CN110455346A - 一种用于测量海水温盐深的光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量海水温盐深的光纤传感器，包括材料为光子晶体的纤芯，所述纤芯的外部固定连接有包层，所述包层上设置有多个空气孔，所述空气孔对称设置在包层内，其中相邻两个空气孔朝向外界的方向开通设置有横截面为W的缺口，所述缺口的表面镀上薄膜。该传感器使用扇形微结构光子晶体光纤，相比于传统光纤，镀膜和填充的工艺都较为简单，易批量加工生产；本扇形微结构光纤去除的空气孔相邻且面积大，镀膜更为简单方便；本发明同时使用LMR与SPR效应，其中LMR在p与s偏振光下均可发生共振，使其灵敏度与精度大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种用于测量海水温盐深的光纤传感器。
背景技术
近年来，光纤传感器成为物理领域的又一研究热点。近几年薄膜涂敷光纤在传光时所产生的电磁波共振，被发现可以用于光纤传感器的制作。光纤传感器具有其他传统传感器不具备的优点，体积小、无电磁干扰、灵敏度高，与此同时，折射率这一物理量可以与许多性质联系起来，因此可以用来测量浓度，湿度，识别生物反应。
表面等离子体共振(SPR)指的是当光波在介质中传输且到达界面时，光波会以倏逝场的形式进入金属层中，这时只要光波倏逝场满足金属层中等离子体的共振条件，那么，满足条件的那部分光波能量将会转化成等离子体波的震荡能量。制作这种传感器需要把贵金属纳米粒子修饰到光纤上，利用金属纳米粒子的SPR效应来进行传感器的制备，具有对周围介质环境敏感和方便修饰的特性。
损失模式共振效应(LMR)是一种近几年被提出的共振效应。它被提出后的近几年的时间里，基于LMR效应的光纤传感器被迅速应用于折射率传感的研究，并且在低折射率附近也具有较高的灵敏度。LMR指的是倏逝波与导电金属氧化物内的损失模式之间相互耦合产生的共振。它发生时光波导中传输的光的强度将急剧降低，从而形成共振波谷。LMR效应对外界折射率很敏感，当外界折射率变化时，LMR的共振波谷也会产生相应变化，反映出外界物质的折射率变化，因此，可以通过折射率换算得到待测量。与其他血脂分析仪相比，基于LMR效应的传感技术的仪器具有如下显著特点：第一，高灵敏度和高分辨率，到目前为止相比于其他类形的光纤传感器，光纤LMR传感器的灵敏度提升两个数量级，可以达到300,000nm/RIU。第二，生产成本低，易于批量生产。
尽管基于LMR光纤传感器有着众多优良特性，但因其测量目标的单一性，很难被广泛用于测量复杂溶液。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种用于测量海水温盐深的光纤传感器，具体结构包括：材料为光子晶体的纤芯，所述纤芯的外部固定连接有包层，所述包层上设置有六个空气孔，所述空气孔对称设置在包层内，其中相邻两个空气孔朝向外界的方向开通设置有横截面为W的缺口。
进一步的，所述缺口包括被去除空气孔表面，所述被去除空气孔表面的镀膜材料为TiO2，其他空气孔表面镀膜材料为金膜。
进一步的，所述六个空气孔的大小相同、其中相邻两个空气孔的边界隔离层的厚度为2μm。
进一步的，所述被去除空气孔表面的镀膜TiO2的厚度为80nm—100nm，其中空气孔表面金膜的厚度为50nm。
所述六个空气孔包括第一空气孔，所述第一空气孔与其关于中心轴对称的另一个空气孔中填充有热光学敏感材料。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种用于测量海水温盐深的光纤传感器，该传感器使用扇形微结构光子晶体光纤，相比于传统的光纤，镀膜和填充的工艺都较为简单、因此易批量加工生产；本扇形微结构光纤去除的空气孔相邻且面积大，镀膜更为简单方便；本发明同时使用LMR与SPR效应，其中LMR在p与s偏振光下均可发生共振，使其灵敏度与精度大大提高；该传感器可以有效解决了其测量目标单一的问题，使其集高精度，高灵敏度，多功能于一身，有着巨大的实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所采用光纤的结构示意图；
图2为本发明提供的测量海水温盐深的光纤传感器的截面结构示意图；
图3为盐度对于投射光谱的变化示意图；
图4为盐度对红移量拟合曲线结果示意图；
图5为透射光波谷红移量随温度变化的结果示意图；
图6为透射光波谷红移量随应力变化的结果示意图。
