基于光子准晶体光纤SPR的甲烷和氢气同步测量传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种同步测量传感器，具体涉及一种基于光子准晶体光纤SPR的甲烷和氢气同步测量传感器，光子准晶体光纤包层由按六重Penrose型准晶结构排布的两层空气孔，第一层为4个内层空气孔，其围绕的区域为纤芯；第二层为10个外层空气孔，其中最上方的两个空气孔为增补空气孔，空气孔的直径相同；光子准晶体光纤内部构造D型气体通道，在D型气体通道的水平面上镀银膜，在银膜外涂覆甲烷敏感层，在光子准晶体光纤外表面镀银膜，银膜表面涂覆氢气敏感层，金属层可以很好地实现SPR，敏感层具有很好的吸附和解析性；可同时检测多种气体，提高了传感器的利用率，结构简单，灵敏度较高。灵敏度较高。灵敏度较高。

【技术实现步骤摘要】
基于光子准晶体光纤SPR的甲烷和氢气同步测量传感器


[0001]本专利技术涉及一种同步测量传感器，具体涉及一种基于表面等离子体共振的光子准晶体光纤甲烷和氢气同步测量传感器。

技术介绍

[0002]表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是发生在金属和电介质界面处的一种物理光学现象。在产生SPR现象时，入射光的能量部分转移到表面等离子体激元中(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)，形成透射谱的凹陷。SPR对入射光参数以及环境介质折射率变化十分敏感，当周围环境折射率发生变化时，共振峰的位置也会发生变化。利用SPR检测气体浓度，改变气体浓度，对应的共振峰的位置会发生漂移，因此可以利用共振峰的漂移量来达到检测气体浓度的目的。在气体检测中，可将光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)与SPR相结合设计PCF
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SPR传感器，与以往的电阻式气体传感器相比，这类传感器受外界环境的影响较小，结构简单，体积小，可实时监测。
[0003]由于基于PCF
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SPR的传感器结构设计灵活、传感性能好等优点，近年来受到许多学者的关注。2018年，刘海等人设计了一种用于检测混合甲烷和氢气的超大侧孔PCF
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SPR传感器，测量甲烷的检测灵敏度为1.99nm/％，测量氢气的灵敏度为0.19nm/％；2019年，刘海等人又提出了一种基于光子晶体光纤长周期光栅的高灵敏度横向应力补偿甲烷传感器，甲烷的灵敏度可达6.39nm/％；2020年，魏方皓等人设计了一种基于D型PCF
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SPR甲烷传感器，平均灵敏度可达10nm/％。
[0004]光子准晶体光纤(Photonic Quasi
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crystal Fiber，PQF)是一种特殊的光子晶体光纤。与PCF相比，PQF在结构上不具备平移对称性，但有旋转对称性，在特性方面，PQF具有更大的模场面积、损耗特性灵活可控。故此，将PQF与SPR结合在一起，设计出的传感器体积小、灵敏度高、检测效果好。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种结构简单，易于制作，可同步测量多种气体浓度，在测量范围内具有较高灵敏度的光子准晶体光纤甲烷和氢气同步测量传感器。该传感器利用光纤内部D型通道以及光纤外部来同时检测两种气体，提高了传感器的利用率；传感器结构简单，避免向较小的空气孔内镀膜和填充待测气体，降低了镀膜难度，利于加工。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：一种基于光子准晶体光纤SPR的甲烷和氢气同步测量传感器，所述传感器为光子准晶体光纤，其包层由按六重Penrose型准晶结构排布的两层空气孔组成，第一层为4个内层空气孔，所包围区域为纤芯，第二层为10个外层空气孔，两层空气孔的直径相同；所述光子准晶体光纤内部设有D型通道，在D型通道的水平面上镀有银膜，在该处的银膜表面上涂覆有甲烷敏感薄膜，在光子准晶体光纤的外表面上镀有银膜，在该银膜的表面上涂覆有氢气敏感薄膜；所述光子准晶体光纤的材料为二氧化硅。
[0007]进一步的，所述光子准晶体光纤的直径为13μm，其晶格常数Λ为2.5mm，所述内层空气孔和外层空气孔的直径为1.58mm。
[0008]进一步的所述D型通道的高为2.17μm。
[0009]进一步的所述银膜的厚度为30nm。
[0010]进一步的所述甲烷敏感薄膜的厚度为500nm。
[0011]进一步的所述甲烷敏感薄膜由Cryptophane E和聚硅氧烷共同制备而成。
[0012]进一步的所述氢气敏感薄膜的厚度为250nm。
[0013]进一步的所述氢气敏感薄膜由Pd
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WO3制备而成。
