[發(fā)明專利]一種基于光纖表面等離子體共振的大氣腐蝕性監(jiān)測裝置及方法

在審

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• 申請日: 2020-07-31
• 公開（公告）號: CN111879691A
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 付廣偉;付興虎;陳翰;金娃;畢衛(wèi)紅
• 申請（專利權(quán)）人: 燕山大學
• 主分類號: G01N17/00
• 分類號: G01N17/00;G01N21/25
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

本發(fā)明提供一種基于光纖表面等離子體共振的大氣腐蝕性監(jiān)測裝置及方法。本發(fā)明裝置，包括：通過光纖跳線依次連接的光源、光纖傳感器以及光譜分析儀；光纖傳感器為基于表面等離子體共振的光纖腐蝕傳感器，包括傳感光纖和金屬薄膜，傳感光纖包層外表面一側(cè)設(shè)置有拋磨區(qū)域，金屬薄膜鍍在拋磨區(qū)域；外界弱酸性大氣腐蝕金屬薄膜使其厚度發(fā)生變化，光纖表面等離子體共振傳感器的共振波長會發(fā)生漂移，而且在一定金屬薄膜厚度范圍內(nèi)，金屬薄膜厚度變化與共振波長漂移呈線性關(guān)系，通過計算共振波長漂移速率反映金屬薄膜腐蝕速度，實現(xiàn)了大氣腐蝕性的檢測。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)檢測周期長，無法實時監(jiān)測的問題，具有高靈敏度、可以實時監(jiān)測的優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，尤其涉及一種基于光纖表面等離子體共振的大氣腐蝕性監(jiān)測裝置及方法。

背景技術(shù)

腐蝕是物質(zhì)與環(huán)境作用而引起的破壞和變質(zhì)，它是自然界中普遍存在的難以避免的物質(zhì)材質(zhì)變壞的過程。大氣污染造成的弱酸性腐蝕環(huán)境容易被人們所忽視。這種弱酸性腐蝕主要威脅工業(yè)過程測量及控制中使用的電子設(shè)備、博物館中的金屬文物和圖書館中的書籍等。這些物質(zhì)特別是金屬(銅或銀)對環(huán)境的腐蝕性特別敏感，會影響電子設(shè)備的正常運行。大氣環(huán)境組成復雜，酸性氣體污染物濃度與溫度、濕度、光照等物理因素產(chǎn)生協(xié)同作用，不同的環(huán)境參數(shù)與金屬的腐蝕速率之間的關(guān)系非常復雜。故基于限定的環(huán)境數(shù)據(jù)來評價大氣污染程度是非常不嚴謹?shù)摹Ｊ褂梅磻?yīng)性監(jiān)測法亦稱直接腐蝕性評估，直接根據(jù)金屬試樣的腐蝕速率來評估當前大氣腐蝕性更加合理且直觀。金屬試樣的腐蝕速率可以根據(jù)單位時間內(nèi)腐蝕前后金屬的厚度變化計算得到。目前廣泛應(yīng)用的腐蝕試片監(jiān)測法的缺點是監(jiān)測周期過長，且無法實現(xiàn)金屬采樣片厚度的實時監(jiān)測。

光纖傳感器具有體積小、靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、響應(yīng)快、可靠穩(wěn)定、可實時監(jiān)測等優(yōu)點。表面等離子體共振是一種非線性光學現(xiàn)象，當入射光在光纖纖芯內(nèi)通過全反射現(xiàn)象向前傳輸時，電磁波會滲透到包層內(nèi)一定厚度再返回纖芯內(nèi)，形成倏逝波，而滲透到金屬薄膜內(nèi)的倏逝波會將光能傳遞給自由電子，生成等離子體。當表面等離子體與倏逝波的頻率一致時，二者將發(fā)生共振，導致共振波段的反射光能量大量衰減，光纖傳輸光譜呈現(xiàn)共振谷現(xiàn)象。表面等離子體共振現(xiàn)象的產(chǎn)生和共振頻率的變化與金屬薄膜外界介質(zhì)折射率、金屬薄膜厚度等參數(shù)有關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種基于光纖表面等離子體共振的大氣腐蝕性監(jiān)測裝置及方法。本發(fā)明主要利用光纖傳感器上金屬薄膜厚度變化與傳輸光譜共振波長變化之間的關(guān)系，計算單位時間內(nèi)金屬腐蝕速率以評估大氣腐蝕強度，解決了該領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)檢測周期長、靈敏度低、無法實時監(jiān)測的問題，具有高靈敏度、可以實時監(jiān)測的優(yōu)點。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種基于光纖表面等離子體共振的大氣腐蝕性監(jiān)測裝置，包括：通過光纖跳線依次連接的光源、光纖傳感器以及光譜分析儀；所述光纖傳感器為基于表面等離子體共振的光纖腐蝕傳感器，包括傳感光纖和金屬薄膜，所述傳感光纖包層外表面一側(cè)設(shè)置有拋磨區(qū)域，所述金屬薄膜鍍在所述拋磨區(qū)域；所述光源發(fā)出的光信號經(jīng)過所述光纖跳線傳輸進入所述光纖傳感器的傳感光纖，被測環(huán)境中的外部環(huán)境介質(zhì)會腐蝕所述金屬薄膜，激發(fā)金屬薄膜的表面等離子體共振，光纖傳感器將傳感光纖輸出的含有等離子體共振波的光信號通過所述光纖跳線輸入至所述光譜分析儀。

進一步地，所述光源為可以發(fā)射從可見光到紅外光波段的鹵素光源，輸出信號波長范圍為400nm-1000nm，最大輸出光功率為50mW。

進一步地，所述光纖光譜分析儀的工作波長范圍為300nm-1000nm。

進一步地，所述傳感光纖為實心的多模光纖或單模光纖，多模光纖或單模光纖的直徑為125μm，其中，纖芯直徑為105μm，選擇光纖中間20mm長的一段剝除涂覆層，使用轉(zhuǎn)輪式光纖拋磨機進行側(cè)邊拋磨，側(cè)邊拋磨長度為10mm，多模光纖的拋磨深度為50μm，單模光纖的拋磨深度為58.5μm。