小，耦合进包层中的光能量变弱，SPR共振谷深度变浅，因此，通过SPR共振波长的移动量以及SPR共振谷深度的变化量可以感知光纤探针所产生的应变的大小。
S6反复多次测试应变数据，并进行数据对比与处理，找出SPR共振谷开始规律性移动时以及SPR共振谷深规律性变化时对应的应变量，此数据可看作传感探针在0应变状态的SPR透射光谱，并将此状态之前的数据视为误差舍弃，进行最终数据处理，即可得到SPR共振谷波长和谷深与应变之间的数量关系，当此传感器受到外界作用力产生应变时，我们可以通过透射光谱中的SPR共振谷波长所在位置和SPR共振谷深度来感知传感器所产生的应变大小，即实现了基于SPR共振波长及SPR共振谷深度的双参量应变传感。
本发明的有益效果在于：
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种S型光纤包层SPR传感器，通过光纤放电熔融技术在光纤探针上加工S型结构，并利用S型光纤结构的传光特性，将纤芯中的光耦合到包层中，再在包层表面镀制金属膜，利用包层模式的倏逝场与金属膜接触从而发生SPR来构造新型的包层型SPR传感器，有效解决了现有技术背景中纤芯型SPR传感器加工难度大，探针结构脆弱的问题，并为包层型SPR传感器结构少的问题提供了新的解决方案，且本发明还能够通过控制选择不同纤芯直径的光纤探针或者制备不同垂轴偏移量的S型调制区来实现SPR共振角度的调节，最终实现波分复用双通道检测，此外，本发明还利用应变可以改变S型调制区的垂轴偏移量，进而改变SPR共振波长位置及SPR共振谷深度的特性，实现了高灵敏度双参量应变传感，相比于现有技术，S型光纤所用的放电熔融加工法操作更简单，加工时间更短，成品率更高，且加工设备成本更低。
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S型光纤包层SPR传感器结构示意图；
图2为图1中AA’、BB’、CC’平面对应的剖面图，其中图(a)为传光区剖面图对应于AA’平面，图(b)为包层传感区剖面图对应于BB’平面,图(c)为环形芯收光光纤剖面图对应于CC’平面；
图3为光纤探针传光特性示意图，其中(a)为光纤探针传光特性示意图，(b)为不同纤芯直径光纤探针传光特性图，(c)为不同垂轴偏移量的光纤探针传光示意图，(d)为受应变作用时的光纤探针传光示意图；
图4为S型光纤包层SPR传感器折射率测试系统示意图；
图5为两个S型光纤包层SPR传感器进行级联后的探针结构示意图；
图6为S型光纤包层SPR传感器应变测试系统示意图。
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例进行详细的描述。
本发明可以通过如下方式实现：如图1、图2和图3所示。
图1中1为传光区，纤芯1-1，包层1-2，2为S型调制区，3为包层传感区，4为环形芯收光光纤，4-1为内包层，4-2为环形纤芯，4-3为外包层，5为金属膜，6为环境介质。光源光在传光区1的纤芯1-1内由左向右传输，纤芯1-1外侧包绕有包层1-2，当光传输至S型调制区2时，由于纤芯弯曲，使纤芯模式耦合为包层模，满足传输条件的包层模在包层中继续向右传输至包层传感区3，包层传感区3中的包层模倏逝场与金属膜5接触，发生SPR效应，发生SPR效应后的包层模继续向右进入环形芯收光光纤4的环形纤芯中传输，环形纤芯中传输的光信号送入光谱仪，采集解调后得到具有共振谷的SPR光谱，对制作完成的传感器进行折射率标定后即可将其置于待测液体中，通过采集解调后的得到SPR共振谷波长，即可得出待测液体的折射率值。
如图2所述传光区(1)、S型调制区(2)、包层传感区(3)采用的光纤为单模光纤、少模光纤，或者多模光纤，所述光纤的纤芯(1-1)折射率分布是阶跃型或渐变型；所述S型调制区(2)的长度为350μm-510μm，垂轴偏移量为10μm-130μm；所述环形芯收光光纤(4)的内包层(4-1)直径与传光区采用的光纤纤芯(1-1)的直径对应相同，环形纤芯(4-2)环形包覆内包层(4-1)，环形纤芯(4-2)的内径与内包层(4-1)直径相同，外包层(4-3)环形包覆环形纤芯(4-2)；所述金属膜(5)是金膜、银膜或金银复合膜；所述环境介质(6)为甘油和蒸馏水的混合溶液或者为紫外固化胶，折射率为1.333RIU-1.395RIU。
