一种基于双D型结构的具有温度补偿功能的折射率传感器制造技术

本发明专利技术提供的是一种基于双D型结构的具有温度补偿功能的折射率传感器。它由宽谱光源1、双D型光纤2、光谱分析仪3、隔离器4以及分析系统5组成。宽谱光源1输出的光信号在光纤2的侧抛区域所镀金属膜附近产生SPR现象，双D型的两端侧抛区域，一端用于折射率的测量，另一端涂有只对温度敏感的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，用于对折射率测量区进行温度补偿且温补区域对折射率测量不敏感。本发明专利技术传感器双D型的特殊结构，具有整体性，可对测折射率一端产生良好的温度补偿，并且可推出温度补偿的关系式；本发明专利技术结构简单紧凑，具有较好的温度补偿的效果，可应用于环境及生化方面的高精度检测。可应用于环境及生化方面的高精度检测。可应用于环境及生化方面的高精度检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双D型结构的具有温度补偿功能的折射率传感器
(一)

[0001]本专利技术涉及的是一种基于双D型结构的具有温度补偿功能的折射率传感器，可用于在测量折射率时对产生的温度影响进行补偿，使检测更加准确，属于光纤传感

(二)
技术介绍

[0002]目前对于折射率测量的方式越来越多种多样，但无可避免的是在测量时会受到外界因素的影响，对于测量精度以及准确性会产生巨大影响，而在外界因素中对折射率影响主要的就是温度影响，所以这也是本专利技术所要解决的问题。对于温度补偿方式，现在存在如下的方法，如利用光纤光栅、各种算法，基于表面等离子体共振的双通道传感等。
[0003]光纤中表面等离子体共振(SPR)是指，当光从折射率较大的纤芯入射到折射率较小的包层界面处时，在满足入射角大于临界角的条件下，纤芯与包层的界面处可发生全反射，由于全反射发生时传输光并不是全部返回高折射率的纤芯区域，而是部分进入到包层区域约一个波长量级的深度，并沿着纤芯与包层的界面继续向前传播一段波长量级的距离最后再返回纤芯，这个沿界面传播的电磁波为倏逝波，当金属界面的表面等离子体与入射光激发的倏逝波符合相位匹配并且传播方向一致的条件时，就会激发光纤SPR效应，在光纤反射光谱中出现一个明显的损耗峰，也就是共振吸收峰，而此时的波长即共振波长。
[0004]现有温度补偿折射率传感器，对于折射率的灵敏度还可加强且折射率的温度补偿部分效果不理想，这令温度补偿校正部分存在很大缺陷，并且大多数温度补偿传感器的结构复杂，制备繁琐，不利于大规模制备利用。/>[0005]专利CN 202011441396.5公开了一种温度补偿型聚合物光纤SPR传感器，提出了将塑料光纤进行侧抛，最后采用离子溅射的方式在两个抛磨面上分别镀上金纳米颗粒，最后在其中一个镀膜抛面附上PDMS薄膜，从而构成温度补偿单元的工艺流程。但它主要是提出了侧抛工艺，对于温补的效果以及整体传感器的性能并未提及和优化。
[0006]专利CN 202111555937.1公开了一种基于毛细管的带有温度补偿的光纤SPR传感器，提出了利用石英多模光纤和石英毛细管提供一种带有温度补偿的光纤SPR传感器，虽然它也可以对于折射率进行温度补偿，但是透射峰深度为0.55以上，且半峰宽较宽，而本专利技术的透射峰半峰宽分别控制在45～70nm和45～140nm。
[0007]专利CN 202111357826.X公开了一种SPR光纤折射率传感器和制备方法及应用，提出了异质双悬挂芯光纤包括一个空气孔、一根小悬挂纤芯、一根大悬挂纤芯和一个包层；小悬挂纤芯和大悬挂纤芯分别紧贴在空气孔的内壁上；异质双悬挂芯光纤上设置有包层经抛磨形成的第一抛磨区域；第一抛磨区域位于小悬挂纤芯一侧，且抛磨平面与两悬挂纤芯中心连线垂直；第一抛磨区域的抛磨平面上镀有金属薄膜作为第一传感通道；第一抛磨区域所处光纤段的空气孔中填充有液体，形成第一液柱，本质上还是应用了双通道传感的形式，该光纤制备复杂，也只能测量1.444以上的大折射率液体，应用范围较窄，对于温补效果也并未提及，而本专利技术的传感器温度补偿范围为15～85℃，温度补偿灵敏度为
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3.49nm/℃，折射率测量范围在1.33～1.35内。
[0008]专利CN 202110589948.5公开了一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器，提出了通过将宽带光源输出的宽带激光通过滤波器限定在特定波长后输入到传感单元中，当溶液浓度发生变化时，溶液折射率同时发生变化，从而导致传感单元的有效折射率改变，致使光谱波长发生漂移，同时涂覆在传感单元上的氧化石墨烯膜层会提升该传感器的传感性能，并且因为能够做到温度与溶液浓度双参数测量，但是该专利技术整体系统十分复杂，制备较难，实际应用困难，而且并未指出可实现的测量以及温补效果。
