CN113866132B - 一种多通道spr差分强度调制传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多通道SPR差分强度调制传感器，包括：光源模块、扇入扇出模块、多芯光纤探头和数据处理模块；光源模块的输出端分别通过扇入扇出模块的不同输入通道与多芯光纤探头的多个入射光纤芯连接；多芯光纤探头设置于待测液体内；多芯光纤探头的多个出射光纤芯分别通过扇入扇出模块不同输出通道与数据处理模块连接；出射光纤芯的数量与入射光纤芯的数量相等；入射光纤芯的数量至少为3个；数据处理模块对多个出射光纤芯输出的信号进行差分运算，确定待测液体的折射率。本发明通过多芯光纤探头同时获得多个不同的测量信号，并根据测量信号两两进行差分运算，得到双通道的多通道SPR差分强度调制传感器，增大了传感器的测量范围。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种多通道SPR差分强度调制传感器。
背景技术
SPR(表面等离子体共振，Surface Plasmon Resonance)传感技术因具有高灵敏度、免标记、响应迅速等特点，近30年来，被广泛研究并应用于生物、化学、医药等领域。时至今日，传感探头小型化、高集成度、高灵敏度仍然是光纤SPR传感技术的重要发展方向。其中锥形端面反射式光纤SPR因具有更牢固的传感探头结构被广泛研究和报道。为了增加传感通道，提高集成度，七芯光纤SPR传感器因运而生。以用于测量液体折射率变化的传感器为例，锥形端面反射式七芯光纤SPR传感器均采用波长调制方法，虽然长波长处的灵敏度高于短波长处的灵敏度，但光纤通信C+L波段的SPR波长调制曲线宽度太大，限制了传感器工作波段移至光纤通信C+L波段，致使的测量范围很小。进一步地，因工作波段的限制，传感器难以使用成熟的光纤无源器件，最终使得传感器结构复杂，结构稳定性难以进一步提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种多通道SPR差分强度调制传感器，能够增大传感器的测量范围。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种多通道SPR差分强度调制传感器，包括：
光源模块、扇入扇出模块、多芯光纤探头和数据处理模块；
所述光源模块的输出端分别通过所述扇入扇出模块的不同输入通道与所述多芯光纤探头的多个入射光纤芯连接；所述多芯光纤探头设置于待测液体内；
所述多芯光纤探头的多个出射光纤芯分别通过所述扇入扇出模块不同输出通道与所述数据处理模块连接；所述出射光纤芯的数量与所述入射光纤芯的数量相等；所述入射光纤芯的数量至少为3个；
所述数据处理模块对多个出射光纤芯输出的信号进行差分运算，确定待测液体的折射率。
可选的，所述光源模块，具体包括：
光源、光纤环形器、光栅和光纤耦合器；
所述光纤环形器的多个端口顺时针依次分别与所述光源、所述光栅和所述光纤耦合器连接；所述光纤耦合器的多个输出端通过所述扇入扇出模块的不同输入通道与所述多芯光纤探头的多个入射光纤芯连接；
所述光纤环形器用于将光源发出的光传输至所述光栅；
所述光栅用于过滤所述光源发出的光，得到窄带光；
所述光纤环形器还用于将所述窄带光传输至所述光纤耦合器；
所述光纤耦合器用于通过所述扇入扇出模块的不同输入通道将所述窄带光分别输入所述多芯光纤探头的不同入射光纤芯。
可选的，
所述光源为C+L波段ASE宽带光源；
所述光栅为反射式光纤布拉格光栅。
可选的，所述传感器，还包括：
氧化锆陶瓷插芯；
所述氧化锆陶瓷插芯设置于所述多芯光纤探头和所述扇入扇出模块之间。
可选的，
所述多芯光纤探头的探测端为多边锥台形结构；所述探测端为远离所述扇入扇出模块的一端；所述探测端的多个侧面与所述多芯光纤探头的传输光纤芯一一对应；所述传输光纤芯包括入射光纤芯和出射光纤芯；
所述探测端的任一侧面斜截所述多芯光纤探头的1个传输光纤芯；
