CN212539082U - 一种温度和可方向识别曲率的传感光纤 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于光纤传感领域，主要涉及一种温度和可方向识别曲率的传感光纤；通过精密侧面研磨光纤预制棒、压力二次涂覆制成具有半圆环石英包层及环形包覆低折射率塑料包层的双包层D形多模光纤，并通过机械剥除涂覆层及塑料包层、镀制SPR传感膜、用低折射率液体或低折射率涂覆胶重塑复原光纤，在其上制成SPR传感模块；本实用新型结构新颖稳定，弯曲性能强，既能通过共振波长进行液体和固体环境温度测量，也可进行基于波分复用技术的多点同时测量，还能通过共振波长和共振谷深两个参数进行曲率测量、弯曲方向判断及进行基于波分复用技术的多点同时测量，在生物医学、电子芯片监测、三峡库区滑坡、库岸等地质环境监测领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感器领域，具体涉及一种温度和可方向识别曲率的传感光纤。
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。
根据激发表面等离子体共振的条件，SPR共振峰与外界物质折射率有关，而外界物质具有热光系数，其折射率随温度的升高而降低，外界物质折射率发生变化，SPR共振谷在光谱上的位置将发生偏移，外界物质的热光系数越大，SPR共振谷在光谱上的偏移量越大，因此可以通过SPR共振峰的偏移量来确定温度变化，从而实现SPR共振谷波长传感温度；SPR共振峰与全反射角有关，全反射角发生变化，SPR共振谷在光谱上的位置将发生偏移，因此当光纤传感区弯曲时，光纤纤芯内的全反射角发生变化，SPR共振谷在光谱上的位置也将发生偏移，并且随着光纤弯曲曲率增大，光纤纤芯内的全反射角的改变量越大，SPR共振谷在光谱上的偏移量越大，因此可以通过SPR共振峰的偏移量来确定光纤弯曲曲率，从而实现SPR共振谷波长传感曲率；随着光纤传感区弯曲曲率增大，在纤芯和包层界面的倏逝场强度增大，从光纤纤芯中泄露的倏逝场强度越大，而SPR的共振谷深度和倏逝场强度相关，进而实现SPR共振谷深度传感曲率；光纤传感区弯曲，传输光线在弯曲部分内侧全反射角增大，在弯曲部分外侧全反射角减小，示意图如附图5所示，传输光线由平直光纤和弯曲光纤的界面X点进入弯曲光纤，在弯曲光纤内应用正弦定理，平直光纤和弯曲光纤内的全反射角满足数学公式：
其中θ0，θ1和θ2分别表示平直光纤，弯曲部分外侧和弯曲部分内侧的全反射角，R表示光纤的弯曲半径，a表示光纤纤芯的半径，x表示点X的坐标，且满足条件：-a≤x≤a,平直光纤、弯曲部分外侧和弯曲部分内侧的全反射角度满足：
θ1≤θ0≤θ2 (3)
可以看出，传输光线在弯曲部分内侧的全反射角θ2大于直光纤全反射角θ0，传输光线在弯曲部分外侧的全反射角θ1小于平直光纤的全反射角θ0；而SPR的共振波长和全反射角度相关，当SPR传感半膜在弯曲部分内侧时，SPR共振波长向长波长方向移动，当SPR传感半膜在弯曲部分外侧时，SPR共振波长向短波长方向移动，进而实现SPR共振谷波长的移动方向判断弯曲方向；
在许多工程应用领域例如土木工程、航空航天、复合材料等领域，需要测量器件结构的温度以及弯曲曲率的变化信息，传统的温度测量方法很难应用于体积小的物体上，且灵敏度不理想，传统的曲率测量方式易受到电磁干扰、长距离传输损耗严重以及检测精度低的诸多局限，光纤传感器不仅能够克服上述缺点，还具有结构紧凑、体积小，易于弯曲等且适用于埋入式分布测量等诸多优势。
由于待测目标的多样化，单通道SPR传感器已经无法满足要求；目前的大多数实验规避了温度对实验的影响，但光纤SPR传感器对温度是敏感的，因此，研究具有温度补偿以及多通道测量的光纤SPR传感器也是有必要的；同时，由于监测点的复杂多变，研究分布式的光纤SPR曲率传感器也是必不可少的。
