基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器及检测方法技术

本发明专利技术属于光纤传感技术领域，涉及基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器及检测方法。传感器包括空芯光纤、银膜和温度敏感材料，空芯光纤两端面是光滑的，空芯光纤内壁镀有银膜，空芯光纤内部的银膜外填充温度敏感材料，所述的温度敏感材料为聚二甲基硅氧烷。本发明专利技术采用空芯光纤作为传感光纤，利用空芯光纤的内通道作为测量通道，实现了纤内测量，相对于传统的外通道纤外测量的光纤传感器，一体化更好，体积大大缩小，敏感材料填充在空芯光纤内部不易脱落，加强了传感器的机械强度，为多参数传感器的制作提供了可能。聚二甲基硅氧烷还使空芯光纤内部的银膜隔绝了氧气，防止银膜被氧化，延长了传感器的使用寿命，使传感器性能更加稳定。

In-Fiber Temperature Sensor and Detection Method Based on Hollow Fiber Surface Plasmon Resonance

【技术实现步骤摘要】
基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器及检测方法
本专利技术属于光纤传感
，涉及基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器及检测方法。
技术介绍
温度测量在环境监测、生化生产等日常生活中具有重要的应用，例如监测大气温度可以研究气候变化；严格控制工业生产中的温度对产品性能有着重要意义[RongQ,SunH,QiaoX,etal.Aminiaturefiber-optictemperaturesensorbasedonaFabry–Perotinterferometer[J].Journalofoptics,2012,14(4):045002.]。目前大多数温度传感器都属于电学传感器，这类传感器发展成熟，应用广泛，但是容易受到电磁干扰的影响。而近些年来飞速发展的光纤传感技术为新型温度传感器的制备提供了可能。光纤传感器具有灵敏度高，体积小等优点，特别是具有免疫电磁干扰的特性。[KrohnDA,MacDougallT,MendezA.Fiberopticsensors:fundamentalsandapplications[M].Bellingham,WA:SpiePress,2014.]。光纤温度传感器目前主要有光纤布拉格光栅型传感器、干涉型传感器和(表面等离子体共振型传感器。光纤布拉格光栅型光纤温度传感器通过观测布拉格波长随温度变化的移动来实现测温，这种传感器制作简便，但是灵敏度较低[LiC,LiaoC,WangJ,etal.FemtosecondlasermicroprintingofapolymerfiberBragggratingforhigh-sensitivitytemperaturemeasurements[J].Opticsletters,2018,43(14):3409-3412.]。干涉型光纤温度传感器虽然可以实现高灵敏度测温，但是通常这类传感器测温范围较小[BaiY,QiY,DongY,etal.HighlysensitivetemperatureandpressuresensorbasedonFabry–Perotinterference[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2016,28(21):2471-2474.]。光纤表面等离子体共振型传感器相对于前两种传感器来说，不仅具有较高的灵敏度，而且还有着更大的测温范围，除此之外光纤表面等离子体共振传感器具有多样性的结构。光纤表面等离子体共振传感器基于表面等离子体共振原理，表面等离子体共振通常发生在金属层表面和周围介质表面。在这种情况下，输入光将产生能量损失，这将导致输出频谱共振下降，出现共振波谷，也称作谐振谷，此时谷底最低点对应的波长称为谐振波长[HaddoucheI,CherbiL,FerhatML.Analyticalmodelizationofafiberoptic-basedsurfaceplasmonresonancesensor[J].OpticsCommunications,2017,402:618-623.]。表面等离子体共振对于外界介质折射率的变化很敏感，并且具有较高的灵敏度。通常光纤表面等离子体共振传感器常与各类敏感膜材料相结合实现各种生化的测量。对于光纤表面等离子体共振温度传感器来说，Y.Wang等人[WangY,HuangQ,ZhuW,etal.Novelopticalfiber表面等离子体共振temperaturesensorbasedonMMF-PCF-MMFstructureandgold-PDMSfilm[J].Opticsexpress,2018,26(2):1910-1917.]利用聚二甲基硅氧烷作为温度敏感膜涂敷在光纤表面等离子体共振传感器外来实现温度测量，灵敏度达到了-1.551nm/℃，但是这种利用外通道作为测量通道的传感器机械强度普遍较弱，而且将敏感膜镀在光纤外表面大大增加了传感器的体积。除此之外，敏感膜容易脱落，影响稳定性，甚至造成传感器无法正常工作。而且目前表面等离子体共振温度传感器基本都利用光纤外表面作为外通道来实现温度测量，有一定的局限性。综上，基于光纤的温度测量传感器目前仍存在灵敏度低、机械强度差、测量通道单一等问题，而对于光纤表面等离子体共振温度传感器来说，如何解决敏感膜与光纤结合的问题非常重要。最为关键的是，当前对于温度测量的光纤传感器的性能仍没有达到理想的程度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服目前基于光纤的温度测量传感器不足之处，提出一种制备工艺简单、成本低、结构稳定的基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器。本专利技术的具体技术方案为：基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，该在纤式温度传感器包括空芯光纤31、银膜32和温度敏感材料，空芯光纤31两端面是光滑的，空芯光纤31内壁镀有银膜32，空芯光纤31内部的银膜32外填充温度敏感材料33，所述的温度敏感材料为聚二甲基硅氧烷。一种基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器检测方法，光源4发出的光经光纤连接线2传输至空芯光纤31处，光在空芯光纤31内外壁之间反射并向前传播，内壁上的银膜32激发产生表面等离子体共振。由于银膜32外的空芯光纤31内部填充了聚二甲基硅氧烷，输出表面等离子体共振光谱将会产生谐振波长随着温度变化的谐振谷，最后，光信号通过另一端的光纤连接线2进入光谱仪1，并将数据传输至电脑5来观察输出表面等离子体共振图谱的变化；当温度变化时，会改变银膜32外聚二甲基硅氧烷的折射率，使谐振谷的谐振波长发生移动，因此，通过谐振谷谐振波长的移动量即可反推出温度。进一步地，空芯光纤31参数为：长20mm，内径450μm，外径670μm。进一步地，在纤式温度传感器的制备流程为：首先用光纤研磨机将空芯光纤31两端研磨光滑，随后利用注射器将SnCl2溶液填充至两端研磨光滑的空芯光纤31内来敏化空芯光纤31内壁，然后将SnCl2溶液冲洗干净并吹干空芯光纤31内壁待用；随后利用化学方法来将空芯光纤31内壁镀上银膜32；最后配置聚二甲基硅氧烷，利用注射器将其填充至空芯光纤31内，待其固化以后，完成传感单元3的制作。进一步地，上述银膜32制备流程为：首先向0.1mol/L的AgNO3溶液中逐滴加入体积分数为20％的氨水，边滴加边搅拌，使溶液由澄清无色变浑浊再变成澄清无色；随后加入0.8mol/L的KOH，溶液变为褐色，0.1mol/L的AgNO3溶液与0.8mol/L的KOH的用量体积比例关系为10:7；接下来再逐滴加入体积分数为20％的氨水使溶液变为澄清透明，完成银氨溶液的配置。然后用纯水按照1:6的体积比将配好的银氨溶液进行稀释后，加入0.25mol/L的葡萄糖溶液，银氨溶液与葡萄糖溶液的体积比为5:2；最后将混合溶液快速填充至空芯光纤31内部，50s后将空芯光纤31内部溶液冲干，完成银膜32制备。传感器温度对应的谐振谷的谐振波长λT与温度变化的关系可以表示为：λT＝-1.05T+582.64(1)。从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果：1)本专利技术提出的这种基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，继承了传统光纤传感器所具有的本质安全、免疫电磁干扰、耐高温高压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，其特征在于，该在纤式温度传感器包括空芯光纤(31)、银膜(32)和温度敏感材料，空芯光纤(31)两端面是光滑的，空芯光纤(31)内壁镀有银膜(32)，空芯光纤(31)内部的银膜(32)外填充温度敏感材料(33)，所述的温度敏感材料为聚二甲基硅氧烷。

