基于近红外波段双峰PCF磁场与应力双参量传感系统

基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统
技术领域
1.本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统。


背景技术：

2.作为21世纪优先发展的十大顶尖技术之一，传感技术未来将向着微型化、集成化、多功能化和系统化等方向发展。金属表面等离子体(sps)不仅可以突破传统光学的衍射极限，实现纳米尺寸下的光传输，而且对周围电介质折射率的变化异常敏感。光子晶体光纤(pcf)具有质量轻、体积小、抗电磁干扰等优势。因此，金属表面等离子体共振(spr)技术与光纤技术的结合，为实现高灵敏度、高可靠性且小型化、易于集成的传感器提供了新的研究思路，带来了新的发展空间。光学传感器多通过将生物、化学等分子的信息变化转变成介质折射率或者光谱吸收度等参数的改变量来实现传感，具有波导结构(光栅耦合、共振镜)、模式干涉测量法和表面等离子体共振(surfaceplasmonresonance,spr)等不同的传感模型。maxwell理论表明电磁波可以在金属表面或者金属薄膜中传播，该类型的电磁波特征频率在w＝0到之间，具体的色散特性wk与入射光波有关，且波矢大于相同能量时的光波波矢，这类电磁波被称为表面等离子体波(surfaceplas monwave,spw)又为金属表面等离子体激元(surfaceplasmonplaritions,spps)，是等离子体物理学的重要扩展。spps沿着介质的表面传播，在表面处的电磁场强度极高，而在垂直于表面的空间以指数方式衰减，具有极强的电磁波束缚能力。此外，金属spps波矢与周围电介质的介电常数有关，这有助于利用金属spps技术实现高精、小型化和集成化的光学传感器。表面等离子体共振(spr)的原理是光在金属介质的表面发生全反射，利用全反射倏逝波激发表面等离子体激元(spr)即表面等离子波从而导致全反射能量的大幅衰减。产生的金属spps模式都对周围电介质折射率的变化异常敏感，即spps模式的波矢特性随电介质折射率的变化而变化，从而导致spps模式与入射光波的相位匹配条件发生变化，因此，通过监测发生金属spr效应时的光波长、角度以及吸收强度等参量的变化，可实现生物学、药物检测、磁场探测以及环境监控等领域的信息传感。spr传感器的原理正是根据不同被测物质有不同的衰减峰测量得到被测物质的折射率。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传感器的受到广泛的关注。光子晶体光纤具有超强的抗弯曲特性、灵活的色散裁剪特性、良好的非线性特性、独特的光子带隙特性，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。2010年h.y.fu等人提出(fu h y,wu c,tse m,et al.high pressure sensor based on photonic crystal fiber for downhole application[j].ao/49/14/ao pdf,2010,49(14):2639-0)基于偏振光子晶体光纤(pcf)用于井下高压传感的sagnac干涉仪。pm-pcf用作直接压力探头，增强了长期传感稳定性，此外
盘绕成较小的直径pm-pcf可满足井下应用尺寸要求，实现了高达20兆帕的高压测量。2014年jonas h.os
ó
rio等人通过调整pcf开发了(os
ó
rio,jonas h,haya shi j g,espinel y a v,et al.photonic-crystal fiber-based pressure sensor for dual env ironment monitoring[j].applied optics,2014,53(17):3668-72)一种用于双环境监测压力传感器，能够允许独立获得两根光纤的单独响应，结构具有两个敏感区域可在双重环境压力传感中使用监测。
[0003]
磁流体(magnetic fluids,mfs)又称为磁性液体、铁磁流体或者磁液，是一种稳定的胶状液体，由强磁性纳米粒子(fe304、fe、cofe204或mnfe204等)包裹表面活性剂(羧基或羟基等)，均匀的分散在基载液(水、碳氢化合物、有机溶剂或油等)中混合而成的新型功能材料，既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，虽然mfs自身不具有磁性，但是，在外加磁场的作用下，mfs不仅具有磁性，而且对磁场变化异常敏感，其敏感特性主要表现为折射率随外加磁场大小或者方向的改变而改变，由于利用mfs的折射率可调谐特性，可以很方便的实现外界磁场信号的监控和传感，故mfs常被作为磁敏材料应用于磁场传感中。随着spr技术和mfs技术的发展，诸多学者开始研究采用光纤spr效应和mfs填充方式实现磁场传感。2016年，weng等人提出(weng s,pei l,wang j,et al.high sensitivity side-hole fiber magnetic field sensor based on surface plasmon resonance[j].chinese optics letters,2016,14(011):19-22)一种基于spr效应与mfs填充的磁场传感器，该传感器在光纤纤芯上方和下方各挖取一个大孔径通道，在通道中涂覆au薄膜，并填充mfs，以实现磁场传感，在优化的结构下，该传感器可实现30～210.9oe磁场强度范围内的传感，且灵敏度可达1.063nm/oe。2017年，liu等人提出了(liu h,wang y,wei s,et al.simultaneous dual-parameter measurement based on dual-channel surface plasmon resonance in photonic crystal fiber[j].optik,2017,145:582-588)一种基于双通道光子晶体光纤的双参量spr传感器，该传感器有两个通道，其中，通道1涂覆au薄膜，通道2填充au纳米线，并在两个通道内同时填充mfs，以实现温度与磁场的双参量传感，优化结构下，传感器的磁场灵敏度可达1.08nm/mt，温度灵敏度可达-0.2269nm/℃。在哈尔滨理工大学，沈涛等人提出了(沈涛,张智文,王韶峰,等.基于spr的d型光子晶体光纤磁场敏感传感装置及方法)一种光子晶体光纤磁场传感装置，利用spr传感机制，将磁流体折射率ri的微小变化转换成可测量的损耗峰的变化，实现折射率传感，进而实现磁场强度检测，具有灵敏度高、设计灵活、结构紧凑、稳定性强等优点，在磁场强度检测领域有非常高的实用价值。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，实际制造中传感器的灵敏度往往达不到理论眼球。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。


