一种基于多模光纤的多侧抛温度补偿性SPR传感器

一种基于多模光纤的多侧抛温度补偿性spr传感器
技术领域
1.本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于多模光纤的多侧抛温度补偿性spr传感器。


背景技术：

2.光纤传感器利用光信号作为被测对象的信号传输媒介，借助光纤光路进行信号传输。外界环境参数，例如温度、压力、磁场和折射率等，会与光纤或连接光纤的调制器相互作用，从而转变为可测量的光信号。通过测量光纤中传输光信号的光学特性的变化，例如光强度、波长、频率、相位和偏振态等，就能获得被测参数的信息。因此，光纤传感器能够对外界环境参量进行精确的传感。由于电子传感器的尺寸较大，因此它们的应用受到了限制。此外，电子传感器会受到电磁噪声的干扰，从而影响了传感器的性能并降低了耐用性。相比之下，光纤传感器具有许多优点，例如灵敏度高、抗电磁干扰、成本低、结构紧凑等，因此受到越来越多的研究人员的重视。目前，已经研制出了许多类型的光纤传感器，包括光纤光栅传感器、表面等离子体共振传感器、光纤干涉传感器等。
3.目前，d型光纤传感器最大的不足在于技术条件和制造成本等因素的限制，使得大部分产品仍处于实验室阶段，不能够批量生产。相比于其他更成熟的技术，光纤传感器尚不能在实际生活中广泛应用。本发明采用多模光纤制作，并采用我们提出的石英v槽阵列加工d型光纤，提高了制备成功率，且对加工完成的d型光纤起到了良好的封装效果。这为光纤传感器的普及提供了方向，并解决了其制备与封装问题。
4.温度和折射率是两种基本环境参数，广泛应用于环境监测、食品生产、医学检测以及生物传感等领域。由于折射率与环境温度密切相关，会随温度的变化而变化，因此需要同时检测物体的折射率和温度，并对折射率进行温度补偿，以提高折射率检测的精确度。
5.总而言之，开发一种高灵敏度且制作成本低，可商用化的的温度补偿传感器是现在光纤spr传感器的重要研究方向。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于多模光纤的多侧抛温度补偿性spr传感器，以解决上述问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种基于多模光纤的多侧抛温度补偿性spr传感器，包括：
8.卤素宽谱光源，用于发射光；
9.双通道光纤spr传感器，与所述卤素宽谱光源连接，用于根据环境改变光波长；
10.石英v槽片，与所述双通道光纤spr传感器连接，用于固定双通道光纤spr传感器中的光纤；
11.光谱分析仪，与所述双通道光纤spr传感器连接，用于接收双通道光纤spr传感器传输出的光信号，并将光信号转换为电信号；
12.计算机，与所述光谱分析仪连接，用于将所述电信号转化为模拟信号并显示模拟信号。
13.优选地，所述双通道光纤spr传感器包括折射率传感通道和温度传感通道；
14.所述折射率传感通道用于检测环境折射率；
15.所述温度传感通道用于检测环境温度。
16.优选地，通过所述石英v槽片固定双通道光纤spr传感器时，使用紫外胶将光纤粘入v槽中。
17.优选地，通过四角研磨机对光纤进行磨抛得到两个侧抛区域，在一个侧抛区域镀上金膜得到折射率传感通道，在另一个侧抛区域镀上金膜并涂覆一层聚二甲基硅氧烷得到温度传感通道。
18.优选地，侧抛区域镀上的金膜厚度为45nm。
19.优选地，折射率传感通道和温度传感通道的光纤侧抛面与石英v槽片的石英平板位于同一平面。
20.优选地，卤素宽谱光源通过sma跳线连接适配器接入双通道光纤spr传感器；
21.双通道光纤spr传感器另一端通过适配器接入sma跳线连接光谱分析仪；
22.光谱分析仪通过usb连接线接入计算机。
23.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
24.本发明提出的基于多模光纤的多侧抛温度补偿性spr传感器有效降低了温度对折射率测量时造成的不确定性。其中，利用我们设计制备的石英v槽片可以对多模光纤同时进行多侧抛，具有加工速度快，成功率高的优点。加工完成的光纤侧抛面与石英平板位于同一平面，有利于后续材料的加工。且石英平板对光纤起到了良好的封装效果，更有利于实际应用。