【技术特征摘要】
1.基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，其特征在于，该在纤式温度传感器包括空芯光纤(31)、银膜(32)和温度敏感材料，空芯光纤(31)两端面是光滑的，空芯光纤(31)内壁镀有银膜(32)，空芯光纤(31)内部的银膜(32)外填充温度敏感材料(33)，所述的温度敏感材料为聚二甲基硅氧烷。2.根据权利要求1所述的基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，其特征在于，空芯光纤(31)参数为：长20mm，内径450μm，外径670μm。3.根据权利要求1或2所述的基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，其特征在于，在纤式温度传感器的制备流程为：首先用光纤研磨机将空芯光纤(31)两端研磨光滑，随后注射器将SnCl2溶液填充至两端研磨光滑的空芯光纤(31)内来敏化空芯光纤(31)内壁，然后将SnCl2溶液冲洗干净并吹干空芯光纤(31)内壁待用；随后利用化学方法来将空芯光纤(31)内壁镀上银膜(32)；最后配置聚二甲基硅氧烷，利用注射器将其填充至空芯光纤(31)内，待其固化以后，完成在纤式温度传感器的制作。4.据权利要求1或2所述的基于空芯光纤表面等离子共振的在纤式温度传感器，其特征在于，银膜(32)制备流程为：首先向0.1mol/L的AgNO3溶液中逐滴加入体积百分比为20％的氨水，边滴加边搅拌，使溶液由澄清无色变浑浊再变成澄清无色；随后加入0.8mol/L的KOH，溶液变为褐色，0.1mol/L的AgNO3溶液与0.8mol/L的KOH的用量体积比例关系为10:7；接下来再逐滴加入体积百分比为20％的氨水使溶液变为澄清透明，完成银氨溶液的配置；然后用纯水按照1:6的体积比将配好的银氨溶液进行稀释后，加入0.25mol/L的葡萄糖溶液，银氨溶液与葡萄糖溶液的体积比为5:2；最后将混合溶液快速填...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚男，鄂思宇，赵勇，郑万禄，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21