技术实现要素：

[0004]
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提出基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统，并提出一种新的分析物状态(包括折射率、应力或磁场)判定方法与稳定的灵敏度计算方法。
[0005]
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0006]
技术方案：基于近红外波段双峰pcf磁场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；
[0007]
进一步地，所述传感单元(3)为光子晶体光纤(3-1)；由包层(3-2)、银膜(3-7)、氧化锌薄膜(3-8)和分析液(3-9)构成；包层(3-2)包括:22个圆形空气孔(3-3)、5个圆形空气孔(3-4)、2个椭圆形空气孔(3-5)、3个椭圆形空气孔(3-6)；其特征在于：空气孔(3-3)、空气孔(3-4)、椭圆空气孔(3-5)以及椭圆空气孔(3-6)关于光纤y轴对称排列；空气孔(3-4)位于空气孔(3-3)与椭圆空气孔(3-5)中间；银膜(3-7)和氧化锌薄膜(3-8)在包层(3-2)与分析液(3-9)交界处；
[0008]
进一步地，所述的传感单元(3)，其特征在于：包层(3-2)直径为16μm，空气孔(3-3)直径为1.5μm，空气孔(3-4)直径为2μm，椭圆空气孔(3-5)长轴为μm，短轴为1.2μm；椭圆空气孔(3-6)长轴为3μm，短轴为2μm；银膜(3-7)厚度为20nm；氧化锌(3-8)厚度为18nm；包层材料为熔融石英，其折射率由sellmeier公式定义；
[0009]
进一步地，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，所述的银膜(3-7)利用射频磁控溅射方法可以得到；
[0010]
所述的堆叠-拉丝技术为：首先对石英套管进行预处理，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，在石英套管中将毛细管按照设计要求堆积形成所需的结构，用纯石英棒对空隙进行填充，利用氧炔火焰将石英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；
[0011]
进一步地，所述分析液(3-9)为磁流体(mfs)，磁场的变化会改变pi的折射率，使得共振损耗峰发生明显变化；而应力会改变传感单元(3)的包层的折射率，也会使得共振损耗峰发生明显变化。
[0012]
进一步地，所述的基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统，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(5)，光电转化器(5)将光信号转化为电信号输出到信号处理模块(6)，最终在计算机(7)中显示；
[0013]
进一步地，所述光源(1)输出750-2000nm波段的光信号；
[0014]
进一步地，所述的光信号经过单模光纤(2)传输到传感单元(3)，其特征在于：银膜(3-6)表面激发的等离子体波波矢与入射光场的波矢在特定的波长范围内达到相位匹配，发生两次耦合，出现两个共振损耗峰；表面等离子体共振(spr)对介质环境十分敏感，分析液(3-9)或包层(3-2)折射率ri变化会使共振条件发生变化，导致两个共振损耗峰发生明显变化，由此可以实现磁场和应力的高灵敏度、实时性探测；
[0015]
进一步地，所述的基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统，其特征在于：由光源(1)发出光信号，经单模光纤(2)传输至传感单元(3)，当分析液(3-7)折射率改变时，光子晶体光纤(3-1)等离子体共振现象的条件发生改变，两种耦合模式发生变化，在光谱分析仪(4)中显示的两个峰的距离δλ
peak
发生明显的改变，当分析液(3-9)或包层(3-2)的折射率增大时，两个峰的距离减少，当分析液(3-9)或包层(3-2)的折射率减少时，两个峰的距离增加。经双峰灵敏度公式计算灵敏度。
[0016]
所述双峰灵敏度公式为：
[0017]
s＝(δλ
peak2-δλ
peak1
)/δnaꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0018]
式中(δλ
peak2-δλ
peak1
)为不同折射率下的两个损耗峰的波长差值，δna为磁场)应力变化量，s为所求得的双峰灵敏度。其中δλ
peak1
和δλ
peak2
的大小与传感单元(3)所处的湿度和应力状态对应；传感单元(3)将携带(δλ
peak2-δλ
peak1
)数值的光信号传输至光电转化器(5)，光电转化器(5)将光信号转化为电信号输出至信号处理模块(6)，最终在计算机(7)中显示分析液(3-7)的信息；
[0019]
进一步地，所述的基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统，其特征在于：在同时测量应力与磁场时需要用以下公式进行计算：
