基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供的是一种基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置及测量方法。传感器包括宽谱光源、光纤连接器、普通单模光纤、高双折射镀膜光子晶体光纤及光谱仪。通过在光谱仪中检测到的表面等离子体共振波谱来判断高双折射镀膜光子晶体光纤的外界温度及压力；压力一定时，当传感器的外界温度增大时，共振波长减小；外界温度减小时，共振波长增大。温度一定时，当传感器的外部施加压力增大时，共振波长增大；外部施加压力减小时，共振波长减小；将光源换成波长在表面等离子体共振波长附近的光源，用损耗谱分析法确定发生表面等离子体共振的位置。可实现一次性同时对外界温度压力进行分析和检测。

【技术实现步骤摘要】
基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置及测量方法
本专利技术涉及的是一种温度压力一体化传感装置，本专利技术也涉及的是一种温度压力测量方法。特别是一种基于高双折射光子晶体光纤表面等离子体共振的温度压力一体化传感装置及其测量方法。
技术介绍
表面等离子体共振(SurfacePlasmonResonance，SPR)是近年来非常热门的新型光学传感技术，因其具有无需标识、灵敏度高、抗电磁干扰、可实时监测等优点，在生物医学、环境污染、食品安全、石油化工等众多领域应用前景广阔。近年来，随着光纤拉制技术的不断成熟，光纤表面等离子体共振传感器兼具对外界介质折射率微小变化极其敏感和器件微型化,尤其是在高温、易燃易爆、高压、强电磁干扰的情况下正常工作的特点，已成为国际传感技术与纳米材料交叉领域的前沿研究热点，引起了科研人员的密切关注。然而，光纤传感器主要采用普通光纤作为敏感元件，存在耦合损耗大、保偏性差和易引起交叉敏感等缺点，特别是纤芯导模与表面等离子体模相位匹配困难，严重阻碍光纤表面等离子体谐振现象的产生，为了解决这一核心问题，科研工作者把目光转向了新一代传光介质—光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber，PCF)。从1996年世界上制造出第一根光子晶体光纤以来，它便受到了广泛关注并成为近年来光学与光电子学研究的热点。基于光子晶体光纤的表面等离子体共振技术，因其纤芯折射率能够进行灵活设计和调控，易与表面等离子体模实现相位匹配而激发SPR现象，受到科研人员的密切关注。2006年，A.Hassani和M.Skorobogatiy等人首次提出了基于微结构光纤SPR传感器的设计原则，由于纤芯和包层中周期性排列的孔洞内充满空气，可显著降低纤芯导模的有效折射率，这一特点可实现光子晶体光纤SPR纤芯导模的灵活设计和调控，使之易与表面等离子体模相位相匹配。文献(AppliedOptics,51(26)(2012)6361-6367)提出并实现了一种基于选择性液体填充光子晶体光纤的温度传感器，实验首次证实了放射状混合光子晶体光纤中类带隙作用的存在。文献(JournalofPhysics:ConferenceSeries，276(1)(2011)12102-12108)中介绍了镀有银膜的光子晶体光纤压力传感器，实验已表明高双折射光子晶体光纤有高灵敏的压力传感能力。专利CN105371981A提出了一种内壁镀银液晶填充空心光纤表面等离子体共振温度传感器，空心玻璃光纤的内部镀银，在镀银的空心玻璃光纤内部填充液晶，能够实现实时动态监测微小温度变化，适合长距离传输。但以上光子晶体光纤SPR传感器均只完成了单一SPR的检测，一次只能对一种性质进行检测，这在一定程度限制了它的应用。在现有技术中，公开号为CN202267563U的专利文件中提供了一种利用电原理测量温度和压力的传感器，不仅同时测量温度和压力，而且通过不锈钢膜片实现对压力感应芯片的隔离，扩大了适用范围，但由于热传导过程较长，热损耗较大，所以测出的介质温度与实际温度有温度差，测量结果不精确。公开号为CN201795879U的专利文件中公开的技术方案虽然精度较高，但是必须进行灌封保证产品的密封性，灌封工艺复杂，导致生产效率低下。公开号为CN105466483A的专利文件中公开的技术方案需要在狭小的空间内同时设置紧邻的热敏电阻、PCB板和压力芯片的敏感器件，此类传感器虽然精度高，但是不可实时抗电磁干扰和在线检测，限制了其应用范围。与传统电学传感器相比，光纤传感器有着很多无可比拟的优势，这些包括抗电磁干扰、耐化学腐烛、体积小、远距离测量能力、大容量复用能力、分布式准分布式传感能力等等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种体积小、结构简单，测量精度高、抗电磁干扰，能够实现对外界温度和压力同时检测的基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置。本专利技术的目的还在于提供一种基于基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置的测量方法。本专利技术的基于基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置包括宽谱光源1、光纤连接器2、普通单模光纤3、高双折射镀膜光子晶体光纤4、光谱仪5及计算机6，所述宽谱光源通过光纤连接器与普通单模光纤的一端连接，普通单模光纤的另一端利用光纤耦合器与高双折射镀膜光子晶体光纤的一端耦合连接，高双折射镀膜光子晶体光纤的另一端经另外一根普通单模光纤进入光谱仪与计算机相连，所述高双折射镀膜光子晶体光纤的纤芯内部沉积金属薄膜7，纤芯中还填有热敏液体8。