CN115200736B - 一种基于表面等离子体共振的多孔光纤温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，具体为一种基于表面等离子体共振的多孔光纤温度传感器。本发明温度传感器包括宽谱光源、第一多模光纤、传感单元、第二多模光纤及光谱仪；传感单元由多孔光纤、金属膜、高折射率温敏液体及低折射率温敏液体构成；多孔光纤内部包含五个空气孔，均匀排布，空气孔孔深方向为光纤轴向方向；金属膜镀覆在各个空气孔内壁；高折射率温敏液体填充在中心空气孔内；低折射率温敏液体填充在四个周围空气孔内。本发明利用多孔光纤结构特点，同时在中心空气孔和周围空气孔内激发表面等离子体共振现象，传输光谱中表现为两个随温度变化移动方向相反的共振峰，可提高传感器灵敏度，并将金属膜保护在光纤内部，具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于表面等离子体共振的多孔光纤温度传感器。
背景技术
温度检测与监控对于工业生产、生物医疗和环境保护等领域具有重要的意义，而传统的电子式温度传感器不仅易受电磁器件的干扰，其传感性能也逐渐无法满足业界需求。表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)技术是一种新兴的光学检测方法，近年来被广泛应用于成像和传感等领域。由于其具有灵敏度和分辨率高、抗电磁干扰能力强等优势，基于SPR技术的温度传感器引起了科研人员的密切关注。其中，光纤SPR传感器具有体积小、柔韧性好、安全性高等优点，为传感器的小型化、集成化提供了一种可行的方案。
目前基于SPR技术的光纤温度传感器大多采用实芯光纤反射式探针结构，在去除包层的纤芯表面镀制金属膜和温敏薄膜，同时在光纤出射端面镀制一层金属反射膜，该类型传感器的制作工艺较为复杂，而且裸露在外部的薄膜容易受到污染和损坏。近年来，采用光子晶体光纤和空芯光纤结构的SPR温度传感器也有报道，将液晶等温敏液体封装在镀有金属膜的空气孔内，有效地避免了金属膜的氧化和破损。上述基于SPR技术的光纤温度传感器利用了温敏材料的热光效应以及SPR共振峰对折射率的高灵敏度，通过测量共振峰波长的移动实现对环境温度的实时监测。但是这些传感器均仅基于传输光谱中单个SPR共振峰的移动来测量温度，其灵敏度受限于单一温敏材料的折射率温度系数，传感器性能还有待提高。
针对上述问题，本发明提出了一种新型多孔光纤结构以及双共振峰传感机制，分别在封装有高、低折射率温敏液体的空气孔内同时激发SPR，传输光谱中表现为两个随温度变化移动方向相反的共振峰。当温度改变时，两个SPR共振峰间距的变化是各自移动量的叠加，因此传感器的温度灵敏度得到了有效的提升。该传感器结构简单、灵敏度高、使用寿命长，具有重要的实际应用价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、易于制作、测量精度高的基于表面等离子体共振的多孔光纤温度传感器，旨在解决现有的基于SPR的温度传感器灵敏度有待提高的问题。
本发明提供的基于表面等离子体共振的多孔光纤温度传感器，包括宽谱光源、第一多模光纤、传感单元、第二多模光纤及光谱仪；其中：
所述传感单元由多孔光纤、金属膜、高折射率温敏液体及低折射率温敏液体构成；所述多孔光纤的基底材料为熔融石英，内部包含五个空气孔，其中一个空气孔位于中心位置，其余四个空气孔围绕中心空气孔均匀排布，空气孔孔深方向为光纤轴向方向；所述金属膜镀覆在各个空气孔内壁；所述高折射率温敏液体填充在中心空气孔内；所述低折射率温敏液体填充在四个周围空气孔内。这里，所述高折射率温敏液体及低折射率温敏液体，其两者折射率高低是相对而言的。