[0014]进一步地，甲烷和氢气同步测量传感器的工作波长在近红外区域，当待测甲烷和氢气浓度发生变化时，相应敏感膜的折射率会发生变化，从而改变表面等离子体的共振强度，共振峰的位置也将发生变化，通过测量共振峰的位置变化得出甲烷和氢气的浓度。该传感器可实现甲烷和氢气的同步测量，甲烷和氢气的浓度测量范围均为0％
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3.5％。
[0015]本专利技术的有益效果：在实际当中往往存在有多种气体，因此，设计出了一个结构简单、可同步测量多种气体且灵敏度相对较高的传感器。一种新结构的PQF
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SPR传感器，该传感器不仅可实现甲烷和氢气的同步检测，而且结构简单，传感性能较好。在光纤内部设计一个较大的D型通道，在D型通道水平面镀银膜来激发SPR，在银膜表面涂覆甲烷敏感材料，用来检测甲烷气体，在光纤外表面镀银膜，银膜外涂覆氢气敏感材料，用来检测氢气，在甲烷和氢气浓度为0％
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3.5％范围内，对甲烷的最高灵敏度达到10nm/％，平均灵敏度达到8.81nm/％，对氢气的最高灵敏度达到0.8nm/％，平均灵敏度达到0.65nm/％。其主要优点如下：
[0016](1)、基于光子准晶体光纤SPR的甲烷和氢气同步测量传感器结构简单，易于制作，可实现传感器的微型化；
[0017](2)、基于光子准晶体光纤SPR的甲烷和氢气同步测量传感器在光纤内构造D
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型通道，利用D
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型通道与光纤外表面接触待测气体，可实现两种气体的同步测量，提高了光纤传感器的利用率；
[0018](3)、基于光子准晶体光纤SPR的甲烷和氢气同步测量传感器将金属膜镀在光纤外表面上，并将氢气敏感膜涂覆在银膜表面，与待测气体直接接触，降低了检测难度；
[0019](4)、基于光子准晶体光纤SPR的甲烷和氢气同步测量传感器在待测甲烷浓度为0％
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3.5％时，灵敏度高达10nm/％，在待测氢气浓度为0％
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3.5％时，灵敏度达到0.8nm/％。
附图说明
[0020]图1是本专利技术中光子准晶体光纤的横截面示意图；
[0021]图2是本专利技术中光子准晶体内层空气孔和外层空气孔的排布示意图；
[0022]图3是本专利技术中六重Penrose型准晶体结构的基本结构单元图；
[0023]图4是本专利技术中光子准晶体光纤传感器的Y偏振限制损耗谱与电场分布图(甲烷浓度为2.5％时限制损耗谱)；
[0024]图5是本专利技术中光子准晶体光纤传感器的X偏振限制损耗谱与电场分布图(氢气浓度为2.5％时限制损耗谱)；
[0025]图6是本专利技术中光子准晶体光纤传感器的不同甲烷浓度时基模的损耗谱图(甲烷
浓度为0％
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3.5％时限制损耗谱)；
[0026]图7是本专利技术中光子准晶体光纤传感器的不同氢气浓度时基模的损耗谱图(氢气浓度为0％
‑
3.5％时限制损耗谱)；
[0027]图8是本专利技术中光子准晶体光纤传感器甲烷和氢气浓度与共振波长位移的关系图(甲烷浓度为0％
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3.5％，氢气浓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光子准晶体光纤SPR的甲烷和氢气同步测量传感器，其特征在于：所述传感器为光子准晶体光纤，其包层由按六重Penrose型准晶结构排布的两层空气孔组成，第一层为4个内层空气孔(1)，所包围区域为纤芯(2)，第二层为10个外层空气孔(3)，两层空气孔的直径相同；所述光子准晶体光纤内部设有D型通道(4)，在D型通道(4)的水平面上镀有银膜(5)，在该处的银膜(5)表面上涂覆有甲烷敏感薄膜(6)，在光子准晶体光纤的外表面上镀有银膜(5)，在该银膜(5)的表面上涂覆有氢气敏感薄膜(7)；所述光子准晶体光纤的材料为二氧化硅。2.根据权利要求1所述的一种基于光子准晶体光纤SPR的甲烷和氢气同步测量传感器，其特征在于：所述光子准晶体光纤的直径为13μm，其晶格常数Λ为2.5μm，所述内层空气孔(1)和外层空气孔(3)的直径为1.58μm。3.根据权利要求1所述的一种基于光子准晶体光纤SPR的甲烷和氢...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘强，赵锦，孙宇丹，刘超，韩建，牟海维，吕靖薇，刘伟，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：