CN208043656U - 一种基于温度自补偿的spr光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于温度自补偿的SPR光纤传感器，该SPR光纤传感器包括一段单模光纤和分别连接于单模光纤两端的多模光纤，单模光纤由内及外分别包括单模光纤纤芯、单模光纤包层、第一层金属膜和第二层金属膜，多模光纤由内及外分别包括多模光纤纤芯和多模光纤包层，单模光纤纤芯和多模光纤纤芯的中心轴在一条直线上。SPR光纤传感器既可以产生SPR效应，同时又具有FP腔的结构。制作工艺简单，价格低廉，实现了高精度、高灵敏度的样品折射率检测分析，在各类检测领域都具有很好的前景。

Description

一种基于温度自补偿的SPR光纤传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体说是一种基于温度自补偿的SPR光纤传感器。

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种物理光学现象，当一束光射入镀有一定厚度金属薄膜的光纤表面发生全反射，当满足一定条件时光线被耦合进入金属薄膜，引起电子发生共振，即产生SPR效应。由于SPR现象对金属表面的介质折射率十分敏感，可进行与折射率有关的相关传感。与传统传感器相比，光纤SPR传感器具有微型化、灵敏度高、抗电磁干扰、响应速度快等优点。由于SPR效应具有很高的灵敏度，对外界环境的变化十分敏感，因此对传感条件要求较高，多数光纤SPR传感器多应用于科研领域。因此需要设计出高灵敏度、具有自补偿功能的光纤SPR传感器。

德国科学家 Otto 和 Kretschmann 提出了不同的 SPR 传感器的设计结构，两者都是用棱镜作为于传导光波的载体。近几年，棱镜型的 SPR 产生了一系列的进展。2012 年Thomas 等人提出了一种用于测量二氧化碳的新型 SPR 的传感器。该传感器的优势在于可以实现连续性检测，并且可以检测溶解态和气态的二氧化碳。2013 年 Yanase 等人提出了结合 CMOS 相机的 SPR 传感器用于检测个体活细胞的折射率及刺激作用下其折射率。2013 年 Seung-A 等人研究了增塑聚氯乙烯（PVD）传感层厚度对 SPR 传感器性能的影响。2014 年 Zhiyou等人提出了一种三层金属结构的表面等离子共振传感器。2015 年Nizamov 等人提出了一种基于微印刷的新型自参考的 SPR 传感器。测量区域一半区域为传感区另一半为参考区。采用微接触打印法在测量区做图形化修饰来作为测区，未修饰区域作为参考区。其优势在于不需要单独的测量通道来作 SPR 信号的参考。

自1988 年光纤法布里-珀罗( optical fiber Fabry-Pérot，F-P) 传感器被LeeC E 等人成功制作以来，广泛应用于温度、应变、压力、振动等多种参量的测量。这种传感器具有灵敏度高、体积小、响应速度快、抗电磁干扰等优点。

专利文献CN106442419A公开了一种自补偿SPR光纤生化传感器，将微型石英毛细管作为传感元件，在其表面相邻部位分别镀制金膜及固定单层的金纳米粒子，并在其内部注入去离子水，形成LSPR体折射率补偿通道及FP温度补偿通道，这种结构同样也采用了自补偿的方法来提高传感器的精度。专利文献CN105738325A公开了一种多包层光纤双边研磨型SPR双参量传感器，基于多包层双边研磨的SPR双参量传感器是在双边研磨多包层光纤的X方向研磨面上镀膜上第一层金属材料和第二层金属材料,Y方向研磨面上镀膜上金属材料。两平面镀膜材料等参数的不同致使相应SPR损耗谱对外界环境参数灵敏度不同，故当外界环境变化时，两个损耗谱变化不同，从而达到双传感目的，这种结构可以做到同时测量双参数。但它们都存在结构复杂，制作工艺复杂，造价较高的问题，实际应用的价值不高。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种成本低、高灵敏度、高精度的基于温度自补偿的SPR光纤传感器。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于温度自补偿的SPR光纤传感器，包括一段单模光纤和分别连接于所述单模光纤两端的多模光纤，所述单模光纤由内及外分别包括单模光纤纤芯、单模光纤包层、第一层金属膜和第二层金属膜，所述多模光纤由内及外分别包括多模光纤纤芯和多模光纤包层，所述单模光纤纤芯和多模光纤纤芯的中心轴在一条直线上，所述第一层金属膜和第二层金属膜分别采用金或银或铜或铝。