具体制作方法为：以光纤探针是单模光纤为例，步骤如下：
S1取两段10cm长的单模光纤作为校准光纤，分别将两根光纤的其中一端用米勒钳剥除涂覆层，端面做切平处理，放于光纤熔接机左右两侧的夹具内，使光纤伸出夹具端面长度为1cm，进入熔接机的手动模式，熔接机显微镜头下，调节两光纤端面的轴向距离为10μm，纵轴偏移量为60μm，调节好后取下校准光纤；
S2取一段1m长的单模光纤，纤芯直径9μm，包层直径125μm，在单模光纤距离右端面的10cm处的中间段用米勒钳剥除4cm涂覆层，用蘸有酒精的无纺布擦拭干净后，将单模光纤放置在光纤熔接机左右两侧夹具内，使剥除了涂覆层的区域处于左右两夹具间，正对放电电极，由于校准后的熔接机两侧夹具纵向之间存在垂轴偏移量，因此光纤在垂轴偏移推力的作用下呈Z型，盖上熔接机防风盖，在线微调S型调制区长度至设计长度后，多次放电，使光纤逐渐熔融，直至变成设计尺寸的S形，单模S型光纤制备完成，放电时，光纤熔接机参数设置为：预熔时间和熔接时间分别为0.05s和0.8s，预熔功率和熔接功率分别为70w和75w，熔接机两夹具电机的X轴推进量均为0；
S3取出制备好的单模S型光纤，并在S型调制区右侧2cm处用定长切割装置做切平处理，该2cm区域为包层传感区；
S4取一段40cm长的环形芯光纤，中心包层直径为9μm，环形纤芯包覆在中心包层外侧，且外直径为105μm，外包层包覆在环形纤芯外侧，且外直径为125μm，同样用米勒钳将环形芯光纤两端剥除3cm的涂覆层，用蘸有酒精的无纺布擦拭干净后将两端切平，放置一旁备用；
S5利用光纤熔接机的自动熔接模式将制备好的单模S型光纤右端面与环形收光光纤的左端面进行正对熔接；
S6将包层SPR传感区置于磁控溅射仪金靶下方，两端夹持于光纤旋转镀膜夹具中，用石英套管覆盖S型调制区避免镀上金膜，在包层SPR传感区上镀制50nm金膜，根据实际需要金膜厚度可以在40-60nm间调整，S型光纤包层SPR传感器制作完成。
实施例1：
S型光纤包层SPR传感器的折射率测试使用方法如下：
S1参见图4，将传光区1左端连接到光源7上，将环形芯收光光纤4右端连接到光谱仪8上，让S型调制区处于自然伸展状态,并对传感探针进行折射率标定，得到传感器的SPR共振谷波长与折射率之间的数量关系；
S2再将传感探针的包层传感区置于待测环境介质溶液中，同样让S型调制区处于自然伸展状态，光谱仪接收到发生SPR效应后的透射光谱并保存；
S3将接收到的透射光谱导入计算机进行解调处理，得到有SPR共振谷的SPR光谱；
S4最后再根据SPR光谱的SPR共振谷波长所在位置，计算出环境介质的折射率大小，即实现折射率测量。
实施例2：
两个传感器级联构造波分复用双通道传感器的结构及使用方法如下：
参见图5，将两个S型光纤包层SPR传感器进行级联；
S1首先，取一段长度为1m，纤芯直径为4.7μm，包层直径为125μm的少模光纤1-11，按照S型光纤包层SPR传感器的制作方法中S1、S2、S3步骤，在少模光纤1-11上制作垂轴偏移量为80μm的S型调制区2-11，包层传感区3-11作为SPR共振工作波段更靠近长波长的检测通道一；
S2再取一段长度为1m，纤芯直径为50μm，包层直径为125μm的渐变折射率多模光纤1-22，按照S型光纤包层SPR传感器的制作方法中S1、S2、S3步骤，在多模光纤1-22上制作垂轴偏移量为60μm的S型调制区2-22，包层传感区3-22作为SPR共振工作波段更靠近短波长的检测通道二；
S3将通道一少模光纤1-11右端与通道二渐变折射率多模光纤1-22左端利用熔接机自动模式进行正对熔接；
S4取一段长度为40cm，环形纤芯内直径为50μm，外直径为105μm的环形芯光纤，将其两端各剥除长度为3cm涂覆层后做切平处理，再将渐变折射率多模光纤1-22的右端与环形芯光纤的左端正对熔接；
S5将S4步骤制备好的探针中通道一的包层SPR传感区3-1置于磁控溅射仪金靶下方，两端夹持于光纤旋转镀膜夹具中，用石英套管分别覆盖S型调制区2-11、通道二的S型调制区2-22和通道二的包层SPR传感区3-22避免镀上金膜，在包层SPR传感区3-11上镀制50nm金膜5-11，通道一的S型光纤包层SPR传感器制作完成；