基于此，本实用新型所要解决的问题是，研究并实现一种新的方法，不仅能实现单点测量液体或固体环境中的温度、曲率和弯曲方向判断，还可实现基于波分复用技术的多点温度或曲率测量和弯曲方向判断，在生物医学、工厂制造、三峡库区滑坡、库岸等地质环境监测，建筑结构健康监测等领域具有良好的应用前景。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种温度和可方向识别曲率的传感光纤，本实用新型能解决传统光纤由于要剥除涂覆层和包层导致传感器稳定性下降的问题，本实用新型还能放置在PDMS微流芯片中，解决光纤微流通道温度计放置困难，无法实时测量微流通道内及其他位置温度的难题，还能放置于由灌封胶绝缘的电子产品中进行温度测量，本实用新型不仅能进行固体液体的温度传感，还能进行弯曲曲率测量以及方向判断，还实现了基于波分复用技术的多点温度、曲率测量及方向判断，在生物医学、电子芯片监测、三峡库区滑坡、库岸等地质环境监测领域具有良好的应用前景。
为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种温度和可方向识别曲率的传感光纤，包括D形双包层多模光纤、液体封装传感模块和固体封装传感模块；所述的D形双包层多模光纤由D形纤芯，包覆在纤芯半圆侧的半圆环形石英包层、依次环形包覆的低折射率塑料包层及涂覆层构成；
所述的液体封装传感模块由石英毛细管封装液体型光纤探针和液体检测型光纤探针组成，使用时根据测量需求选用其一；石英毛细管封装液体型光纤探针由第一SPR传感膜和包覆在石英毛细管中的具有热光系数的溶液组成；液体检测型光纤探针由第二SPR传感膜和外界溶液组成；
所述的固体封装传感模块由PDMS包层型光纤SPR传感探针、紫外固化胶包层型光纤SPR传感探针和灌封胶包层型光纤SPR传感探针3-3组成，使用时根据测量需求选用其一；PDMS包层型光纤SPR传感探针由第三SPR传感膜和PDMS组成；紫外固化胶包层型光纤SPR传感探针由第四SPR传感膜和紫外固化胶组成；灌封胶包层型光纤SPR传感探针由第五SPR传感膜和灌封胶组成；
所述的温度和可方向识别曲率的传感光纤传感部分复原了光纤涂覆结构，弯曲性能强；其既能测量固体的温度也能测量液体的温度，还能通过共振波长和共振谷深双参数进行曲率测量和方向判断；不仅能通过液体封装传感模块或固体封装传感模块进行单点测量，还可通过级联液体封装传感模块和固体封装传感模块，通过改变固液折射率或改变SPR传感膜种类或改变SPR传感膜厚度来实现基于波分复用技术的多点同时温度、曲率测量和弯曲方向判断。
进一步，所述的D形双包层多模光纤，最内部为直径30μm的D形纤芯(材料为掺锗石英)，纤芯外同D形朝向包覆直径125μm的D形石英包层(材料为纯石英)，再外侧环形包覆直径175μm塑料包层(即低折射率紫外固化胶涂覆层)，最外侧环形涂覆正常光纤涂覆层至直径250μm。其制作方法为：用化学气相沉积法制造光纤预制棒，掺锗石英纤芯，纤芯直径9mm，纯石英包层直径40mm，用精密磨床将制作好的光纤预制棒磨制成D形，即预制棒端面变成半圆形，使得纤芯裸露，在光纤拉丝塔中拉制D型光纤，拉制时，将D形石英光纤最大直径处拉制成125μm，并在D形石英光纤外侧先压力涂覆塑料包层(即低折射率紫外固化胶涂覆层)，使端面由D形变成直径175μm圆形，最后再最外侧涂覆常规涂覆层至直径250μm。
进一步，所述的第一SPR传感膜、第二SPR传感膜、第三SPR传感膜、第四SPR传感膜、第五SPR传感膜为紧密包覆在D形纤芯平面一侧的金属薄膜，厚度为30nm-60nm薄膜，材质为金、银、铜易发生表面等离子体共振的金属，利用直流等离子溅射或磁控溅射工艺镀制于D形纤芯平面一侧形呈平面形。
进一步，所述的石英毛细管封装液体型光纤探针的高热光系数溶液或液体检测型光纤探针的外部环境溶液折射率范围为1.32-1.365RIU，将SPR共振谷波长控制在波长较短波段；固体封装传感模块中的PDMS、低折射率紫外固化胶、灌封胶折射率范围为1.375-1.405RIU，将SPR共振谷波长控制在波长较长波段，进而将两级探针级联时，可实现基于波分复用技术的多通道同时测量。