所述第一多模光纤的两端分别与宽谱光源和传感单元的入射端相连接，所述第二多模光纤的两端分别与传感单元的出射端和光谱仪相连接，第一、第二多模光纤的纤芯直径大于所述多孔光纤的空气孔内径。
进一步地：
所述多孔光纤采用预制棒拉丝技术制成，空气孔直径为50-250μm，光纤外径为500-1000μm。
所述金属膜为金膜、银膜或铜膜，通过化学液相镀膜法涂覆于所述多孔光纤的各个空气孔内壁，厚度为20-90nm。
所述高折射率温敏液体为不同体积比的白油、硅油混合物，折射率范围为1.50-1.58。
所述低折射率温敏液体为乙酸丁酯。
本发明的工作原理是：宽谱光源发出的光信号经由第一多模光纤耦合至多孔光纤中传输，其中，在高折射率温敏液体中传输的光用于激发中心空气孔内的SPR现象，在多孔光纤的基底材料中传输的光用于激发周围空气孔内的SPR现象，多孔光纤的输出光经由第二多模光纤传输至光谱仪中进行信号分析，在传输光谱中表现为两个互不重叠的共振峰。随着温度的升高，温敏液体的折射率降低，中心空气孔内激发的SPR峰红移，而周围空气孔内激发的SPR峰蓝移，通过检测共振峰间距的变化情况即可实时监测环境温度。
本发明的有益效果为：本发明利用多孔光纤的结构特点，分别在封装有高、低折射率温敏液体的空气孔内同时激发SPR现象，导致传输光谱中产生两个随温度变化移动方向相反且互不重叠的共振峰。相比于单个共振峰波长的移动，将两个共振峰的间距作为测量参数可以显著提高传感器的灵敏度。本发明传感器结构简单、易于制作、抗干扰能力强，为高精度温度传感提供了一种快速、便捷、灵敏的新方法。此外，该结构还能将脆弱的金属膜保护在空气孔内部以避免氧化和破损，可以有效地延长传感器的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的基于表面等离子体共振的多孔光纤温度传感器的结构示意图。
图2是本发明实施例中基于表面等离子体共振的多孔光纤温度传感器在不同温度下的实测传输光谱。
图3是本发明实施例中基于表面等离子体共振的多孔光纤温度传感器的共振峰间距与温度的关系图。
图中标号：1为宽谱光源，2为第一多模光纤，3为传感单元，3-1为多孔光纤，3-2为金属膜，3-3为高折射率温敏液体，3-4为低折射率温敏液体，4为第二多模光纤，5为光谱仪。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案，下面结合附图与具体实施例对本发明的结构和工作方式作进一步的详细描述。
如图1所示为本发明提出的基于表面等离子体共振的多孔光纤温度传感器的结构示意图，包括宽谱光源1、第一多模光纤2、传感单元3、第二多模光纤4及光谱仪5。其中，传感单元3由多孔光纤3-1、金属膜3-2、高折射率温敏液体3-3及低折射率温敏液体3-4构成。
所述第一多模光纤2的两端分别与宽谱光源1和传感单元3的入射端相连接，所述第二多模光纤4的两端分别与传感单元3的出射端和光谱仪5相连接，且第一、第二多模光纤的纤芯直径大于多孔光纤3-1的空气孔内径。
所述多孔光纤3-1采用预制棒拉丝技术制成，基底材料为熔融石英，光纤外径为500-1000μm。内部包含五个空气孔，空气孔直径为50-250μm，其中一个空气孔位于中心位置，其余四个空气孔围绕中心空气孔均匀排布，空气孔孔深方向为光纤轴向方向。
所述金属膜3-2通过化学液相镀膜法镀覆于多孔光纤3-1的各个空气孔内壁，其材料选择为金膜、银膜或铜膜，厚度范围为20-90nm，优选厚度为30-60nm，以确保良好的表面等离子体共振特性。
所述高折射率温敏液体3-3由不同体积比的白油、硅油混合物构成，其折射率范围为1.50-1.58，填充于多孔光纤3-1的中心空气孔内。
