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专利号: 2022102362815
申请人: 重庆三峡学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-04-26
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

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。