本实用新型进一步的设计方案中，上述第一层金属膜的材料为银，所述第二层金属膜的材料为金。

本实用新型进一步的设计方案中，上述单模光纤的长度为10mm，所述单模光纤和多模光纤的直径为125μm，所述单模光纤纤芯直径为10μm，所述多模光纤纤芯直径为50μm。

本实用新型进一步的设计方案中，第一层金属膜厚度为40nm～50nm，第二层金属膜厚度为10nm～20nm。

本实用新型具有以下突出的有益效果：

本实用新型的SPR光纤传感器既可以产生SPR效应，用以测量样品的折射率，同时又具有FP腔的结构，可以测量环境温度，用以补偿外界环境温度对SPR检测信号产生的误差。无需附加的补偿即可实现高精度检测。此外该SPR光纤传感器的制作方法无需抛光研磨、激光加工、化学腐蚀等复杂手段，仅仅只需要将多模光纤和单模光纤利用光纤熔接机熔接在一起，制作工艺简单，价格低廉，实现了高精度、高灵敏度的样品折射率检测分析。在各类检测领域都具有很好的前景。

附图说明

图1是实施例中未覆膜的SPR光纤传感器结构示意图；

图2是实施例中已覆膜的SPR光纤传感器结构示意图；

图中，1-多模光纤包层，2-多模光纤纤芯，3-单模光纤包层，4-单模光纤纤芯，5-多模光纤包层，6-多模光纤纤芯，7-第二层金属膜，8-第一层金属膜。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例 1

当外界温度改变时，现有SPR光纤传感器的光谱数据会相应的变化，具体表现为共振峰的移动。从而改变导致测量准确性下降。因此需要采取一定的措施来补偿温度变化引起的光谱数据的变动。

参见附图1和附图2，本实用新型的一种基于温度自补偿的SPR光纤传感器，包括一段单模光纤和分别连接于单模光纤两端的多模光纤，单模光纤由内及外分别包括单模光纤纤芯、单模光纤包层、第一层金属膜和第二层金属膜，多模光纤由内及外分别包括多模光纤纤芯和多模光纤包层，单模光纤纤芯和多模光纤纤芯的中心轴在一条直线上，第一层金属膜的材料为银，第二层金属膜的材料为金。单模光纤的长度为10mm，单模光纤和多模光纤的直径为125μm，单模光纤纤芯直径为10μm，多模光纤纤芯直径为50μm。第一层金属膜厚度为40nm～50nm，第二层金属膜厚度为10nm～20nm。

参见图1，本实用新型的SPR光纤传感器中，左边多模光纤的右端面和右边多模光纤的左端面构成了FP腔的结构，利用FP光纤传感器的原理可以实现了温度的监测。在光纤中传播的光的相位由光纤波导的物理长度; 光纤折射率径向分布; 光纤波导的横向几何尺寸三个因素决定。当传感器置于温度变化的环境中，由于光纤的热光效应和光纤材料的热膨胀效应，会直接引起上面三个因素的变化，从而产生相位变化。相位的变化正比于温度的变化，因此由FP光纤传感器，即本实用新型的SPR光纤传感器测出相位变化，就可以得到待测的温度变化。然后通过一定算法补偿温度引起的 SPR 峰的移动。