S6将S5步骤制备好的探针中通道二的包层SPR传感区3-22置于磁控溅射仪金靶下方，两端夹持于光纤旋转镀膜夹具中，用石英套管分别覆盖S型调制区2-22和通道一的S型调制区2-11和通道一的包层SPR传感区3-11避免镀上金膜，在包层SPR传感区3-22上镀制50nm金膜5-22，通道二的S型光纤包层SPR传感器制作完成；
S7将S6步骤制备好的探针的少模光纤1-11的左端接入光源7，将环形芯收光光纤4-22的右端接入光谱仪8，级联探针测试实验装置连接完成；
S8让两通道的S型调制区均处于自然伸展状态，并分别对两通道进行折射率标定，在标定一个通道时，将另一个通道的环境介质设置为空气，得到两个通道的SPR共振谷波长与折射率之间的数量关系；
S9再将传感探针通道一的包层传感区3-11先置于第一种待测环境介质6-11溶液中，让S型调制区处于自然伸展状态，记下光谱仪中显示光能量衰减波长的位置，再把通道二的包层传感区3-22置于第二种待测环境介质6-22溶液中，同样让S型调制区处于自然伸展状态，记下光谱仪中显示的另一处光能量衰减波长位置，这样便于判断各通道对应的待测液；
S10最后采集并保存光谱仪接收到发生SPR效应后的透射光谱，将接收到的透射光谱导入计算机进行解调处理，得到具有两个SPR共振谷的SPR光谱，最后再根据SPR光谱的两个SPR共振谷波长所在位置，计算出两种环境介质的折射率大小，即实现波分复用双通道折射率传感。
实施例3：
S型光纤包层SPR传感器的应变测试使用方法如下：
S1按图6实验装置进行连接，将光纤探针穿入内径为300μm，长度为5cm的石英毛细管9中，包层传感区3位于石英毛细管9中间并被毛细管9完全包覆，将石英毛细管放置于应变测试装置10中间带U型槽的支柱上，将传感器两端分别固定在应变测试装置10的左右两侧夹具上，传光区1左端连接光源7，环形芯收光光纤4右端连接光谱分析仪8；
S2光源7发出的光经过光纤探针传输至S型调制区2后，激发包层模式，并与包层传感区3表面的金属薄膜5接触发生SPR效应，发生SPR效应的包层光再由环形芯收光光纤接收，最后再传输至光谱分析仪8中进行数据收集与保存；
S3当石英毛细管9中为空气，且传感光纤处于S型调制区处于自然伸展状态时，采集并保存空气参考谱；
S4将石英毛细管9中注入折射率为1.345RIU的甘油水溶液6，精密控制电机移动，使电机的步进量能够逐次产生100με的应变增量，在应变每增加100με时，在光谱分析仪8上记录下SPR透射光谱，直至应变达到2000με；
S5由于环境介质的折射率保持不变，当传感器两端受到拉力作用时，光纤在拉力的作用下S型调制区的形状发生改变，即产生应变，使得S型调制区的垂轴偏移量变小，S型调制区的长度变长，进而导致耦合进包层中的高阶模式变低，模式较低的包层模传输的全反射角度更大，即SPR共振角度变大，SPR共振波长会向短波长方向移动，同时，由于S型调制区的垂轴偏移量变小，耦合进包层中的光能量变弱，SPR共振谷深度变浅，因此，通过SPR共振波长的移动量以及SPR共振谷深度的变化量可以感知光纤探针所产生的应变的大小。
S6反复多次测试应变数据，并进行数据对比与处理，找出SPR共振谷开始规律性移动时以及SPR共振谷深规律性变化时对应的应变量，此数据可看作传感探针在0应变状态的SPR透射光谱，并将此状态之前的数据视为误差舍弃，进行最终数据处理，即可得到SPR共振谷波长和谷深与应变之间的数量关系，当传感器受到外界作用力产生应变时，我们可以通过透射光谱中的SPR共振谷波长所在位置和SPR共振谷深度来感知传感器所产生的应变大小，即实现应变传感。
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 (6)
1.一种S型光纤包层SPR传感器，其特征在于：包括顺次设置的传光区(1)、S型调制区(2)、包层传感区(3)、环形芯收光光纤(4)，其中，
所述传光区(1)、S型调制区(2)、包层传感区(3)在同一根光纤上；所述S型调制区(2)的纤芯和包层均弯曲成S型，包层传感区(3)右端面与环形芯收光光纤(4)左端面同轴焊接，所述包层传感区(3)表面环形包覆有金属膜(5)，所述金属膜(5)的表面包覆环境介质(6)。
2.根据权利要求1所述的一种S型光纤包层SPR传感器，其特征在于：
所述传光区(1)、S型调制区(2)、包层传感区(3)采用的光纤为单模光纤、少模光纤，或者多模光纤，所述光纤的纤芯(1-1)折射率分布是阶跃型或渐变型；
