CN212568471U - 一种双通道光纤spr传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双通道光纤SPR传感器，包括腐蚀单模光纤、两个多模光纤，腐蚀单模光纤包括单模光纤纤芯和包裹在单模光纤纤芯外侧的单模光纤透明包层，单模光纤透明包层包括对应于单模光纤纤芯中间预设区域的第一透明包层，以及位于第一透明包层两侧的第二透明包层，第二透明包层的外径大于第一透明包层的外径，第一透明包层的外周包覆有金属薄膜，第一透明包层、包覆在第一透明包层外表面的金属薄膜，以及第一透明包层包覆的单模光纤纤芯构成腐蚀单模光纤的传感区，腐蚀单模光纤的两侧端部连接有多模光纤；本实用新型提供的双通道SPR传感器制作成本低、操作简单、灵敏度高，可用于对液体折射率的检测。

Description

一种双通道光纤SPR传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感器技术领域，具体涉及一种双通道光纤SPR传感器。

背景技术

传统的光纤传感器灵敏度较低的问题，而光纤SPR(Surface Plasmon Resonance，表面等离子体共振)传感器能够使得光纤传感器的灵敏度提高几个量级。光纤SPR传感器利用不同金属共振波长的不同，还可实现多通道的检测。为了实现倏逝波激发镀膜金属的SPR效应，人们设计了拉锥、抛磨等方法让纤芯中光入射到包层中，使得SPR效应更易产生，但拉锥和抛磨操作过程较为复杂，其中涉及到多种机械的使用，使现有光纤SPR传感器的结构复杂、灵敏度低。。

实用新型内容

本实用新型的目的：提供一种高灵敏度、多通道检测、结构简单的双通道光纤SPR传感器。

技术方案：本方案提供的双通道光纤SPR传感器，包括腐蚀单模光纤、两个多模光纤；

各多模光纤分别包括多模光纤纤芯，以及包裹在所述多模光纤纤芯外周的多模光纤透明包层；腐蚀单模光纤包括单模光纤纤芯、以及包裹在单模光纤纤芯外周的单模光纤透明包层；所述单模光纤透明包层包括对应于单模光纤纤芯中间预设段的第一透明包层，以及分别对应中间段两侧各段的第二透明包层；所述第二透明包层的外径大于第一透明包层的外径；所述第一透明包层外周包覆有金属薄膜；

两个第二透明包层和各第二透明包层所包覆的单模光纤纤芯部分，构成位于腐蚀单模光纤中两端位置的传输单模光纤；第一透明包层、包覆在第一透明包层外表面的金属薄膜，以及第一透明包层所包覆的单模光纤纤芯部分，构成位于单模腐蚀光纤中中间位置的传感区；

单模光纤纤芯的半径小于多模光纤纤芯的半径，两个传输单模光纤的外侧端部和两个多模光纤的任一端部一一对应连接；多模光纤纤芯和单模光纤纤芯同轴设置。

多模光纤透明包层的外径和所述第二透明包层的外径相等。

金属薄膜包括金膜和银膜；金膜的边缘与银膜的边缘相连接，金膜与银膜相连整体包覆于第一透明包层外表面，且金膜与银膜相对接的边缘贯穿腐蚀单模光纤中传感区的两端。

金膜和所述银膜各包覆第一透明包层的一半区域。

多模光纤和传输单模光纤通过熔接的方式相连接。

各多模光纤的长度为5-8cm，各传输单模光纤的长度为1-2cm，传感区的长度为1-2cm。

有益效果：相对于现有技术，本实用新型提供的双通道光纤SPR传感器使用两种类型的光纤制成，材料成本低；对腐蚀部分分别渡上金膜和银膜，能够形成双通道检测，增加其量程；腐蚀让包层内更多的光产生倏逝波来参与SPR的激发，使传感器的灵敏度更高。

附图说明

图1是根据本实用新型实施例提供的双通道光纤SPR传感器的纵向剖视图；

图2是根据本实用新型实施例提供的双通道光纤SPR传感器的模型图；

图3是根据本实用新型实施例提供的双通道光纤SPR传感器的***测试示意图；

图4是根据本实用新型实施例提供的双通道光纤SPR传感器对不同液体折射率测得的光谱图；

图中：1、多模光纤透明包层；2、第二透明包层；3、第一透明包层；4、金膜；5、银膜；6、多模光纤；101、多模光纤纤芯；102、单模光纤纤芯；7、卤钨灯；8、第一外接传输多模光纤；9、双通道光纤SPR传感器；10、微型光纤光谱仪；11、第二外接传输多模光纤；12、电脑端；13、USB数据线。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

