基于近红外波段双峰PCF磁场与应力双参量传感系统

技术特征：
1.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；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；所述的传感单元(3)，其特征在于：包层(3-2)直径为15
′
m，空气孔(3-3)直径为1.5
′
m，空气孔(3-4)直径为2
′
m，空气孔(3-5)长轴为4
′
m，短轴为3μm；银膜(3-6)厚度为20nm；氧化锌厚度为18nm；包层材料为熔融石英，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；所述分析液(3-7)为磁流体(mfs)，磁场的变化会改变mfs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，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：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；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(3-7)与包层(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，可以实现高灵敏度、实时性探测；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(3-7)或包层(3-2)的折射率增大时，两个峰的距离减少，当分析液(3-7)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；所述双峰灵敏度公式为：s＝(δλ
peak2-δλ
peak1
)/δn
a
ꢀꢀꢀ
(1)
式中(δλ
peak2-δλ
peak1
)为不同折射率下的两个损耗峰的波长差值，δh
a
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；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：应力与磁场时需要用以下公式进行计算：式(2)中δλ1为磁场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
，s
n
分别为磁感应强度与应力的灵敏度，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。

技术总结
本发明专利提供了基于近红外波段双峰PCF磁场与应力双参量传感装置及方法，它包括光源(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)。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磁场与应力，结果在计算机中显示。本发明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，在工业应用、医疗卫生、消费电子、科技研发等领域具有极高的使用价值。科技研发等领域具有极高的使用价值。科技研发等领域具有极高的使用价值。


技术研发人员：孙菲菲 李堃 沈涛 陈文建
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/5/30