CN213632451U - 一种基于sts结构测量磁场和温度的光纤spr传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种基于STS结构测量磁场和温度的光纤SPR传感器，包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、传感探头(3)、第一信号处理模块(4)，第二信号处理模块(5)，其中传感探头(3)以包层表面镀银膜的细芯光纤作为敏感单元，并通过相位掩膜法在细芯光纤上刻写FBG，最后细芯光纤两端无偏芯熔接单模光纤构成单模—细芯—单模(STS)结构。本传感器可实现双参量测量，利用表面等离子体共振效应和磁流体的折射率可调特性检测SPR共振峰漂移从而实现磁场的测量，利用光栅热膨胀性和金属膜的增敏性检测光纤光栅中心波长的漂移量来实现温度的测量，并对磁场测量进行温度补偿。

Description

一种基于STS结构测量磁场和温度的光纤SPR传感器

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于STS结构测量磁场和温度的光纤 SPR传感器。

背景技术

光纤磁场传感器具有体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、便于分布式多点探测、全光传输等突出优点，已成为磁场传感领域的研究热点。基于光纤的磁场传感器有很多种，如基于光纤光栅结构的磁场传感器、基于F-P干涉结构的磁场传感器、基于倏逝波机理的磁场传感器和基于表面等离子体共振的磁场传感器等等，依据不同的传感性能可应用于不同的场合。表面等离子体共振光纤折射率传感器是一种利用激发出的倏逝波与金属表面的等离子体产生的共振效应来测量环境折射率的传感器。相比于其他类型的光纤传感器，光纤SPR传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、响应速度快、体积小等优点，能够适应各种严峻的传感环境，在温度测量、生化研究、水质检测等领域都得到了广泛的研究与发展。使用磁敏材料进行封装来实现对磁场的测量，所用磁敏材料一般为磁流体，磁流体又称磁性液体、铁磁流体或者磁液，是由磁性纳米颗粒在表明活性剂的包裹作用下，均匀分散在基载液中形成的一种胶体溶液。磁流体既具有液体的流动性和固体磁性物质的磁性，又具有丰富的光学性质，如热透镜效应、磁致双折射效应、可调折射率等，由于磁流体的可调折射率特性，磁场作用下磁流体的折射率会发生变化，共振峰的位移也会发生变化，通过检测共振峰的漂移来计算磁场的变化，实现磁场的探测。

光纤光栅(FBG)作为一种具有高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀性、不受光强波动影响、绝缘性好等优点的无源器件，在土木工程、水利工程、复合材料、医学、电力及航空航天等领域得到广泛引用，并取得显著的研究成果。由于光纤主要成分为SiO₂，其细小质脆，在实际应用在容易损坏，为了保护FBG免受损坏以及提高光纤光栅温度灵敏度，我们通常采用化学镀、电镀等方法对光纤光栅进行镀金属膜。

本实用新型提出的一种基于STS结构测量磁场和温度的光纤SPR传感器，利用磁流体的磁致折射率可调特性和金属化光纤光栅热膨胀特性实现磁场和温度的双参量同时测量，该传感器又具有温度自补偿能力，提高了磁场测量的精度。

发明内容

针对上述所提及的问题，本实用新型提出了一种基于STS结构测量磁场和温度的光纤 SPR传感器的设计方案，能实现对磁场和温度的双参量测量。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于STS结构测量磁场和温度的光纤SPR传感器，包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、传感探头(3)、第一信号检测模块(4)、第二信号检测模块(5)，其特征在于：所述的传感探头(3)长度为8～10mm，包括第一单模光纤(3-1)、银金属膜(3-2)、磁流体(3-3)、包层腐蚀处理的细芯光纤(3-4)、石英玻璃管(3-5)、第二单模光纤(3-6)，所述的细芯光纤(3-4)包层直径为85μm，纤芯直径为4μm，长度为6mm，细芯光纤(3-4) 左右两端分别与第一单模光纤(3-1)和第二单模光纤(3-6)进行无偏芯熔接，通过相位掩膜法在细芯光纤(3-4)上刻蚀光纤光栅，所述的银金属膜(3-2)通过磁控溅射法在细芯光纤(3-4)上镀制得到，镀膜长度为6mm，镀膜厚度为30-50nm，所述的石英玻璃管(3-5) 内径为135μm，外径为500μm，长度为6.5mm，所述的磁流体(3-3)通过毛细作用填充到石英玻璃管(3-5)内，石英玻璃管(3-5)两端用环氧树脂密封固定，传感器利用表面等离子体共振效应和磁流体的折射率可调特性检测SPR共振峰漂移从而实现磁场的测量，利用光栅热膨胀性和金属膜的增敏性检测光纤光栅中心波长的漂移从而实现温度的测量，并对磁场测量进行温度补偿。