进一步，所述的对纤V槽采用精密V型槽定位光纤，使两根光纤准直连接，损耗小于0.5dB，所述的白光光源波长范围覆盖500nm-1100nm，所述的光谱仪为可见光光谱仪，波长范围覆盖500nm-1100nm。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型的各个光纤探针既能测量固体液体的温度，还能进行弯曲曲率测量和方向判断，通过对纤V槽级联时，还能进行基于波分复用的多点温度、曲率测量和方向判断；液体封装模块中石英毛细管封装液体型光纤探针的SPR传感膜密封在毛细管内，不易被氧化，能够重复使用；液体检测型光纤探针当环境温度保持不变，溶液折射率改变时，能够进行折射率传感；固体封装模块中的光纤探针分别用PDMS、紫外固化胶、灌封胶作为新的包层，将光纤完整复原，其几何尺寸、抗弯特性与未经加工的裸纤处一致，工作结构稳定，方便存放与使用，还可直接封装在需要测温的固体材料(如水泥、混凝土)中，由于光纤仅有头发丝粗细，对固体原结构无影响，满足对固体内部实时监测的需求，其中PDMS包层型光纤SPR传感探针由于其封装材料和PDMS微流芯片主要材料一致，此光纤传感器可直接制作在PDMS微流芯片中，对PDMS微流芯片中需要测量温度的通道及其他位置进行温度测量，由于光纤仅有头发丝粗细，解决了光纤微流通道温度计放置困难，无法实时测量微流通道内及其他位置温度的难题；灌封胶包层型光纤SPR传感探针由于其封装材料与电子元器件的绝缘封层材料(灌封胶在电子元器件中主要起绝缘、耐腐蚀、防震、防尘、防水防潮的作用)一致，此传感器可直接制作在灌封胶封层中，对电子元器件进行温度测量；不仅如此，由于灌封胶具有绝缘作用，可用于线路的绝缘，将此传感器直接制作在灌封胶封层中，可实现远距离监测并实时监测线路温度变化，利于检修，避免了线路因温度过高导致故障。
本实用新型的其他优点、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，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型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
为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：
图1为本实用新型的整体组成示意图；
图2为D形双包层多模光纤的端面图；
图3为微加工的光纤SPR传感探针结构示意图；
图4为图3中不同光纤探针传感区域的端面图；
图5为弯曲部分内外侧全反射角的示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型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实用新型的基本构想，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，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，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。
本实用新型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实用新型和简化描述，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，不能理解为对本实用新型的限制，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，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。
请参阅图1，附图中的元件标号分别表示：D形双包层多模光纤1、液体封装传感模块2、固体封装传感模块3、对纤V槽4、光源5、光谱仪6、SPR光谱数据实时处理模块7。
本实用新型涉及一种温度和可方向识别曲率的传感光纤，所涉及的D形双包层多模光纤1纤芯直径30μm，包层直径125μm；所涉及对纤V槽4采用V型定位光纤，使两根光纤准直连接，损耗小于0.5dB，所涉及的白光光源5波长范围覆盖500nm-1100nm，所涉及的光谱仪6为可见光光谱仪，波长范围覆盖500nm-1100nm。