本专利技术的基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置还可以包括：1、所述金属薄膜是采用金、银、铜或铝制备的厚度为30～50nm的膜，形成表面等离子体共振的传感层。2、所述热敏液体是酒精和氯仿体积比为1：1的热敏混合液体。3、高双折射镀膜光子晶体光纤的两端口进行封端处理。4、所述宽谱光源为波长在400～2400nm范围内连续变化的超连续谱光纤激光器。5、所述光谱仪为检测波长范围400～2400nm光强的光谱仪，检测灵敏度小于1nm。具有本专利技术的基于基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置的检测方法为：将高双折射镀膜光子晶体光纤同时放在温度和压力控制装置上，用光谱仪采集此光谱，在光谱仪中测得的波谱只会有一个吸收峰，如果外界温度和压力发生改变时，则会在光谱仪中检测到多个吸收峰，在观察到有多个吸收峰的情况下，使用对应的共振波长附近的光源作为入射光源，再用损耗谱分析法测得发生表面等离子体共振的位置；通过标定曲线由共振波长得到所测外界温度和压力。调整光谱仪的检测波长范围为400～2400nm，当外界无压力作用时，通过温控装置，控制高双折射镀膜光子晶体光纤内混合热敏液体注入段的温度，由公式neff＝Re(neff)+jIm(neff)和获得有效折射率与传输损耗的关系，利用光谱仪测量得到不同温度下高双折射镀膜光子晶体光纤传输损耗谱作为温度参考光谱，其中Re(neff)表示有效折射率的实部，Im(neff)表示有效折射率的虚部，λ为波长，α与Im(neff)成正比关系，即α＝8.686×k0·Im(neff)；公式n＝nliquid+(dn/dT)(T-T0)求得填充的热敏液体的折射率随温度的变化；当外界温度不变时，通过压力控制装置，控制高双折射镀膜光子晶体光纤内混合热敏液体注入段的压力，用光谱仪测量得到不同压力下高双折射镀膜光子晶体光纤传输损耗谱作为压力参考光谱，损耗峰强度随温度的增大而逐渐增大，即激发的表面等离子体共振强度逐渐增强，损耗谱的变化由于弹光效应，在应力的作用下，光纤的几何形状发生改变从而引起光纤折射率的改变，而折射率的改变引起光信号谐振波长的改变，由此得到在压力作用下共振波长的漂移量即检测出光纤外部施加的压力的变化。本专利技术提供了一种体积小、结构简单，测量精度高、抗电磁干扰，能够实现对外界温度和压力同时检测的高双折射光子晶体光纤表面等离子体共振传感装置。本专利技术还在于提供了一种基于高双折射光子晶体光纤表面等离子体共振的温度压力一体化传感装置的测量方法。本专利技术的基于高双折射光子晶体光纤表面等离子体共振的温度压力一体化传感装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置，包括宽谱光源(1)、光纤连接器(2)、普通单模光纤(3)、高双折射镀膜光子晶体光纤(4)、光谱仪(5)及计算机(6)，所述宽谱光源通过光纤连接器与普通单模光纤的一端连接，普通单模光纤的另一端利用光纤耦合器与高双折射镀膜光子晶体光纤的一端耦合连接，高双折射镀膜光子晶体光纤的另一端经另外一根普通单模光纤进入光谱仪与计算机相连，其特征是：所述高双折射镀膜光子晶体光纤的纤芯内部沉积金属薄膜(7)，纤芯中还填有热敏液体(8)。

【技术特征摘要】
1.一种基于基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置，包括宽谱光源(1)、光纤连接器(2)、普通单模光纤(3)、高双折射镀膜光子晶体光纤(4)、光谱仪(5)及计算机(6)，所述宽谱光源通过光纤连接器与普通单模光纤的一端连接，普通单模光纤的另一端利用光纤耦合器与高双折射镀膜光子晶体光纤的一端耦合连接，高双折射镀膜光子晶体光纤的另一端经另外一根普通单模光纤进入光谱仪与计算机相连，其特征是：所述高双折射镀膜光子晶体光纤的纤芯内部沉积金属薄膜(7)，纤芯中还填有热敏液体(8)。2.根据权利要求1所述的基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置，其特征是：所述金属薄膜是采用金、银、铜或铝制备的厚度为30～50nm的膜，形成表面等离子体共振的传感层。3.根据权利要求1所述的基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置，其特征是：所述热敏液体是酒精和氯仿体积比为1：1的热敏混合液体。4.根据权利要求1所述的基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置，其特征是：高双折射镀膜光子晶体光纤的两端口进行封端处理。5.根据权利要求1所述的基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置，其特征是：所述宽谱光源为波长在400～2400nm范围内连续变化的超连续谱光纤激光器。6.根据权利要求1所述的基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传感装置，其特征是：所述光谱仪为检测波长范围400～2400nm光强的光谱仪，检测灵敏度小于1nm。7.一种基于权利要求1所述的基于高双折射光子晶体光纤表面等离子共振的温度压力一体化传...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪发美，孙志洁，刘超，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23