[0009]专利CN 201921771164.9公开了一种基于拉锥光子晶体光纤型的光纤湿度传感系统，提出了在涂覆聚酰亚胺后的拉锥光子晶体光纤型传感器部分与外界作用，再经光纤布拉格光栅进行温度补偿,最后经光谱仪得到传感后的干涉谱，该专利技术整体系统复杂，且温补效果并未表明。
[0010]专利CN 201910405866.3公开了一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，提出了一种温度补偿的光子晶体光纤甲烷传感装置，其光纤包层由石英和正六边形规则排列的空气孔组成，最内层为6个涂覆甲烷敏感薄膜的大孔，第二层空气孔中选择上、下两气孔并填充特定负折射率温度系数材料，进而进行温度补偿。但是其温度灵敏度分别为0.47nm/℃和0.57nm/℃，性能并不优异，对于传感器温度补偿的性能有待提高，并且光子晶体光纤制备繁琐，不易广泛使用。
[0011]专利CN 201820420685.9公开了一种基于石墨烯复合膜的双D型光纤传感器，探究了石墨烯加入前与加入后，对于传感器性能的影响，但是，其并未说明可以进行温补操作，而且对于剩余包层的剩余量在0.3～0.5μm，剩余包层量越小，虽然会使透射率降低，但是不利于制备；相较而言，本专利技术金银膜的膜厚匹配也比其更为优良，且探究后得出石墨烯膜厚在4层以上，传感器的效果会下降。
[0012]文献“Bin Li,Fan Zhang,Xin Yan er al.Numerical Analysis of Dual
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Parameter Optical Fiber Sensor With Large Measurement Range Based on Surface Plasmon Resonance[J].IEEE Sensors Journal,2021,21(9).”提出了一种紧凑型双通道表面等离子共振(SPR)光纤传感器，可以实时测量液体折射率(RI)和环境温度。该传感器在无芯D形纤维的侧面涂有金属和聚二甲基硅氧烷(PDMS)：用于测量液体RI的通道被银膜覆盖，用于温度传感的通道被金膜和PDMS覆盖。但是，文章里所测的是双参量且分段测量，它所测的范围不能全部做温补测量，双峰不能独立，而本专利技术的灵敏度虽然不及，但是我们所做温补测量，是温补部分对于折射率不敏感的，不存在折射率对温度的串扰。
[0013]文献“Lu Liu,Zhihai Liu,Yu Zhang,Shutian Liu.Side
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Polished D
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Type Fiber SPR Sensor for RI Sensing With Temperature Compensation[J].IEEE Sensors Journal,2021,21(15).”提出了一种用于RI传感的温度补偿的侧面抛光D型光纤SPR传感器，将侧抛区域分为两个部分，镀上金膜再在温度补偿部分涂上PDMS用来检测温度，但是这个传感器的温补灵敏度
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2.41nm/℃，并不是很好而且侧抛部分分为两部分进行测量RI并且补偿温度的操作要很精细才能达到效果，制备过于复杂。
[0014]文献“Lian Liu,Jie Zheng,本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双D型结构的具有温度补偿功能的折射率传感器，它由宽谱光源1、双D型光纤2、光谱分析仪3、隔离器4以及分析系统5组成；光纤2由金属膜201、金属膜202、二维材料层203以及温敏层204组成；宽谱光源1发出的光信号经隔离器4，将光信号输入到光纤2，在光纤2的侧抛区域形成倏逝场进入金属薄膜，并与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发由金属薄膜表面传播的表面等离子体波，其中上方侧抛区域为折射率检测区，可进行折射率检测，下方区域为温度测量区，为折射率测量区域所受到的温度影响进行补偿；根据等离子体共振机理，透射出的光被光谱分析仪3接收后，在分析系统5中进行数据的筛选处理，所呈现的透射光谱可观察到两个分峰相对独立且半峰宽较窄的透射峰，两测量区域不会互相产生除温补外多余的串扰，可实现对折射率的高效温度补偿，令折射率的测量更加准确。2.根据权利要求1所述的一种双D型温度补偿的折射率传感器，其特征是，所述光纤2所镀金属膜201和202是贵金属金或者银的一种或两种的任意混合；光纤金属膜201，202厚度为30...

【专利技术属性】
技术研发人员：成煜，赵婉淇，熊民，田爽，苑立波，陈明，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：