具体连接方式为：液体封装传感模块2或固体封装传感模块3左端连接白光光源5，右端连接光谱仪6；液体封装传感模块2左端连接白光光源5，右端置于对纤V槽4的左端，纤芯SPR传感膜包覆的固体封装传感模块3左端置于对纤V槽4的右端，纤芯SPR传感膜包覆的固体封装传感模块3右端连接光谱仪6。
具体制作方法为：这里以紫外固化胶包层型光纤SPR传感探针3-2为例，取一段1m长的D形双包层多模光纤1，机械剥除一半塑料包层和涂覆层，剥除部分长度为2cm，再将光纤的两端分别剥除3-5cm，然后用酒精将两端洗净，用光纤切割刀做切平处理，用无纺布蘸取适量高浓度酒精擦拭传感探针结构，擦拭完成后，将传感探针结构用胶带粘贴到载玻片上，将其放置在小型等离子溅射仪(ETD-2000，外部连接有膜厚监测仪)中，镀制50nm金膜，金膜镀制完成后，将镀膜后的光纤放置在光纤涂覆机中，光纤涂覆机中预装载固化后折射率为1.375-1.405RIU的紫外固化胶，对镀制金属膜的光纤进行聚合物涂覆及固化，固化后的紫外固化胶作为传感区的新包层和涂覆层，使得剥除了涂覆层和塑料包层的光纤直径恢复到250μm，完成紫外固化胶包层型光纤SPR传感探针3-2的制作，以同样的方法可完成PDMS包层型光纤SPR传感探针3-1和灌封胶包层型光纤SPR传感探针3-3的制作；用同样的镀膜步骤，取出镀膜光纤，将玻璃片取出，取下镀制完金属膜的光纤，将镀膜光纤从左至右插入一段长为4cm、直径为500μm的毛细管中，镀有金属膜的区域放在毛细管的中间位置，一端用紫外固化胶将光纤与毛细管完全密封，再将具有高热光系数的溶液用注射泵注入毛细管中，使溶液充满毛细管，最后用紫外固化胶将光纤与毛细管的另一端完全密封，完成石英毛细管封装液体型光纤探针2-1的制作；用同样的镀膜步骤，完成液体检测型光纤探针2-2的制作。
附图1为本实用新型的系统示意图。将封装传感模块2和固体封装传感模块3通过对纤V槽4级联起来，对传感器进行加热或弯曲，白光光源光源5发出的光通过液体封装传感模块2注入到纤芯SPR传感膜包覆的固体封装传感模块3中，传输光在传感探针纤芯与SPR传感膜界面发生全反射和表面等离子体共振，反射后的光信号进入光谱仪6，光谱仪6将传输过来的反射光谱进行采集与解调，利用SPR光谱数据实时处理模块7对数据进行实时处理，即可得到不同温度或不同曲率下的反射光谱曲线，继而可判断传感器性能优劣情况。
附图4中的(a)为附图3中的液体检测型光纤探针2-2的传感区的端面图，由第二SPR传感膜2-2-1、第一纤芯2-2-2、第一包层2-2-3组成；(b)为附图3中的PDMS包层型光纤SPR传感探针3-1的传感区的端面图，由第三SPR传感膜3-1-1、PDMS3-1-2、第二纤芯3-1-3组成、第二包层3-1-4；(c)为附图3中的紫外固化胶包层型光纤SPR传感探针3-2的传感区的端面图，由第四SPR传感膜3-2-1、紫外固化胶3-2-2、第三纤芯3-2-3组成、第三包层3-2-4；(d)为附图3中的灌封胶包层型光纤SPR传感探针3-3的传感区的端面图，由第五SPR传感膜3-3-1、灌封胶3-3-2、第四纤芯3-3-3组成、第四包层3-3-4。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过以上优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，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，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。
Claims (4)
1.一种温度和可方向识别曲率的传感光纤，其特征在于：
包括D形双包层多模光纤(1)以及依次在其上的液体封装传感模块(2)、对纤V槽(4)、固体封装传感模块(3)；