在本实用新型的描述中，术语,“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构图和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型提供了一种双通道光纤SPR传感器，参照图1、图2，从左到右依次为输入多模光纤、腐蚀单模光纤、输出多模光纤；

输入多模光纤和输出多模光纤为多模光纤6，两个多模光纤包括多模光纤纤芯101和多模光纤透明包层1，多模光纤透明包层1包裹在多模光纤纤芯101的外周。

腐蚀单模光纤从左到右依次包括传输单模光纤、传感区、传输单模光纤；腐蚀单模光纤包括单模光纤纤芯102，以及包裹在单模光纤纤芯102外周的单模光纤透明包层；单模光纤透明包层分别包括位于单模光纤透明包层中中间区域的第一透明包层3，以及位于第一透明包层3两侧的第二透明包层2；第二透明包层2的外径大于第一透明包层3的外径，第一透明包层3外表面包覆有金属薄膜；因为两端的第二透明包层2的外径大于中间区域的第一透明包层3的外径，所以中间区域相对于两端区域形成一个凹槽区；在一个实施例中，通过腐蚀的方法，去除一段单模光纤透明包层中间预设区域的部分透明包层，形成腐蚀单模光纤，腐蚀单模光纤中两端未腐蚀的单模光纤透明包层部分为第二透明包层2，中间区域经腐蚀后外径小于第二透明包层2的部分为第一透明包层3；

即：传输单模光纤包括位于传输单模光纤中两端的两个第二透明包层2和第二透明包层2对应的单模光纤纤芯102的区域，两个第二透明包层2和各第二透明包层2所包覆的单模光纤纤芯102部分，构成位于腐蚀单模光纤中两端位置的传输单模光纤；传输单模光纤还包括包括第一透明包层3和第一透明包层3对应的单模光纤纤芯102的区域，第一透明包层3、包覆在第一透明包层3外表面的金属薄膜，以及第一透明包层3所包覆的单模光纤纤芯102部分，构成位于单模腐蚀光纤中中间位置的传感区；

单模光纤纤芯102的半径小于多模光纤纤芯101的半径，两个传输单模光纤的外侧端部通过熔接的方法和两个多模光纤的任一侧的端部一一对应连接，并且多模光纤纤芯101 和单模光纤纤芯102同轴；多模光纤透明包层1的外径和第二透明包层2的外径相等。在将两个多模光纤和腐蚀单模光纤进行连接时，多模光纤和腐蚀单模光纤的涂覆层均已除去，光纤连接端的断面均已切割平整，并且清洗干净，在熔接机上进行熔接时，机器会自动最准两段光纤纤芯的轴心进行熔接，对准度越好，光的传输损耗越低。

第一透明包层3的外周包覆的金属薄膜为金膜4和银膜5，金膜4的边缘与银膜5的边缘相连接，金膜4与银膜5相连整体包覆于第一透明包层3外表面，且金膜4与银膜5 相对接的边缘贯穿腐蚀单模光纤中传感区的两端。；在一个实施例中，金膜4和银膜5分别包覆第一透明包层3的上半部分和下半部分；当金膜4和银膜5没有完全包覆传感区对应的第一透明包层3，或者金膜4和银膜5有部分的重叠时，也可以实现双通道光纤SPR 传感器8的功能，但分辨率低于金膜4和银膜5分别包覆第一透明层的上半部分和下半部分的双通道光纤SPR传感器8的分辨率。

在一个实施例中，参照图1、图2，左侧的多模光纤为输入多模光纤，长度为5-8cm；右侧的多模光纤为输出多模光纤，长度为5-8cm；腐蚀单模光纤两端的传输单模光纤，长度为1-2cm；中间凹槽区对应的传感区，长度为1-2cm；在凹槽上包裹的金膜4和银膜5 的长度为1-2cm。

本实用新型提供的双通道光纤SPR传感器，采用多模光纤-腐蚀单模光纤-多模光纤的结构，包括将卤钨灯发出的光进行输入的多模光纤、将倏逝场增强和发生SPR效应的腐蚀单模光纤和将光谱输出的多模光纤。卤钨灯发出的光通过输入多模光纤进入腐蚀单模光纤，因多模和单模光纤纤芯尺寸失配，多模光纤纤芯中的光会进入单模光纤的包层，来激发SPR 效应。产生SPR效应后，会在原本传输光的某两处波长处产生强烈的共振吸收峰，随着外界折射率的变化，引起金属膜有效折射率的变化，但纤芯有效折射率基本不变，有效折射率差值变大，共振峰发生红移，从而达到检测液体折射率的目的；传统的光纤传感器灵敏度较低，而本实用新型提供的双通道光纤SPR传感器通过在第一透明包层区域包覆上一层金属薄膜，提高了传感器的灵敏度；根据包覆的金膜和银膜的共振波长的不同，还可实现多通道的检测；使用腐蚀和纤芯失配技术来激发SPR效应，更有优势。