所述探测端的顶面覆盖有第一介质膜；所述第一介质膜上覆盖有第二介质膜；
所述探测端的侧面均覆盖有第三介质膜；所述第三介质膜上覆盖有第四介质膜；所述探测端的任一侧面与相对的侧面覆盖的第四介质膜的厚度相等；所述探测端的任一侧面与相邻的2个侧面覆盖的第四介质膜的厚度均不同。
可选的，
所述第一介质膜为铬膜；
所述第二介质膜为金膜；
所述第三介质膜为金膜；
所述第四介质膜为二氧化钛膜。
可选的，
所述第一介质膜的厚度为2-3nm；
所述第二介质膜的厚度为500nm；
所述第三介质膜的厚度为45nm；
所述探测端的任一侧面与相邻的2个侧面覆盖的第四介质膜的厚度分别为10nm、20nm和30nm。
可选的，所述数据处理模块，具体包括：
光电探测单元、数据采集卡和计算单元；
所述光电探测单元分别通过所述扇入扇出模块的不同输出通道与所述多芯光纤探头的不同出射光纤芯连接；所述光电探测单元用于分别获取每个出射光纤芯处经所述探测端的顶面反射的窄带光信号；
所述数据采集卡与所述光电探测单元连接；所述数据采集卡用于将多芯光纤探头端面反射的窄带光信号转化为电信号；
所述计算单元与所述数据采集卡连接；所述计算单元用于对所述电信号进行差分运算，确定待测液体的折射率。
可选的，所述光电探测单元，具体包括：
多个光电探测单元；
所述光电探测单元的数量与出射光纤芯的数量相等；
多个所述光电探测单元的输入端分别通过所述扇入扇出模块不同输出通道与所述多芯光纤探头的不同出射光纤芯连接；多个所述光电探测单元的输出端均与所述数据采集卡连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种多通道SPR差分强度调制传感器，包括：光源模块、扇入扇出模块、多芯光纤探头和数据处理模块；光源模块的输出端分别通过扇入扇出模块的不同输入通道与多芯光纤探头的多个入射光纤芯连接；多芯光纤探头设置于待测液体内；多芯光纤探头的多个出射光纤芯分别通过扇入扇出模块不同输出通道与数据处理模块连接；出射光纤芯的数量与入射光纤芯的数量相等；入射光纤芯的数量至少为3个；数据处理模块对多个出射光纤芯输出的信号进行差分运算，确定待测液体的折射率。本发明通过多芯光纤探头同时获得多个不同的测量信号，并根据测量信号两两进行差分运算，得到双通道的多通道SPR差分强度调制传感器，增大了传感器的测量范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中多通道SPR差分强度调制传感器结构示意图；
图2为本发明实施例中多芯光纤探头的横截面图；
图3为本发明实施例中多芯光纤探头的信号传输图；图3(a)为本发明实施例中多芯光纤探头的第一信号传输图；图3(b)为本发明实施例中多芯光纤探头的第二信号传输图；图3(c)为本发明实施例中多芯光纤探头的第三信号传输图；
图4为本发明实施例中多个信号与液体折射率变化关系图；
图5为本发明实施例中多通道SPR差分强度调制传感器原理图。
具体实施方式
下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种多通道SPR差分强度调制传感器，能够增大传感器的测量范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例中多通道SPR差分强度调制传感器结构示意图，如图1所示，本发明提供了一种多通道SPR差分强度调制传感器，包括：
光源模块、扇入扇出模块9、多芯光纤探头和数据处理模块18(计算机)；
光源模块的输出端分别通过扇入扇出模块的不同输入通道与多芯光纤探头的多个入射光纤芯连接；多芯光纤探头设置于待测液体内；
多芯光纤探头的多个出射光纤芯分别通过扇入扇出模块不同输出通道与数据处理模块连接；出射光纤芯的数量与入射光纤芯的数量相等；入射光纤芯的数量至少为3个；
数据处理模块对多个出射光纤芯输出的信号进行差分运算，确定待测液体的折射率。
优选地，光源模块，具体包括：