宽带光源(1)采用双波长光源，由540nm/740nm和1520nm/1580nm两种波段的工作波长组合而成。

第一单模光纤(3-1)和第二单模光纤(3-6)纤芯直径为9μm，折射率为1.4612，包层直径为125μm，折射率为1.4561。

细芯光纤(3-4)纤芯折射率为1.4783，包层折射率为1.4721。

当光源发出的光以一定角度入射到第一单模光纤纤芯中传输，当传输到第一单模光纤末端时，由于单模光纤与细芯光纤纤芯失配，有一部分光会泄露到细芯光纤包层中，当传播到达细芯光纤-银膜的交界处发生全反射，形成强烈的倏逝场，产生的倏逝波会渗透到银膜到达银膜-磁流体的交界面，从而激发银膜表面的等离子波(SPW)。当倏逝波和SPW的波矢相匹配时，产生SPR共振吸收。当发生SPR现象时，光谱中对应的某固定波长的能量会被吸收，在输出光谱上出现明显的共振峰，SPR共振引起的能量损耗随着待测介质的折射率而发生改变，当外加磁场发生变化时，紧靠在金属薄膜表面的磁流体的折射率发生变化，共振峰位置也将发生变化，因此，通过检测SPR共振峰的漂移量，可实现对磁场的检测。

当表面等离子波与倏逝波相匹配时：

k_spw＝k_x

当有宽带光源在FBG中传输时，会产生模式耦合，满足特定条件的光会反射：

λ_B＝2n_effΛ

式中n_eff为布拉格光纤光栅有效折射率，Λ为布拉格光纤光栅的周期，λ_B为中心谐振波长。用于激发SPR共振的银金属膜起到增敏的作用，当外界温度变化时，银金属膜发生热胀冷缩，增大传感器的热膨胀系数，使布拉格光纤光栅周期发生改变，从而使光纤光栅中心波长发生移动，通过检测光纤光栅中心波长的漂移量来计算温度变化。

当温度和磁场共同作用时，磁场的改变引起磁流体折射率的改变，从而影响SPR共振峰漂移，同时温度的变化也会影响磁流体折射率变化，同样会影响共振峰漂移，通过检测光谱的漂移量来计算所测磁场的变化。但光纤光栅对外界磁场变化不产生响应，仅对温度变化产生响应。当外界温度变化时，由于光纤光栅具有热膨胀性，以及光栅表面银膜的增敏性，温度变化使光纤光栅发生轴向拉伸，光纤光栅周期发生改变，从而使光栅光栅中心波长发生移动，检测光纤光栅中心波长的漂移量来计算温度变化，进一步为磁场测量进行温度补偿，减少温度对磁场测量的影响。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种基于STS结构测量磁场和温度的光纤SPR传感器结构示意图；

图2为本实用新型所述的毛细玻璃管封装后的传感结构的横向截面图；

图3为本实用新型所述的一种基于STS结构测量磁场和温度的光纤SPR传感器的检测原理图。

具体实施方式

下面将结合图1对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。

本实用新型是可以对磁场进行探测的一种基于STS结构测量磁场和温度的光纤SPR传感器，具体实施步骤如下：

宽带光源发出的光经光线环形器传输至该传感探头中，当传输至第一单模光纤末端时，由于第一单模光纤与细芯光纤纤芯失配，有一部分光会泄露到细芯光纤包层中，当传播到达细芯光纤-银膜的交界处发生全反射，形成强烈的倏逝场，产生的倏逝波会渗透到银膜到达银膜-磁流体的交界面，从而激发银膜表面的等离子波(SPW)。当倏逝波和SPW的波矢相匹配时，产生SPR共振吸收。剩下一部分光继续在纤芯中传输，由于光纤光栅反射特定波长的光回到环形器并由第一信号处理模块接收，经光纤光栅透射后的光传输到第二单模光纤中，最后通过第二信号处理模块解调出所需的数据。光纤光栅反射光谱变化表现为光纤光栅中心波长发生漂移，通过检测中心波长漂移量来计算温度变化；SPR共振光谱变化表现为共振峰的漂移，通过检测共振峰漂移量而解调出磁场强度变化。

步骤一：光纤光栅的刻写

首先打开氩离子激光器，将出光功率调至100mw，并等待5分钟，使激光器出光稳定。接着选取适当长度高掺锗的细芯光纤，用剥线钳刮去涂细芯光纤涂敷层，并多次用酒精清洁干净去除涂敷层区域的残留碎屑，用光纤夹拉直光纤并保证光纤平行于相位掩膜板且在掩膜区下方约1mm。激光经过多次反射后通过相位掩膜板形成干涉光，最后通过电脑控制一维位移平台匀速运动，干涉光会使光纤连续曝光，从而制备得到光纤布拉格光栅。