附图说明
25.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
26.图1为本发明实施例的基于多模光纤的多侧抛温度补偿性spr传感器结构图；
27.图2为本发明实施例的温度在25℃，环境折射率为1.335-1.375的变化图；
28.图3为本发明实施例的折射率1.355时，环境温度35-60℃的传感变化图；
29.其中，1-卤素宽谱光源，2-石英v槽片，3-双通道光纤spr传感器，4-光谱分析仪，5-计算机，301-折射率传感通道、302-温度传感通道。
具体实施方式
30.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
31.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
32.实施例1
33.如图1所示，本发明提出了一种基于多模光纤的双侧抛温度补偿型spr传感器，该传感器由卤素宽谱光源1，石英v槽片2，双通道光纤spr传感器3，光谱分析仪4以及计算机5组成。双通道光纤传感器2由折射率传感通道301和温度传感通道302组成，其中通道301由金膜镀在d型光纤侧抛面组成，通道302由金膜镀在d型光纤侧抛面外加聚二甲基硅氧烷(pdms)构成。入射光在两个通道处，由于表面金膜上的环境折射率不同，光谱仪4接收光信号在计算机5上显示出两个独立的共振峰。通过设置石英v槽阵列的深度，将光纤埋入石英v槽片2中进行磨抛，形成两个侧抛区域，石英v槽平板不仅增大了d型光纤的侧抛面便于后续材料的加工，且对易断的d型光纤提供了良好的封装效果。在侧抛区域镀上45nm金膜形成折射率传感通道301，在另一个侧抛区域镀上45nm金膜并涂覆一层聚二甲基硅氧烷(pdms)形成温度传感通道302。由于pdms的折射率较大，温度测量的共振峰波长要大于折射率测量的传感共振峰波长。两峰相互独立，通过同时检测温度和折射率，经过补偿计算，可以消除折射率传感区域由温度带来的扰动影响，进而提高折射率测量精度。
34.通过理论可以得知：k
x
和k
sp
的公式：
[0035][0036]
其中ω为入射光的角频率，c为光在真空中的速度，约3
×
108m/s。ε
co
为光纤纤芯的介电常数，则为的有效折射率，θ1为入射光的入射角
[0037][0038]
εm为金属的介电常数，ε2为待测样品的介电常数，只有当倏逝波沿金属介质交界面传播的波矢与等离子体波的波矢相匹配时，即k
x
＝k
sp
时，spr才会被激发。由上述公式可知，光纤spr的透射率与外部环境的折射率、金属的介电常数以及金属膜的厚度存在关系，通过comsol软件的仿真数据，确定了金膜厚度在40-45nm时最佳。当折射率变化从1.335-1.375时，平均灵敏度为2276nm/riu，当温度检测范围从40-1()()℃时，平均灵敏度为1.72nm/℃
[0039]
定义δλ
ri
＝λ
1-λ
10
，δλ
pdms
＝λ
2-λ
20
，δt＝t-40，δri＝ri-1.335。式中λ1与λ2为两个通道的实测共振波长，t和ri为实际的温度与样品折射率。λ
10
为1.335折射率匹配液对应的共振波长613.49nm，λ
20
为40摄氏度对应的共振波长802.71nm。
[0040]
由折射率和温度引起的两个通道的波长变化可以表示为：
[0041][0042]
将实验中得到的折射率灵敏度s
ri
和温度灵敏度s
t
代入上述公式中，通过矩阵运算之后得到温度和折射率的变化为：
[0043][0044]
通过上述表达式可以计算得出温度和折射率的变化，该实验实现了一种基于d型光纤的温度与折射率双参量测量，实验数据表明，两个共振峰之间在合适范围区间内不会产生共振峰串扰，该双通道传感器可以在用于折射率测量时有效的降低温度带来的不确定
性。
[0045]
实施例2
[0046]
