一种侧抛结构螺旋形塑料光纤SPR传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种侧抛结构螺旋形塑料光纤表面等离子体共振传感器，并提出了侧抛结构螺旋形塑料光纤探头的制备方法，属于光纤传感技术领域。所述的光纤传感探头的制备包括光纤螺旋塑形、抛磨、抛光和镀膜等四个步骤。本发明专利技术所提出的传感器由宽谱光源、侧抛结构螺旋形塑料光纤表面等离子体共振传感探头和光谱仪组成。本发明专利技术所提出的传感器除了具有折射率传感功能外，还能提供分辨率和测量范围灵活可调的多点液位测量，所制备的光纤传感探头具有结构紧凑、成本低、易制备等特点。易制备等特点。易制备等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种侧抛结构螺旋形塑料光纤SPR传感器及其制备方法
(一)

[0001]本专利技术属于光纤传感
，具体涉及一种侧抛结构螺旋形塑料光纤SPR传感器及其制备方法。
(二)
技术介绍

[0002]液位测量在燃料储存和生化处理等领域发挥着重要作用。光纤传感器具有如抗电磁干扰、无电检测和远程操作等特殊优势。因此，与传统的机械和电气测量技术相比，光纤传感器可以为导电性或腐蚀性液体和潜在的爆炸性环境提供安全可靠的液位测量方法。根据工作原理，光纤液位传感器可分为基于干涉的液位传感器、基于光栅的液位传感器、基于表面等离子体共振(SPR)的液位传感器。近年来，随着被测环境的日益复杂，对多参数光纤液位传感器的需求日益增加，以生物制药和环境监测为例，需要同时检测被测样品的量和RI。在上述的光纤液位传感器中，基于SPR的光纤液位传感器还对外部折射率(RI)的细微变化极为敏感，适合设计为测量RI和液位的多参数传感器。
[0003]迄今为止，大多数报道的多参数光纤SPR传感器都是基于石英光纤，这种光纤很脆，容易断裂，传感探头的制备工艺复杂。如反射式光纤尖端SPR传感器(如文献M.del C.Alonso
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Murias,J.S.Velazquez
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Gonzalez,and D.Monzon
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Hernandez,“SPR Fiber Tip Sensor for the Simultaneous Measurement of Refractive Index,Temperature,and Level of a Liquid,”J.Lightwave Technol.,vol.37,no.18,pp.4808
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4814,Sep.2019)。塑料光纤以其损耗低、重量轻、柔韧性好、纤芯尺寸大、操作方便、成本低等优点得到广泛认可，基于塑料光纤的SPR传感器具有很好的发展潜力。近年来，基于塑料光纤的SPR传感器的多参数测量得到了广泛研究。如基于微孔侧抛结构的塑料光纤SPR传感器(C.Teng et al.,“Plastic Optical Fiber Based SPR Sensor for Simultaneous Measurement of Refractive Index and Liquid Level,”IEEE Sensors J.,vol.22,no.7,pp.6677
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6684,Apr.2022.)，微孔结构的制作非常复杂，塑料光纤在钻孔后变得非常脆弱，此外，液体很难完全进出微孔，这将影响测量精度；基于侧面抛光的塑料光纤SPR传感器(C.Teng et al.,“Side
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Polish Plastic Optical Fiber Based SPR Sensor for Refractive Index and Liquid
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Level Sensing,”Sensors,vol.22,no.16,Art.no.16,Jan.2022.)，但是传感器的液位测量范围有限，难以调节。因此，开发一种结构和制备工艺简单，成本低廉，且分辨率和测量范围可调的基于塑料光纤的测量RI和液位的多参数SPR传感器具有重要意义。
(三)