步骤二：细芯光纤包层的腐蚀处理

用夹具将细芯光纤固定在光学平台上，通过湿法腐蚀去除细芯光纤的包层，具体选用40％浓度的氢氟酸溶液。在腐蚀之前，先在光学平台中央的三维调整架上固定好一片聚乙烯片，再将氢氟酸溶液滴几滴在聚乙烯片上，通过调整三维调整架将氢氟酸液滴准确置于细芯光纤正下方。然后提升三维调整架让氢氟酸浸没细芯光纤。具体腐蚀的区域大小可以通过控制氢氟酸液滴的大小以及三维调整架的高度来控制，腐蚀长度为6mm。

步骤三：在细芯光纤包层上镀制银膜

取适当长度处理好的细芯光纤，通过磁控溅射法在光纤包层上进行镀银膜，分四次进行镀膜，每次镀膜完成后调整样品架使传感探头旋转90°，最终达到均匀镀膜的目的。镀膜长度为6mm，银膜厚度为30-50μm。

步骤四：光纤端面预处理

将处理好的细芯光纤用光纤切割机把端面切平，再适当取两截普通单模光纤，将它们的一端用剥线钳刮去涂敷层，用光纤切割机将单模光纤去涂敷层的端面切平，然后利用超声波清洗机对光纤光栅和单模光纤进行清洁。

步骤五：制作SMF-TCF-SMF(STS)传感结构

将处理好的两段单模光纤和细芯光纤放入光纤熔接器中，按STS结构进行手动无偏芯熔接。

步骤六：毛细玻璃管内填充磁流体

先用酒精清洗毛细玻璃管，在毛细玻璃管任意端面滴上磁流体，通过毛细作用磁流体会充满整个管腔，接着再用酒精清洗管口处残留的磁流体。

步骤七：传感器的封装

将填充后毛细玻璃管水平固定在两个三维调整平台中间的夹具上，在左端的三维调整平台上固定STS并粗略的调整STS和毛细玻璃管的位置。接着移动显微镜至毛细玻璃管左端面处，缓慢移动STS，在靠近毛细玻璃管左端面一段距离时停留，进行微调对准。然后缓慢地将光纤插入管口，并将STS缓慢推入毛细玻璃管中直至毛细管正好覆盖细芯光纤，最后在毛细玻璃管左右两端面处用环氧树脂密封并固定。

步骤八：对整个传感探头进行清洗晾干。

本实用新型的基本原理为：所提出的传感结构能实现温度和磁场的双参量测量，FBG只受温度调制，利用FBG的热膨胀效应以及金属膜的增敏性，温度变化使FBG发生轴向拉伸，光纤光栅周期发生改变，从而使光栅光栅中心波长发生移动，检测光纤光栅中心波长的漂移量来计算温度变化。当发生SPR现象时，光谱中对应的某固定波长的能量会被吸收，在输出光谱上出现明显的共振峰，SPR共振引起的能量损耗随着待测介质的折射率而发生改变，当外加磁场发生变化时，紧靠在金属薄膜表面的磁流体的折射率发生变化，共振峰位置也将发生变化，因此，通过检测SPR共振峰的漂移量，可实现对磁场的检测。

Claims (4)

1.一种基于STS结构测量磁场和温度的光纤SPR传感器，包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、传感探头(3)、第一信号检测模块(4)、第二信号检测模块(5)，其特征在于：所述的传感探头(3)长度为8～10mm，包括第一单模光纤(3-1)、银金属膜(3-2)、磁流体(3-3)、包层腐蚀处理的细芯光纤(3-4)、石英玻璃管(3-5)、第二单模光纤(3-6)，所述的细芯光纤(3-4)包层直径为85μm，纤芯直径为4μm，长度为6mm，细芯光纤(3-4)左右两端分别与第一单模光纤(3-1)和第二单模光纤(3-6)进行无偏芯熔接，通过相位掩膜法在细芯光纤(3-4)上刻蚀光纤光栅，所述的银金属膜(3-2)通过磁控溅射法在细芯光纤(3-4)上镀制得到，镀膜长度为6mm，镀膜厚度为30-50nm，所述的石英玻璃管(3-5)内径为135μm，外径为500μm，长度为6.5mm，所述的磁流体(3-3)通过毛细作用填充到石英玻璃管(3-5)内，石英玻璃管(3-5)两端用环氧树脂密封固定，传感器利用表面等离子体共振效应实现磁场的测量，利用光纤光栅实现温度的测量，并对磁场测量进行温度补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于STS结构测量磁场和温度的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的宽带光源(1)采用双波长光源，由540nm/740nm和1520nm/1580nm两种波段的工作波长组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于STS结构测量磁场和温度的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的第一单模光纤(3-1)和第二单模光纤(3-6)纤芯直径为9μm，折射率为1.4612，包层直径为125μm，折射率为1.4561。

4.根据权利要求1所述的一种基于STS结构测量磁场和温度的光纤SPR传感器，其特征在于：所述的细芯光纤(3-4)纤芯折射率为1.4783，包层折射率为1.4721。

Images