光源11、光纤环形器12、光栅10和光纤耦合器13；
光纤环形器的多个端口顺时针依次分别与光源、光栅和光纤耦合器连接；光纤耦合器的多个输出端通过扇入扇出模块的不同输入通道与多芯光纤探头的多个入射光纤芯连接；
光纤环形器用于将光源发出的光传输至光栅；
光栅用于过滤光源发出的光，得到窄带光；
光纤环形器还用于将窄带光传输至光纤耦合器；
光纤耦合器用于通过扇入扇出模块的不同输入通道将窄带光分别输入多芯光纤探头的不同入射光纤芯。
优选地，
光源为C+L波段ASE宽带光源；
光栅为反射式光纤布拉格光栅。
优选地，传感器，还包括：
氧化锆陶瓷插芯；
氧化锆陶瓷插芯设置于多芯光纤探头和扇入扇出模块之间。
优选地，
多芯光纤探头的探测端为多边锥台形结构；探测端为远离扇入扇出模块的一端；探测端的多个侧面与多芯光纤探头的传输光纤芯一一对应；传输光纤芯包括入射光纤芯和出射光纤芯；
探测端的任一侧面斜截多芯光纤探头的1个传输光纤芯；
探测端的顶面覆盖有第一介质膜；第一介质膜上覆盖有第二介质膜；
探测端的侧面均覆盖有第三介质膜；第三介质膜上覆盖有第四介质膜；探测端的任一侧面与相对的侧面覆盖的第四介质膜的厚度相等；探测端的任一侧面与相邻的2个侧面覆盖的第四介质膜的厚度均不同。
优选地，
第一介质膜为铬膜；
第二介质膜为金膜；
第三介质膜为金膜；
第四介质膜为二氧化钛膜。
优选地，
第一介质膜的厚度为2-3nm；
第二介质膜的厚度为500nm；
第三介质膜的厚度为45nm；
探测端的任一侧面与相邻的2个侧面覆盖的第四介质膜的厚度分别为10nm、20nm和30nm。
优选地，数据处理模块，具体包括：
光电探测单元、数据采集卡和计算单元；
光电探测单元分别通过扇入扇出模块的不同输出通道与多芯光纤探头的不同出射光纤芯连接；光电探测单元用于分别获取每个出射光纤芯处经探测端的顶面反射的窄带光信号；
数据采集卡与光电探测单元连接；数据采集卡用于将多芯光纤探头端面反射的窄带光信号转化为电信号；
计算单元与数据采集卡连接；计算单元用于对电信号进行差分运算，确定待测液体的折射率。
优选地，光电探测单元，具体包括：
多个光电探测单元；
光电探测单元的数量与出射光纤芯的数量相等；
多个光电探测单元的输入端分别通过扇入扇出模块不同输出通道与多芯光纤探头的不同出射光纤芯连接；多个光电探测单元的输出端均与数据采集卡连接。
具体的，图1中，14-16均为光电探测单元(光电探测器)
具体的，以七芯光纤(型号为SM-7C1500(6.1/125)，生产厂家为Fibercore公司)探头为例，对本发明进行具体说明：七芯光纤探头及其信号传输如图2-3所示：其中，3为探测端的顶面，1和2、4和5，以及6和7为探测端3对相对的侧面。
七芯光纤探头的制备流程如下：
(1)利用光纤端面研磨装置加工制作研磨七芯光纤的6个传感面1、2、4、5，6和7，使每个传感面与轴向均成20°角，使得入射光的入射角度均为70°。
(2)在显微镜下，在6个传感面上均覆盖高真空硅脂，利用磁控溅射技术在反射面3上先后镀2-3nm的Cr膜和500nm的Au膜，探头浸泡到石油醚中，将高真空硅脂溶解。
(3)除传感面1和2外，其它各面覆盖高真空硅脂，利用磁控溅射技术同时在传感面1和2上，先后镀45nm的Au膜和10nm的TiO2薄膜。探头浸泡到石油醚中，将高真空硅脂溶解。
(4)除传感面4和5外，其它各面覆盖高真空硅脂，利用磁控溅射技术同时在传感面4和5上，先后镀45nm的Au膜和20nm的TiO2薄膜。探头浸泡到石油醚中，将高真空硅脂溶解。
(5)除传感面6和7外，其它各面覆盖高真空硅脂，利用磁控溅射技术同时在传感面6和7上，先后镀45nm的Au膜和30nm的TiO2薄膜。探头浸泡到石油醚中，将高真空硅脂溶解，得到七芯光纤探头。
传感器工作原理如下：