[0020][0021][0022]
式(2)中δλ1为磁场强度改变后两峰间距的变化量，δλ2为应力改变后两峰间距的变化量，s
t
，sn分别为磁场与应力的灵敏度，δt与δn分别为磁感应强度与应力的变化量，进而从公式(3)可得出磁感应强度与应力的变化量。
[0023]
结构发明：基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统。
[0024]
与已公开技术相比，本发明专利的有益效果是：
[0025]
1.本发明所述的基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统结构特殊，极大地增加了双折射特性以及色散特性，有利于偏振态的保持，可广泛应用于偏振控制、精密光纤传感等领域。
[0026]
2.本发明所述的基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统拥有两个约束损耗峰，通过本发明所提出的双峰灵敏度公式计算，解决了传统pcf-spr传感器灵敏度测量精度差，实际测试效果差的问题，增加了测量系统的稳定性。
[0027]
3.本发明所述的基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统工作波长位于近红外波段，可忽略外界环境光对传感器的干扰。
[0028]
4.本发明所述的基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统，采用银作为spr激发材料，采用mfs作为分析液，可以实现磁场和应力双参量测量，达到最大灵敏度1.16nm/oe和1.3
×
10-3
nm/mpa。
附图说明
[0029]
图1为本发明提供基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统的装置图。
[0030]
图2为本发明提供基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统的传感单元横截面图。
[0031]
图3为本发明提供基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统的耦合图。
[0032]
图4为本发明提供基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统的结果图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图对本发明提出的基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系
统的具体实施方式加以说明。
[0034]
如图1所示，本发明提供基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统的装置图，光源(1)发射光信号经过单模光纤(1)传输到传感单元(3)，当光传输至银膜(3-6)，由于分析液(3-7)与包层(3-2)的折射率不一致，光在银膜(3-6)处发生表面等离子体基元现象，出现两个约束损耗峰。传感单元(3)输出至光谱分析仪(4)与光电转化器(5)，光电转化器(5)将光信号转化为电信号输出到信号处理模块(6)，最终在计算机(7)中显示；
[0035]
如图2所示，为本发明提供基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统的传感单元横截面图，传感单元(3)为光子晶体光纤(3-1)；由包层(3-2)、银膜(3-7)、氧化锌薄膜(3-8)和分析液(3-9)构成；包层(3-2)包括:22个圆形空气孔(3-3)、5个圆形空气孔(3-4)、2个椭圆形空气孔(3-5)、3个椭圆形空气孔(3-6)、银膜(3-7)、氧化锌(3-8)和分析液(3-9)构成；其特征在于：空气孔(3-3)、空气孔(3-4)、椭圆空气孔(3-5)以及椭圆空气孔(3-6)关于光纤y轴对称排列；空气孔(3-4)位于空气孔(3-3)与椭圆空气孔(3-5)中间；银膜(3-7)和氧化锌薄膜(3-8)在包层(3-2)与分析液(3-9)交界处；空气孔影响模式性质，可以把光控制在纤芯内，银膜(3-7)在包层(3-2)与分析液(3-9)交界处，当光信号传输至光子晶体光纤(3-1)，银膜(3-7)的存在导致表面等离子共振现象的发生，从而实现高灵敏度检测；
[0036]
如图3所示，为本发明提供基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统的两次耦合图，当工作波长为1200-2000nm时，本传感系统可以检测到两个约束损耗峰，发生两次纤芯与银膜(3-7)的耦合。
[0037]
如图4所示，为本发明提供基于近红外波段双峰pcf磁场与应力双参量传感系统在磁感应强度10ka/m，应力40kn和磁感应强度20ka/m，应力55kn下的损耗谱。分别计算应力从40kn到50kn和磁感应强度从10ka/m到20ka/m情况下损耗值的变化量可以得到磁场测量的最大灵敏度为1.16nm/oe和应力测量的最大灵敏度为1.3
×
10-3
nm/mpa。