参见图2，本实用新型的SPR光纤传感器中，由多模光纤-单模光纤-多模光纤以及单模光纤表面的两层金属膜构成了SPR传感器结构，本实用新型的SPR传感器的主要原理是当入射光由多模光纤射入单模光纤时，由于多模光纤中有多种模式的光，而单模光纤中仅有一种模式的光，从而会激发出单模光纤中的包层模式，从而激发金属的表面等离子体波，当倏逝波波矢与金属的表面等离子体波的波矢相同时，则可激发 SPR效应。此时入射光能量被表面等离子体波吸收，使得部分能量急剧下降，从而可以观察到明显的吸收峰。金属膜材料的选择通常是金、银、铜、铝。对于金,用它镀膜灵敏度很高,但是信噪比会比较低,而银则是灵敏度较低,信噪比会很高,而且化学性质不稳定,容易被氧化。铜和铝也可以用作膜,和具有类似的性质。本实施例中选用了金属组合方式来解决灵敏度和信噪比的矛盾,在内层选择灵敏度高的银,在外面再镀一层薄的金层来提高传感器的稳定性，复合金属膜可以增加传感器的灵敏度。

本实用新型的基于温度自补偿的SPR光纤传感器的制作方法，具体包括以下步骤：

步骤1，光纤包含有三层，最外面的涂覆层，包层和纤芯层，将单模光纤和多模光纤去除外面的涂覆层，并对单模光纤和多模光纤做标记，便于下面的熔接。

步骤2，用切割刀将一根多模光纤和一根单模光纤的端面切平,使用光纤熔接机将多模光纤和单模光纤熔接在一起。

步骤3，用切割刀把单模光纤的另一端面切平，使单模光纤的长度在10mm左右，再将另一根多模光纤端面切平,用光纤熔接机将步骤2熔接了多模光纤的单模光纤的另一端和多模光纤熔接到一起。

步骤4，在上述步骤2、步骤3形成的多模光纤-单模光纤-多模光纤结构上，采用磁控溅射法在单模光纤横截面上溅射一层厚度40nm～50nm厚的银薄膜，再在银薄膜层上溅射一层10nm～20nm厚的金薄膜。

实验测量时，在室温25℃下，宽带光源通过光纤传输到所述的SPR传感器，在传感区域被检测样品调制，折射率检测样品为氯化钠溶液，并利用阿贝折射率仪进行校准，随着样品折射率的变化，SPR吸收峰产生相应的移动，通过峰值追踪峰法测量折射率与SPR共振峰的关系。通过加热氯化钠溶液，并用温度计测出溶液的温度，同时观察光谱仪解调出来的FP透射谱，得出具体的温度变化对应的透射光谱的变化，然后通过一定算法补偿温度引起的 SPR 峰的移动。

以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于温度自补偿的SPR光纤传感器，其特征在于，包括一段单模光纤和分别连接于所述单模光纤两端的多模光纤，所述单模光纤由内及外分别包括单模光纤纤芯、单模光纤包层、第一层金属膜和第二层金属膜，所述多模光纤由内及外分别包括多模光纤纤芯和多模光纤包层，所述单模光纤纤芯和多模光纤纤芯的中心轴在一条直线上，所述第一层金属膜和第二层金属膜分别采用金或银或铜或铝。

2.根据权利要求1所述的基于温度自补偿的SPR光纤传感器，其特征在于，所述第一层金属膜的材料为银，所述第二层金属膜的材料为金。

3.根据权利要求1所述的基于温度自补偿的SPR光纤传感器，其特征在于，所述单模光纤的长度为10mm，所述单模光纤和多模光纤的直径为125μm，所述单模光纤纤芯直径为10μm，所述多模光纤纤芯直径为50μm。

4.根据权利要求1所述的基于温度自补偿的SPR光纤传感器，其特征在于，所述第一层金属膜厚度为40nm～50nm，第二层金属膜厚度为10nm～20nm。