11发出的C+L波段宽带光经过光纤传输，进入12，入射到10，被10反射的窄带光进入12，进入13，分为功率相等的4路光，其中三路分别进入9的1芯、2芯和3芯端，经过8后分别进入七芯光纤探头的1芯、2芯和3芯，分别在1、4、6激发表面等离子体共振(SurfacePlasmon Resonance，SPR)，反射光均被3反射，分别入射到2、5、7，再次激发SPR，反射光分别进入4芯、5芯、6芯，经过8，进入9，从9的4芯、5芯、6芯端分别输出至14、15、16，转化为和光强成线性关系的电压信号，用17采集电压信号，18进行差分运算。
输出信号随液体折射率变化的关系如图4，图4中横坐标表示液体折射率，纵坐标表示折射率；图4表明TiO2薄膜的厚度对SPR共振条件具有调谐作用，薄膜的厚度越大，发生SPR时的液体折射率越小。差分运算仿真用探测器16的信号曲线减去探测器15的信号曲线；用探测器15的信号曲线减去探测器14的信号曲线；得到图5所示的曲线，其中，横坐标为液体折射率；纵坐标为光信号功率差值，由图5可知，仿真参数：光纤纤芯折射率为1.467、金属膜在1550nm处的介电常数为-115.13+11.259、TiO2薄膜介电常数为4.2302；计算中，设定入射光为自然光，即P光和S光各占50％，S光因不激发SPR现象，其反射率因金膜的本征吸收，仅存在少量损耗(因此可以通过作差运算，减掉S光产生的背景信号)。根据探头结构，入射光经历两次敏感膜的反射，已计算入内。因入射光功率未知，且可调节，因此仿真只计算了反射率，而非探测器接收到的光功率，亦非探测器的输出电流信号。因探测器输出的电流信号和接收到的光功率呈正比关系，经过采集卡的输入电阻后，转化为电压信号，该电压信号就和接收到的光功率成线性关系。所以仿真结果近可用于解释原理，并不是实验最终结果。
实际差分运算为：16输出的电压减去15输出的电压、15输出的电压减去14输出的电压。通过作差运算，可以在待测液体折射率1.3418-1.3524、1.3515-1.3603范围内，分别出现良好的线性响应；通过作差运算，可以减小入射光功率起伏对测量结果的影响，即一定程度上削弱共模噪声的影响；通过作差运算，可以把入射光中不能激发SPR的S光产生的背景信号减掉，可以使传感器不使用偏振器件，简化传感结构，节约成本。该传感器具有双测量通道功能，测量范围从1.3418-1.3603，与单通道相比，测量范围提高1倍。
具体的，传感器各部分功能、型号生产厂家如下：
七芯光纤，用于制备七芯光纤探头。
1、2为45nmAu/10nmTiO2薄膜，用于激发SPR。
3为2-3nmCr/500nmAu膜，用于反射1、4、6的反射光。
4、5为45nmAu/20nmTiO2薄膜，用于激发SPR。
6、7为45nmAu/30nmTiO2薄膜，用于激发SPR。
8为氧化锆陶瓷插芯，用于将9和七芯光纤探头的光信号进行耦合。其长度为11.4mm，内孔长度为2.49mm，开口度为0.5mm，插拔力为2-6N，是光纤法兰盘专用的常规元件。
9为扇入扇出模块，用于7个单模光纤和七芯光纤中七个纤芯的分别耦合；型号：FAN-7C，生产厂家：Fibercore公司。
10为中心波长在C波段或L波段内的，3dB带宽0.1-1nm的反射式光纤布拉格光栅，用于从11中滤出窄带光作为传感器的入射光。
11为C+L波段ASE宽带光源，用于输出传感器所需的C+L波段ASE宽带光。型号：ASE-CL-100-T-B，生产厂家：合肥脉锐光电技术有限公司。
12为光纤环形器，用于将10反射的光输出至13。型号为SMCIR-1550nm-311-1，生产厂家为：合肥脉锐光电技术有限公司。
13为1×4宽带光纤耦合器，用于将13输出的光分为功率相等的4路，其中3路分别输出至9的1芯、2芯、3芯端口。型号为：TWQ1550HA，生产厂家为：索雷博光电科技(上海)有限公司。
14，15，16为光电探测器，用于将光信号转化为和光强成线性关系的电信号。型号：DET01CFC，生产厂家：索雷博光电科技(上海)有限公司。
17为24位精度数据采集卡，用于将电信号数字化。型号为：USB-8814，生产厂家为北京阿尔泰科技发展有限公司。