所述S型调制区(2)的长度为350μm-510μm，垂轴偏移量为10μm-130μm；所述环形芯收光光纤(4)的内包层(4-1)直径与传光区采用的光纤纤芯(1-1)的直径对应相同，环形纤芯(4-2)环形包覆内包层(4-1)，环形纤芯(4-2)的内径与内包层(4-1)直径相同，外包层(4-3)环形包覆环形纤芯(4-2)；
所述金属膜(5)是金膜、银膜或金银复合膜；
所述环境介质(6)为甘油和蒸馏水的混合溶液或者为紫外固化胶，折射率为1.333RIU-1.395RIU。
3.一种S型光纤包层SPR传感器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
S1取两段单模光纤作为校准光纤，分别将两根光纤的其中一端去除涂覆层并对端面做切平处理，放于光纤熔接机左右两侧的夹具内，使光纤伸出夹具端面长度为1cm，调节两光纤端面的轴向距离为10μm，纵轴偏移量为设计的S区垂轴偏移量，调节好后取下校准光纤；
S2取一段设计纤芯直径的单芯光纤，在单芯光纤中间段去除涂覆层4cm并擦拭干净，将单芯光纤放置在光纤熔接机左右两侧的夹具内，其中去除涂覆层的区域处于左右夹具间，正对放电电极，在线微调S型调制区长度至设计长度后，多次放电，使光纤逐渐熔融，直至变成设计尺寸的S形，S型光纤制备完成；
S3取出制备好的S型光纤，并在S型调制区右侧2cm处做端面切平处理，该S型调制区右侧2cm区域为包层传感区；
S4取一段设计环形纤芯直径的环形芯光纤，将环形芯光纤左端剥除3cm的涂覆层，擦拭干净后将光纤左端切平；
S5在光纤熔接机中，将制备好的S型光纤右端面与环形收光光纤的左端面进行正对熔接；
S6将包层传感区置于磁控溅射仪金靶下方，两端夹持于光纤旋转镀膜夹具中，在包层传感区上镀制40-60nm金膜，完成S型光纤包层SPR传感器制作。
4.一种S型光纤包层SPR传感器的折射率测量使用方法，其特征在于包括以下步骤：
S1将所述S型光纤包层SPR传感探针的传光区左端接入宽谱光源，将环形芯收光光纤右端接入光谱分析仪，让S型调制区处于自然伸展状态，宽谱光在传光区的纤芯内向右传输，当光传输至S型调制区时，由于纤芯弯曲，纤芯模耦合为包层模，满足传输条件的包层模在包层中继续向右传输至包层传感区，包层传感区中的包层模倏逝场与包层外环形镀制的金属膜接触并发生SPR效应，发生SPR效应后的包层模继续向右进入环形芯收光光纤的环形纤芯中传输至光谱仪，光信号采集解调后得到SPR传感光谱，将包层传感区放置于反应管中，管中依次通入折射率为1.333-1.385RIU的折射率标定溶液，得到每个测量折射率下的SPR共振谷波长，即得到传感器的SPR共振谷波长与折射率之间的数量关系；
S2再将传感探针的包层传感区置于待测环境介质溶液中，同样让S型调制区处于自然伸展状态，光谱仪接收到发生SPR效应后的透射光谱并保存；
S3将接收到的透射光谱导入计算机进行解调处理，得到有SPR共振谷的SPR光谱；
S4最后再根据SPR光谱的SPR共振谷波长所在位置，计算出环境介质的折射率大小。
5.根据权利要求3所述的方法制作的S型光纤包层SPR传感器的波分复用多通道测量使用方法，其特征在于包括以下步骤：
S1按照权利要求3的制作方法步骤，分别制备一个纤芯直径小、垂轴偏移量大的S型光纤，以及一个纤芯直径大，垂轴偏移量小的S型光纤，在第二个S型光纤的后方续接环形纤芯内直径与所述第二个S型光纤芯径相等，环形纤芯外直径为105μm的环形芯光纤，将第一个S型光纤的右端面与第二个S型光纤的左端面正对熔接；
S2将第一个S型光纤传光区的左端面连接至宽谱光源，将第二个S型光纤后端的环形芯光纤右端接入光谱分析仪，再按S型光纤包层SPR传感器的折射率测量使用方法分别使用两个包层传感区在一次光谱测量中进行两部位同时传感；
S3光纤探针的纤芯的直径越大，对应的SPR共振工作波段更靠近短波长；S型调制区的垂轴偏移量越大，对应的SPR共振工作波段更靠近长波长；不同纤芯直径和不同垂轴偏移量来调节SPR共振工作波段，再通过控制选择不同纤芯直径或不同垂轴偏移量的S型光纤探针进行级联，实现波分复用双通道传感。
6.一种S型光纤包层SPR传感器的双参数应变传感使用方法，其特征在于包括以下步骤：
S1将所述S型光纤包层SPR传感器穿入石英毛细管中，包层传感区位于石英毛细管中间并被毛细管完全包覆，将石英毛细管放置于应变测试装置中间带U型槽的支柱上，将传感器两端分别固定在应变测试装置的左右两侧夹具上，传光区左端连接光源，环形芯收光光纤右端连接光谱分析仪；