参照图3，使用本实用新型提供的双通道光纤SPR传感器9进行液体折射率的测试：

控制测量液体折射率的环境温度为25℃，将待测液体滴入双通道光纤SPR传感器9的传感区，接通卤钨灯7，让光束发出的360nm-2000nm的光经外接第一外接传输多模光纤8输入到输入多模光纤，再经传输单模光纤6输入到传感区，进入腐蚀单模光纤包层的光与银膜5和金膜4发生SPR反应。发生SPR反应后的光谱会经输出多模光纤6和第二外接传输多模光纤11输入到微型光纤光谱仪10。微型光纤光谱仪10得出的结果经USB 数据线13传送到电脑端12，将数据进行处理，得出待测量。一组数据测量完成后，用去离子水对传感区域进行清洗，晾干，继续下一组数据的测量。其中，外界待测液体折射率的增大会导致金属膜有效折射率也会增大，而纤芯有效折射率基本不变，折射率差值增加，共振峰发生红移，得到的光谱图如图4所示。

经灵敏度的拟合最后选择在1.31-1.36折射率范围内采用银通道，灵敏度为1907nm/RIU，在1.36-1.39折射率范围内采用金通道，灵敏度为3007.6nm/RIU。

本实用新型提供的双通道光纤SPR传感器，使用两种类型的光纤制成，材料成本低；对被腐蚀的透明包层部分包覆上包括金膜4和银膜5在内的金属膜，能够形成双通道检测，增加其量程；腐蚀让包层内更多的光产生倏逝波来参与SPR的激发，使传感器的灵敏度更高。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型提供的双通道光纤SPR传感器中传感区包覆的金属膜包括但不限于金膜4和银膜5，也可以是其他折射率会随着入射光波长的变化而变化的高折射率材料，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种双通道光纤SPR传感器，其特征在于，包括腐蚀单模光纤、两个多模光纤；

各多模光纤分别包括多模光纤纤芯(101)，以及包裹在所述多模光纤纤芯(101)外周的多模光纤透明包层(1)；腐蚀单模光纤包括单模光纤纤芯(102)、以及包裹在单模光纤纤芯(102)外周的单模光纤透明包层；所述单模光纤透明包层包括对应于单模光纤纤芯(102)中间预设段的第一透明包层(3)，以及分别对应中间段两侧各段的第二透明包层(2)；所述第二透明包层(2)的外径大于第一透明包层(3)的外径；所述第一透明包层(3)外周包覆有金属薄膜；

两个第二透明包层(2)和各第二透明包层(2)所包覆的单模光纤纤芯(102)部分，构成位于腐蚀单模光纤中两端位置的传输单模光纤；第一透明包层(3)、包覆在第一透明包层(3)外表面的金属薄膜以及第一透明包层(3)所包覆的单模光纤纤芯(102)部分，构成位于单模腐蚀光纤中中间位置的传感区；

单模光纤纤芯(102)的半径小于多模光纤纤芯(101)的半径，两个传输单模光纤的外侧端部和两个多模光纤的任一端部一一对应连接；多模光纤纤芯(101)和单模光纤纤芯(102)同轴设置。

2.根据权利要求1所述的双通道光纤SPR传感器，其特征在于，所述多模光纤透明包层(1)的外径和所述第二透明包层(2)的外径相等。

3.根据权利要求1所述的双通道光纤SPR传感器，其特征在于，所述金属薄膜包括金膜(4)和银膜(5)；金膜(4)的边缘与银膜(5)的边缘相连接，金膜(4)与银膜(5)相连整体包覆于第一透明包层(3)外表面，且金膜(4)与银膜(5)相对接的边缘贯穿腐蚀单模光纤中传感区的两端。

4.根据权利要求3所述的双通道光纤SPR传感器，其特征在于，所述金膜(4)和所述银膜(5)各包覆第一透明包层(3)的一半区域。

5.根据权利要求1至4任一项所述的双通道光纤SPR传感器，其特征在于，所述多模光纤和传输单模光纤通过熔接的方式相连接。

6.根据权利要求1至4任一项所述的双通道光纤SPR传感器，其特征在于，各多模光纤的长度为5-8cm，各传输单模光纤的长度为1-2cm，传感区的长度为1-2cm。

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