1、纤芯，2、包层、3、空气孔，4、金膜，5、被去除空气孔表面，6、缺口，31、第一空气孔。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1和图2所示的一种用于测量海水温盐深的光纤传感器，包括光子晶体的纤芯1，在纤芯1的外部固定连接有包层2，在包层2内设置有多个空气孔3，其中空气孔3对称设置在包层2内，相邻两个空气孔3朝向外界的方向开通设置有横截面为W的缺口6。
进一步的，缺口6包括被去除空气孔表面5，所述被去除空气孔表面5的镀膜材料为TiO2，其他的空气孔3表面镀膜材料为金膜4。其中镀膜TiO2的厚度为80nm—100nm，其中空气孔3表面金膜4的厚度为50nm。
进一步的，所述空气孔3的大小相同，其中相邻两个空气孔3的边界隔离层的厚度为2μm。
所述六个空气孔3包括四个结构相同的第一空气孔31，所述第一空气孔31与其关于中心轴对称的另一个空气孔31中填充有热光学敏感材料。
实施例：
如图2所示，本发明采用直径为125um的光子晶体光纤，材料为石英玻璃，纤芯中心没有空气孔，纤芯直径15um。延纤芯的延伸方向内设置有多个扇形空气孔，呈六边形排布，扇形空气孔的直径为100um，相邻扇形空气孔之间的距离为2um，可以利用飞秒激光器去除两个相邻空气孔形成缺口，保留剩余四个空气孔，缺口为W型，能够更有效的利用倏逝场，保留剩余四个空气孔。在露芯处可以采用磁控溅射法涂覆TiO2薄膜层，在空气孔内壁中选择性镀一层金膜，空气孔中通入温敏液体。温度改变时，温敏液体的折射率会发生改变，进而影响共振波长，从而实现海水温度的测定。应力发生改变时，光纤发生形变，导致金膜发生SPR效应，而由于温敏液体加入了测量温度的气孔，应力带来的SPR效应对测温的影响可忽略不计，所以，通过两个镀有金膜的气孔，可有效且独立的测量应力大小。与此同时，也通过TiO2镀膜层发生的LMR效应达到测折射率的目的。由此本传感器可实现三参数测量。
首先，需要检测传感器结构对海水盐度的响应。海水盐度同时受溶解物质和温度的影响。Wendu1恒定时，盐度变化决定了有效折射率，它与线性相关的折射率范围(n＝1.3331+0.185S)。本文采用仿真测量了盐度对透射光谱的变化，如图3所示。随着盐度的增加，LMR损失谷向长波方向移动，移动量与盐度拟合曲线如图4所示，线性度良好，灵敏度也较高。
传感器对海水温度的响应也得到了测量。温度主要通过改变温敏液体的光学性质来改变输出光谱。在其他条件的控制下，光谱的移动量随温度的变化如图5所示，SPR效应产生的Y极化损失谷占据主导地位，X极化几乎不受影响。由图5可见，传感器有着良好的线性，较小的解调误差，以及较高的灵敏度(α＝-6.44nm/K)。
传感器对海水压力的响应也得到了测量。当光纤弯曲或被按压时，其横截面形状将从圆度变为椭圆。通过comsol仿真结果发现，光纤弯曲越大，其横截面的椭圆度越大。由弯曲和按压引起的应变也将改变所提出的SPR传感器的损耗谱中的损耗峰值。图6显示了当温度在20℃稳定时，在不同应变下两个损失峰的波长移动量随应力变化的拟合曲线。可见λ1与λ2对应的损失峰随温度的灵敏度较高，分别为1.90×10-4nm/με和1.30×10-3nm/με，且线性度良好。
由此可以看出，本发明的光纤传感器在同时测量3种物理量的同时，拥有着较高的灵敏度和分辨率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于测量海水温盐深的光纤传感器，其特征在于包括：材料为光子晶体的纤芯(1)，所述纤芯(1)的外部固定连接有包层(2)，所述包层(2)上设置有六个空气孔(3)，所述空气孔(3)对称设置在包层(2)内，其中相邻两个空气孔(3)朝向外界的方向开通设置有横截面为W的缺口(6)。
2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征还在于：所述缺口(6)包括被去除空气孔表面(5)，所述被去除空气孔表面(5)的镀膜材料为TiO2，其他空气孔(3)表面镀膜材料为金膜(4)。
3.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征还在于：所述六个空气孔(3)的大小相同、其中相邻两个空气孔(3)的边界隔离层的厚度为2μm。
4.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征还在于：所述被去除空气孔表面(5)的镀膜TiO2的厚度为80nm—100nm，其中空气孔(3)表面金膜(4)的厚度为50nm。
5.根据权利要求4所述的光纤传感器，其特征还在于：所述六个空气孔(3)包括第一空气孔(31)，所述第一空气孔(31)与其关于中心轴对称的另一个空气孔(3)中填充有热光学敏感材料。
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