基于多模光纤的多侧抛温度补偿性spr传感器由卤素光源1，石英v槽平板2，双通道光纤spr传感器3，光谱分析仪4和计算机5组成。光纤spr传感器3中301镀金膜用以检测环境折射率，302区域镀金膜和pdms薄膜用以检测环境温度，所述系统由卤素光源1通过sma跳线连接适配器接入光纤传感器3中，另一端通过适配器接入sma跳线连接光谱仪4中，再通过usb连接线接入计算机5中。当光在光纤传感器3中传输时，在两段侧抛区域形成倏逝场并进入金属薄膜，并与金属薄膜表面的自由电子相互作用，激发出沿金属与介质交界面传输的表面等离子体波。当外界环境折射率不同时，传感器的共振波长也会由区别。由于pdms折射率较大，会在较大波长产生一个共振峰。传感器的输出光信号被光谱仪接收并在计算机应用软件上所显示，以此实时监测环境中折射率和温度的变化。其中v槽石英片通过控制深浅，将光纤使用紫外胶粘入v槽内，将其放置于四角研磨机进行磨抛，可以同时获得两个侧抛区域。
[0047]
图2为在侧抛区域上镀上金膜用作折射率测量，当折射率增加时，通道301的共振波长发生红移，逐渐向长波长增加。而通道302的共振波长几乎不变。
[0048]
图3为在侧抛区域镀上金膜在涂覆一层pdms薄膜，当温度上升时，通道302的共振波长发生蓝移，而环境折射率不变的情况下，通道301的共振波长几乎不变。
[0049]
以上，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于多模光纤的多侧抛温度补偿性spr传感器，其特征在于，包括：卤素宽谱光源，用于发射光；双通道光纤spr传感器，与所述卤素宽谱光源连接，用于根据环境改变光波长；石英v槽片，与所述双通道光纤spr传感器连接，用于固定双通道光纤spr传感器中的光纤；光谱分析仪，与所述双通道光纤spr传感器连接，用于接收双通道光纤spr传感器传输出的光信号，并将光信号转换为电信号；计算机，与所述光谱分析仪连接，用于将所述电信号转化为模拟信号并显示模拟信号。2.根据权利要求1所述的基于多模光纤的多侧抛温度补偿性spr传感器，其特征在于，所述双通道光纤spr传感器包括折射率传感通道和温度传感通道；所述折射率传感通道用于检测环境折射率；所述温度传感通道用于检测环境温度。3.根据权利要求1所述的基于多模光纤的多侧抛温度补偿性spr传感器，其特征在于，通过所述石英v槽片固定双通道光纤spr传感器时，使用紫外胶将光纤粘入v槽中。4.根据权利要求1所述的基于多模光纤的多侧抛温度补偿性spr传感器，其特征在于，通过四角研磨机对光纤进行磨抛得到两个侧抛区域，在一个侧抛区域镀上金膜得到折射率传感通道，在另一个侧抛区域镀上金膜并涂覆一层聚二甲基硅氧烷得到温度传感通道。5.根据权利要求4所述的基于多模光纤的多侧抛温度补偿性spr传感器，其特征在于，侧抛区域镀上的金膜厚度为45nm。6.根据权利要求4所述的基于多模光纤的多侧抛温度补偿性spr传感器，其特征在于，折射率传感通道和温度传感通道的光纤侧抛面与石英v槽片的石英平板位于同一平面。7.根据权利要求1所述的基于多模光纤的多侧抛温度补偿性spr传感器，其特征在于，卤素宽谱光源通过sma跳线连接适配器接入双通道光纤spr传感器；双通道光纤spr传感器另一端通过适配器接入sma跳线连接光谱分析仪；光谱分析仪通过usb连接线接入计算机。

技术总结
本发明公开了一种基于多模光纤的多侧抛温度补偿性SPR传感器，包括：卤素宽谱光源，用于发射光；双通道光纤SPR传感器，与所述卤素宽谱光源连接，用于根据环境改变光波长；石英V槽片，与所述双通道光纤SPR传感器连接，用于固定双通道光纤SPR传感器中的光纤；光谱分析仪，与所述双通道光纤SPR传感器连接，用于接收双通道光纤SPR传感器传输出的光信号，并将光信号转换为电信号；计算机，与所述光谱分析仪连接，用于将所述电信号转化为模拟信号并显示模拟信号。本发明的基于多模光纤的多侧抛温度补偿性SPR传感器有效降低了温度对折射率测量时造成的不确定性。成的不确定性。成的不确定性。


技术研发人员：曾祥龙 赵皖聪 师肖宁 郭安波 丁鹏
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/16