基于近红外波段双峰PCF温度与应力双参量传感系统技术方案

本发明专利技术专利提供了基于近红外波段双峰PCF温度与应力双参量传感系统，它包括光源、单模光纤、传感单元、光谱分析仪、光电转化器、信号处理模块和计算机。利用表面等离子体共振原理，通过一个特殊结构的光子晶体光纤的两个共振峰的间距来检测温度与应力，结果在计算机中显示。本发明专利技术由双峰灵敏度公式来取代传统的波长灵敏度的计算方法，提出的新的传感装置采用了双峰灵敏度的传感方法，具有灵敏度高、设计灵活、结构紧凑、稳定性强等优点，在工业检测、水污染监控等实际使用的中具有更高的价值。水污染监控等实际使用的中具有更高的价值。水污染监控等实际使用的中具有更高的价值。

【技术实现步骤摘要】
基于近红外波段双峰PCF温度与应力双参量传感系统


[0001]本专利技术属于光纤传感
，具体涉及基于近红外波段双峰PCF温度与应力双参量传感系统。

技术介绍

[0002]表面等离子体共振(SPR)存在于金属和介质(或空气)之间，利用全反射倏逝波激发表面等离子体极化激元(SPP)。SPR传感技术因其灵敏度高、无背景干扰、样品无标签、无需进一步纯化、实时快速检测等特点，已经成为监测分析物的折射率、过滤特定频率的光和检测纳米生物膜的形成的多功能工具。近年来，基于光子晶体光纤(PCF)的SPR传感器的概念已被提出。光子晶体光纤的特点是其设计的灵活性，因此可以通过不同的气孔布置来定制色散、双折射、非线性等。这些方面使得光子晶体光纤在许多领域特别引人注目，并在基于气体的非线性光学、原子和粒子制导、超高非线性、掺稀土激光和传感等领域有广泛的应用。PCF
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SPR传感器可以实现等离子体模式和基模模式的完美匹配，因为基模的有效折射率可以设计为零到核心材料的折射率之间，在折射率检测方面具有很高的灵敏度和分辨率。克服了基于棱镜和传统光纤的SPR传感器体积大、传输损耗高、灵敏度低的缺点，目前PCF
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SPR传感器的结构很多。
[0003]J.J.Wu等人(J.J.Wu,S.G.Li,M.Shi,X.X.Feng,Photonic crystal fiber temperature sensor with high sensitivity based on surface plasmon resonance,Optical Fiber Technology,2018,43:90
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94)提出一种基于SPR的PCF温度传感器，采用金属金作为SPR激发材料，测量温度范围为10
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85℃(折射率范围为1.336
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1.3696)，但是灵敏度过低；N.Chen等人(N.Chen,M.Chang,X.L.Lu,J.Zhou and X.D.Zhang,Numerical Analysis of Midinfrared D
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Shaped Photonic
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Crystal
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Fiber Sensor based on Surface
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Plasmon
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Resonance Effect for Environmental Monitoring,Applied Sciences,2020,10(11):3897)提出一种工作在近红外波段(2.9
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3.6μm)、用于环境监测的基于SPR效应的D型PCF折射率传感器，分析物与金层直接接触，而且环绕整个D型PCF，而不是只接触抛光面，包层材料是硅，包层中的三层气孔按照六边形晶格排列；M.N.Sakib等人(M.N.Sakib,M.B.Hossain,K.F.Al
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tabatabaie,I.M.Mehedi,M.T.Hasan,M.A.Hossain,I.S.Amiri,High Performance Dual Core D
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Shape PCF
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SPR Sensor Modeling Employing Gold Coat,Results in physics,2019,15:102788)提出采用金涂层、固体双芯的D型PCF
‑
SPR传感器，分析物折射率范围为1.45
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1.48，两个固体纤芯与y轴对称，双芯能量与金属层能量耦合较困难，适用的探测范围较窄；S.Singh等人(S.Singh,Y.K.Prajapati,Highly sensitive refractive index sensor based on D
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shaped PCF with gold