所述的D形双包层多模光纤(1)由D形纤芯(1-1)，包覆在纤芯半圆侧的半圆环形石英包层(1-2)、依次环形包覆的低折射率塑料包层(1-3)及涂覆层(1-4)构成；
所述的液体封装传感模块(2)由石英毛细管封装液体型光纤探针(2-1)和液体检测型光纤探针(2-2)组成，使用时根据测量需求选用其一；石英毛细管封装液体型光纤探针(2-1)由第一SPR传感膜(2-1-1)和包覆在石英毛细管中的具有热光系数的溶液(2-1-2)组成；液体检测型光纤探针(2-2)由第二SPR传感膜(2-2-1)和外界溶液组成；
所述的固体封装传感模块(3)由PDMS包层型光纤SPR传感探针(3-1)、紫外固化胶包层型光纤SPR传感探针(3-2)和灌封胶包层型光纤SPR传感探针(3-3)组成，使用时根据测量需求选用其一；PDMS包层型光纤SPR传感探针(3-1)由第三SPR传感膜(3-1-1)和PDMS(3-1-2)组成；紫外固化胶包层型光纤SPR传感探针(3-2)由第四SPR传感膜(3-2-1)和紫外固化胶(3-2-2)组成；灌封胶包层型光纤SPR传感探针(3-3)由第五SPR传感膜(3-3-1)和灌封胶(3-3-2)组成。
2.根据权利要求1所述的一种温度和可方向识别曲率的传感光纤，其特征在于：所述的D形双包层多模光纤(1)，最内部为直径30μm 的D形纤芯，材料为掺锗石英；纤芯外同D形朝向包覆直径125μm的D形石英包层，材料为纯石英；再外侧环形包覆直径175μm塑料包层，即低折射率紫外固化胶涂覆层；最外侧环形涂覆正常光纤涂覆层至直径250μm。
3.根据权利要求1所述的一种温度和可方向识别曲率的传感光纤，其特征在于：所述的第一SPR传感膜(2-1-1)、第二SPR传感膜(2-2-1)、第三SPR传感膜(3-1-1)、第四SPR传感膜(3-2-1)、第五SPR传感膜(3-3-1)，为紧密包覆在D形纤芯平面一侧的金属薄膜，厚度为30nm-60nm薄膜，材质为金、银、铜易发生表面等离子体共振的金属，利用直流等离子溅射或磁控溅射工艺镀制于D形纤芯平面一侧形呈平面形。
4.根据权利要求1所述的一种温度和可方向识别曲率的传感光纤，其特征在于：所述的石英毛细管封装液体型光纤探针(2-1)的高热光系数溶液(2-1-2)或液体检测型光纤探针(2-2)的外部环境溶液折射率范围为1.320-1.365RIU，将SPR共振谷波长控制在波长较短波段；固体封装传感模块(3)中的PDMS、低折射率紫外固化胶、灌封胶折射率范围为1.375-1.405RIU，将SPR共振谷波长控制在波长较长波段，进而将两级探针级联时，可实现基于波分复用技术的多通道同时测量。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115825005A (zh) * | 2022-09-26 | 2023-03-21 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于微流控芯片快速测算液体折射率的方法 |
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2020
- 2020-05-25 CN CN202020896546.0U patent/CN212539082U/zh active Active
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| CN115825005A (zh) * | 2022-09-26 | 2023-03-21 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于微流控芯片快速测算液体折射率的方法 |
| CN115825005B (zh) * | 2022-09-26 | 2023-08-25 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于微流控芯片快速测算液体折射率的方法 |
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