技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种结构简单、制备工艺简单、成本低廉且分辨率和测量范围灵活可调的塑料光纤SPR传感器用于同时测量RI和液位。为解决上述问题，作为本专利技术的第一方面，提供了一种侧抛结构螺旋形塑料光纤SPR传感探头的制备方法，包括：
[0005]首先，将塑料光纤等间距地缠绕在塑料圆棒上，并用胶水固定在棒上，制成稳定的螺旋形塑料光纤。
[0006]其次，使用3D打印机打印一个凹槽模具，圆棒可以被放入其中。用带砂纸的矩形棒对POF进行抛光，以获得螺旋形塑料光纤的侧抛结构。值得注意的是，抛光棒应长于模具的宽度，沿塑料光纤的轴线抛光。抛光深度可以由模具的凹槽深度决定。
[0007]再次，光纤在抛磨过程中产生的划痕和缺陷会影响金属膜的附着效果，还会引入过多的传输损耗，直接影响传感器的性能。因此，在抛磨后还需要对光纤进行抛光处理，使用氧化铝抛光膏对抛磨面进行抛光处理。之后，用超声波清洗机将氧化铝抛光膏洗掉，并将探头烘干。
[0008]最后，使用磁控溅射仪在抛光的表面上沉积一层金属膜。在这个过程中，使用膜厚监测仪来监测金属膜的厚度，通过控制溅射电流和时间改变金属膜厚度。
[0009]作为本专利技术的第二方面，提供了一种侧抛结构螺旋形塑料光纤SPR传感器，它由宽谱光源、侧抛结构螺旋形塑料光纤SPR传感探头以及光谱仪等装置组成。
[0010]本专利技术还可以包括：
[0011]1、所述的塑料光纤为多模塑料光纤，光纤的外径为250～1000μm，光纤纤芯折射率为1.49，包层折射率为1.41；
[0012]2、所述的螺旋形塑料光纤的弯曲半径为3～15mm，螺距为0.5～10mm。
[0013]3、所述的侧抛结构螺旋形塑料光纤SPR传感探头，其长度为5～100mm，液位测量范围为0～100mm。
[0014]4、所述的侧抛结构螺旋形塑料光纤SPR传感探头，其侧抛结构的抛磨深度为100～500μm，其表面所镀制的金属膜材料为金或者银，金属膜的厚度为30～60nm。
[0015]本专利技术所提出的光纤传感器是基于SPR效应进行工作的。满足全反射条件的光在所述的侧抛结构螺旋形塑料光纤中传播时会在纤芯和包层交界面产生倏逝波，从而在光纤表面的金属薄膜中产生表面等离子体波。当表面等离子体波和倏逝波满足波矢匹配条件时，两者发生共振，特定波长入射光的部分能量会被吸收掉，表现为输出端的透射光强减弱，在透射光谱的固定波长处观察到共振吸收峰。当金属表面的环境RI发生变化时，会导致上述匹配条件的改变，从而使共振吸收峰的位置发生偏移，因此，通过监测共振峰位置的变化可以检测出被测溶液折射率的变化。改变液位，会引起产生SPR效应的光纤长度的变化，导致共振峰的深度变化。因此，通过监测共振峰的深度变化可以检测出液位的变化。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
[0017]1)本专利技术的侧抛结构螺旋形塑料光纤SPR传感器的结构和制备工艺简单、成本低廉。
[0018]2)本专利技术的SPR传感器采用的是多模塑料光纤，其芯径较大，柔韧性好，易于操作，并且该传感器工作在可见光波段，安装与调试都十分的方便。
[0019]3)本专利技术的塑料光纤SPR传感器除了具有折射率传感功能外，还能提供分辨率和测量范围灵活可调的多点液位测量。
(四)附图说明
[0020]图1是本专利技术的侧抛结构螺旋形塑料光纤SPR传感器的结构示意图。
[0021]图2是本专利技术的侧抛结构螺旋形塑料光纤的制作过程示意图。
[0022]图3是本专利技术的侧抛结构螺旋形塑料光纤SPR传感器的(a)折射率和(b)液位仿真
结果图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种侧抛结构螺旋形塑料光纤表面等离子体共振传感器，其特征在于：由宽谱光源、侧抛结构螺旋形塑料光纤表面等离子体共振传感探头以及光谱仪组成，侧抛结构螺旋形塑料光纤表面等离子体共振传感探头垂直放入烧杯容器，传感探头的一端与光源相连，另一端与光谱仪连接。2.如权利要求1所述的一种侧抛结构螺旋形塑料光纤表面等离子体共振传感探头，其制备方法包括：首先，将塑料光纤等间距地缠绕在塑料圆棒上，并用胶水固定在棒上，制成稳定的螺旋形塑料光纤。其次，使用3D打印机打印一个凹槽模具，圆棒可以被放入其中。用带砂纸的矩形棒对POF进行抛光，以获得螺旋形塑料光纤的侧抛结构。值得注意的是，抛光棒应长于模具的宽度，沿塑料光纤的轴线抛光。抛光深度可以由模具的凹槽深度决定。再次，光纤在抛磨过程中产生的划痕和缺陷会影...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕传新，杨荣萍，苑立波，邓洪昌，
申请(专利权)人：南宁桂电电子科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：