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graphene layers on the polished surface,Applied Physics A,2019,125:437)提出一种在抛光表面涂有金和石墨烯层的D型PCF折射率传感器，在固体纤芯x方向放置两个大空气孔，研究x方向偏振光发生耦合时的限制损耗谱；沈涛等人(沈涛，王韶峰，张智文，梁涵，杨添宇，宋明歆，王东兴，一种基于SPR的D型光子晶体光纤温度传感装置及方法
CN202011302617.0)公开了一种可检测温度的D型PCF传感装置，涂覆Ag和Ta2O5薄膜，通过波长漂移来检测灵敏度。
[0004]以上已公开PCF
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SPR的检测方法都是基于某种耦合模式，检测单一损耗峰的共振波长与其漂移变化。但PCF
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SPR传感器是同时拥有多个耦合存在，只检测一个耦合模式的峰值是困难，不稳定的。因为在实际使用中存在无法区分具体耦合模式所对应的约束损耗峰和约束损耗峰的共振波长波动不稳定导致无法检测的问题，Ying Guo等人(Ying Guo,Jianshe Li,Xinyu Wang,Shuhuan Zhang,Yundong Liu,Jie Wang,Shun Wang,Xiaojian Meng,Rui Hao,Shuguang Li,Highly sensitive sensor based on D
‑
shaped microstructure fiber with hollow core,Optics and Laser Technology,2020,105922)提出了双峰检测光子晶体光纤传感器，分别检测两个峰的波长漂移量，同时拥有两个灵敏度，但是在检测的稳定性上依然存在问题。Gongli Xiao等人(Gongli Xiao,Zetao Ou,Hongyan Yang,Yanping Xu,Jianyun Chen,Haiou Li,Qi Li,Lizhen Zeng,Yanron Den and Jianqing Li,An Integrated Detection Based on a Multi
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Parameter Plasmonic Optical Fiber Sensor,Sensors 2021,21,803)提出双峰检测双参量光子晶体光纤传感器，通过两个耦合模式下的损耗峰同时检测两种参量，同样依据单峰的共振波长与共振波长漂移量来判断检测物的折射率与灵敏度，稳定性较低。以上PCF
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SPR传感器与本专利技术在对分析物状态的判别与灵敏度计算方法上有本质区别，且目前提出的高灵敏度传感器同样受限于光谱仪的性能，所以目前大多数PCF
‑
SPR传感器只存在于仿真理论，实际制造效果较差。所以提出一种新的切实可行的工作在近红外波段的PCF结构及检测方法是十分重要的。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术要解决的技术问题是提出基于近红外波段双峰PCF温度与应力双参量传感装置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于近红外波段双峰PCF温度与应力双参量传感系统，其特征在于：由光源(1)、单模光纤(2)、传感单元(3)、光谱分析仪(4)、光电转化器(5)、信号处理模块(6)和计算机(7)组成；所述传感单元(3)为光子晶体光纤(3
‑
1)；由包层(3
‑
2)、10个圆形空气孔(3
‑
3)、12个圆形空气孔(3
‑
4)、3个圆形空气孔(3
‑
5)、银膜(3
‑
6)和分析液(3
‑
7)构成；其特征在于：空气孔(3
‑
3)关于光纤y轴对称排列；空气孔(3
‑
4)位于空气孔(3
‑
3)与空气孔(3
‑
5)中间；空气孔(3
‑
5)位于包层(3
‑
2)最内层，呈三角形排列；银膜(3
‑
6)在包层(3
‑
2)与分析液(3
‑
7)交界处；所述的传感单元(3)，其特征在于：包层(3
‑
2)内空气孔间距Λ为2μm，包层(3
‑
2)直径为15μm，空气孔(3
‑
3)直径为1.5μm，空气孔(3
‑
4)直径为0.6μm，空气孔(3
‑
5)直径为2μm；银膜(3
‑
6)厚度为40nm；包层材料为二氧化硅，其折射率由Sellmeier公式定义；所述的银膜(3
‑
6)利用射频磁控溅射方法涂覆；采用堆叠
‑
拉丝技术制备光子晶体光纤(3
‑
1)，光子晶体光纤(3
‑
1)长度为20mm，具体制备方法为：首先对二氧化硅套管进行预处理，在超净环境下按照参数拉制毛细管，拉制温度为1900℃
‑
2000℃，之后对毛细管两端用氢氧焰进行拉锥封孔，在二氧化硅套管中将毛细管按照设计要求堆积形成所需的结构，用纯二氧化硅棒对空隙进行填充，利用氧炔火焰将二氧化硅套管与毛细管烧结在一起，在拉丝塔上使用两次拉丝技术制成光子晶体光纤；所述分析液(3
‑
7)为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，温度的变化会改变PDMS的折射率，PDMS热光系数为
‑5×
10
‑4/℃，而应力的变化会改变光子晶体光纤(3
‑
1)的包层(3
‑
2)的折射率，所以可以达到双参量测量的目的；所述光源(1)输出750
‑
2000nm波段的光信号；所述光谱分析仪(4)可检测光信号通过传感单元(3)后的光谱变化；所述光电转化器(5)将光信号转化为电信号并输出至信号处理模块(6)；所述信号处理模块(6)将电信号解码并输出至计算机(7)；所述计算机(7)用于显示测量环境的温度与应力；所述的基于近红外波段双峰PCF温度与应力双参量传感系统，其特征在于：光源(1)发射光信号经过单模光纤(2)传输到传感单元(3)，传感单元(3)输出至光谱分析仪(4)与光电转化器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈涛，张智文，杨添宇，武煜航，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：