所述低折射率温敏液体3-4为乙酸丁酯，填充于多孔光纤3-1的四个周围空气孔内。
本发明的工作方式为：宽谱光源1发出的光信号经由第一多模光纤2耦合至多孔光纤3-1中传输，其中，在高折射率温敏液体3-3中传输的光用于激发中心空气孔内的SPR现象，在多孔光纤3-1的基底材料中传输的光用于激发周围空气孔内的SPR现象，多孔光纤3-1的输出光经由第二多模光纤4传输至光谱仪5中进行信号分析，并记录本发明传感器的归一化传输光谱。当环境温度发生变化时，温敏液体的折射率会发生变化，从而改变传输光谱中SPR共振峰的位置。由于本发明分别在中心和周围空气孔内同时激发SPR现象，在传输光谱中将产生两个互不重叠的共振峰，通过检测共振峰间距的变化情况即可实时监测环境温度。具体地说，温度升高，温敏液体的折射率降低，中心空气孔内激发的SPR峰红移，而周围空气孔内激发的SPR峰蓝移，共振峰间距增加；反之，温度降低，温敏液体的折射率增加， 共振峰间距减小。
在本发明实施例中，金属膜3-2选用为银膜，厚度为60nm；高折射率温敏液体3-3选用为白油、硅油混合物，其常温下的折射率为1.507，温度系数为-3.3202×10-4 RIU/℃；低折射率温敏液体3-4选用为乙酸丁酯，其常温下的折射率为1.3951，温度系数为-5.5161×10-4 RIU/℃。
本发明实施例中基于表面等离子体共振的多孔光纤温度传感器的传输光谱随温度的变化情况如图2所示。随着温度的升高，中心空气孔内激发的SPR峰红移，周围空气孔内激发的SPR峰蓝移。图3为本发明实施例中基于表面等离子体共振的多孔光纤温度传感器的共振峰间距与温度的关系图，共振峰间距随环境温度的升高逐渐增加。根据线性拟合结果，本发明实施例中基于表面等离子体共振的多孔光纤温度传感器的灵敏度为7.77nm/℃。
综上所述，本发明利用多孔光纤的结构特点，分别在封装有高、低折射率温敏液体的空气孔内同时激发SPR现象，导致传输光谱中产生两个随温度变化移动方向相反且互不重叠的共振峰。相比于仅依靠单个共振峰的移动的温度传感器，将两个随温度变化反向移动的共振峰的间距作为测量参数可以显著提高传感器的灵敏度，为实现快速、便捷、灵敏的温度监测提供了一种解决方案。
最后应说明的是，以上具体实施方式仅用于说明本发明的技术方案，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于表面等离子体共振的多孔光纤温度传感器，其特征在于，包括宽谱光源、第一多模光纤、传感单元、第二多模光纤及光谱仪；其中：
所述传感单元由多孔光纤、金属膜、高折射率温敏液体及低折射率温敏液体构成；所述多孔光纤的基底材料为熔融石英，内部包含五个空气孔，其中一个空气孔位于中心位置，其余四个空气孔围绕中心空气孔均匀排布，空气孔孔深方向为光纤轴向方向；所述金属膜镀覆在各个空气孔内壁；所述高折射率温敏液体填充在中心空气孔内；所述低折射率温敏液体填充在四个周围空气孔内；这里，所述高折射率温敏液体及低折射率温敏液体，其两者折射率高低是相对而言的；
所述第一多模光纤的两端分别与宽谱光源和传感单元的入射端相连接，所述第二多模光纤的两端分别与传感单元的出射端和光谱仪相连接，第一、第二多模光纤的纤芯直径大于所述多孔光纤的空气孔内径；
所述多孔光纤采用预制棒拉丝技术制成，空气孔直径为50-250μm，光纤外径为500-1000μm；
所述金属膜为金膜、银膜或铜膜，通过化学液相镀膜法涂覆于所述多孔光纤的各个空气孔内壁，厚度为20-90nm；
所述高折射率温敏液体为不同体积比的白油、硅油混合物，折射率范围为1.50-1.58；
所述低折射率温敏液体为乙酸丁酯。
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