18为计算机，用于控制采集卡进行数据采集以及进行作差运算。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种多通道SPR差分强度调制传感器，其特征在于，所述传感器，包括：
光源模块、扇入扇出模块、多芯光纤探头和数据处理模块；
所述光源模块的输出端分别通过所述扇入扇出模块的不同输入通道与所述多芯光纤探头的多个入射光纤芯连接；所述多芯光纤探头设置于待测液体内；
所述多芯光纤探头的多个出射光纤芯分别通过所述扇入扇出模块不同输出通道与所述数据处理模块连接；所述出射光纤芯的数量与所述入射光纤芯的数量相等；所述入射光纤芯的数量至少为3个；
所述数据处理模块对多个出射光纤芯输出的信号进行差分运算，确定待测液体的折射率；
所述光源模块，具体包括：
光源、光纤环形器、光栅和光纤耦合器；
所述光纤环形器的多个端口顺时针依次分别与所述光源、所述光栅和所述光纤耦合器连接；所述光纤耦合器的多个输出端通过所述扇入扇出模块的不同输入通道与所述多芯光纤探头的多个入射光纤芯连接；
所述光纤环形器用于将光源发出的光传输至所述光栅；
所述光栅用于过滤所述光源发出的光，得到窄带光；
所述光纤环形器还用于将所述窄带光传输至所述光纤耦合器；
所述光纤耦合器用于通过所述扇入扇出模块的不同输入通道将所述窄带光分别输入所述多芯光纤探头的不同入射光纤芯；
所述多芯光纤探头的探测端为多边锥台形结构；所述探测端为远离所述扇入扇出模块的一端；所述探测端的多个侧面与所述多芯光纤探头的传输光纤芯一一对应；所述传输光纤芯包括入射光纤芯和出射光纤芯；
所述探测端的任一侧面斜截所述多芯光纤探头的1个传输光纤芯；
所述探测端的顶面覆盖有第一介质膜；所述第一介质膜上覆盖有第二介质膜；
所述探测端的侧面均覆盖有第三介质膜；所述第三介质膜上覆盖有第四介质膜；所述探测端的任一侧面与相对的侧面覆盖的第四介质膜的厚度相等；所述探测端的任一侧面与相邻的2个侧面覆盖的第四介质膜的厚度均不同。
2.根据权利要求1所述的多通道SPR差分强度调制传感器，其特征在于，
所述光源为C+L波段ASE宽带光源；
所述光栅为反射式光纤布拉格光栅。
3.根据权利要求1所述的多通道SPR差分强度调制传感器，其特征在于，所述传感器，还包括：
氧化锆陶瓷插芯；
所述氧化锆陶瓷插芯设置于所述多芯光纤探头和所述扇入扇出模块之间。
4.根据权利要求1所述的多通道SPR差分强度调制传感器，其特征在于，
所述第一介质膜为铬膜；
所述第二介质膜为金膜；
所述第三介质膜为金膜；
所述第四介质膜为二氧化钛膜。
5.根据权利要求1所述的多通道SPR差分强度调制传感器，其特征在于，
所述第一介质膜的厚度为2-3nm；
所述第二介质膜的厚度为500nm；
所述第三介质膜的厚度为45nm；
所述探测端的任一侧面与相邻的2个侧面覆盖的第四介质膜的厚度分别为10nm、20nm和30nm。
6.根据权利要求1所述的多通道SPR差分强度调制传感器，其特征在于，所述数据处理模块，具体包括：
光电探测单元、数据采集卡和计算单元；
所述光电探测单元分别通过所述扇入扇出模块的不同输出通道与所述多芯光纤探头的不同出射光纤芯连接；所述光电探测单元用于分别获取每个出射光纤芯处经所述探测端的顶面反射的窄带光信号；
所述数据采集卡与所述光电探测单元连接；所述数据采集卡用于将多芯光纤探头端面反射的窄带光信号转化为电信号；
所述计算单元与所述数据采集卡连接；所述计算单元用于对所述电信号进行差分运算，确定待测液体的折射率。
7.根据权利要求6所述的多通道SPR差分强度调制传感器，其特征在于，所述光电探测单元，具体包括：
多个光电探测单元；
所述光电探测单元的数量与出射光纤芯的数量相等；
多个所述光电探测单元的输入端分别通过所述扇入扇出模块不同输出通道与所述多芯光纤探头的不同出射光纤芯连接；多个所述光电探测单元的输出端均与所述数据采集卡连接。
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