S2光源发出的光经过光纤探针传输至S型调制区后，激发包层模式，并与包层传感区表面的金属薄膜接触发生SPR效应，发生SPR效应的包层光再由环形芯收光光纤接收，最后再传输至光谱分析仪中进行数据采集与保存；
S3采集并保存石英毛细管中为空气，且传感光纤处于松弛状态时的空气参考谱；
S4将石英毛细管中注入折射率为1.345RIU的甘油水溶液，精密控制电机移动，使电机的步进量能够逐次产生100με的应变增量，在应变每增加100με时，在光谱分析仪上记录下透射光谱，直至应变达到2000με；
S5环境介质的折射率保持不变，当传感器两端受到拉力作用时，光纤在拉力的作用下S型调制区的形状发生改变，产生应变，使得S型调制区的垂轴偏移量变小，S型调制区的长度变长，进而导致耦合进包层中的高阶模式变低，模式较低的包层模传输的全反射角度更大，即SPR共振角度变大，SPR共振波长会向短波长方向移动，同时，由于S型调制区的垂轴偏移量变小，耦合进包层中的光能量变弱，SPR共振谷深度变浅，因此，通过SPR共振波长的移动量以及SPR共振谷深度的变化量可以感知光纤探针所产生的应变的大小；
S6反复多次测试应变数据，并进行数据对比与处理，找出SPR共振谷开始规律性移动时以及SPR共振谷深规律性变化时对应的应变量，此数据作为传感探针在0应变状态的SPR透射光谱，并将此状态之前的数据舍弃，进行最终数据处理，得到SPR共振谷波长和谷深与应变之间的数量关系，当此传感器受到外界作用力产生应变时，通过透射光谱中的SPR共振谷波长所在位置和SPR共振谷深度来感知传感器所产生的应变大小。
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Family Applications (1)
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| CN202210236281.5A Active CN114608636B (zh) | 2022-03-11 | 2022-03-11 | 一种s型光纤包层spr传感器及其制作和使用方法 |
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5144690A (en) * | 1990-12-03 | 1992-09-01 | Corning Incorporated | Optical fiber sensor with localized sensing regions |
| JP2009025199A (ja) * | 2007-07-20 | 2009-02-05 | Univ Soka | 光ファイバ型表面プラズモン湿度センサ、表面プラズモン湿度センサ、光ファイバ型湿度センサ及び湿度測定装置 |
| DE102009035578B3 (de) * | 2008-08-29 | 2011-04-21 | Technische Universität Dresden | Faseroptischer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen faserangrenzender Medien |
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Family Cites Families (2)
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-
2022
- 2022-03-11 CN CN202210236281.5A patent/CN114608636B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于干涉法的光纤光栅波长移位解调方案;罗映祥 等;《激光与光电子学进展》(第10期);第47-50页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114608636A (zh) | 2022-06-10 |
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