[發(fā)明專利]光纖V槽型包層SPR應(yīng)變傳感器及其制作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111362122.1
• 申請日: 2021-11-17
• 公開（公告）號: CN114061801B
• 公開（公告）日: 2023-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 魏勇;李玲玲;趙曉玲;石晨;劉純彪;劉春蘭;蘇于東
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶三峽學(xué)院
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 重慶萃智邦成專利代理事務(wù)所(普通合伙) 50231
• 代理人: 許攀

本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域，主要涉及光纖V槽型包層SPR應(yīng)變傳感器；包括順次連接的傳感光纖和收光階躍多模光纖；傳感光纖上刻制有V槽結(jié)構(gòu)，傳感光纖接收并傳輸由光源發(fā)出的光束，光在經(jīng)過V槽結(jié)構(gòu)時將纖芯中的光耦合進(jìn)入包層中，與覆蓋在包層表面的金屬膜發(fā)生SPR效應(yīng)，最后由收光階躍多模光纖進(jìn)行收光并將光信號傳輸?shù)焦庾V儀中進(jìn)行信號采集與解調(diào)；本發(fā)明在傳感光纖上刻制V槽，將纖芯中的光耦合進(jìn)入包層中，通過改變V槽深度、V槽個數(shù)、V槽周期來調(diào)節(jié)SPR共振波長范圍與靈敏度；光纖V槽結(jié)構(gòu)受到應(yīng)變時，V槽角度以及有效折射率發(fā)生改變，SPR入射角發(fā)生對應(yīng)改變，進(jìn)而可通過SPR共振谷的偏移來實現(xiàn)對應(yīng)變的準(zhǔn)確測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖傳感器領(lǐng)域，具體涉及光纖V槽型包層SPR應(yīng)變傳感器及其制作方法。

背景技術(shù)

表面等離子共振(SPR)傳感器具有體積小，靈敏度高，抗電磁輻射和干擾，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于食品安全、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等方面。其原理為：當(dāng)光波從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的界面，將發(fā)生反射和折射，如果入射角大于臨界角，將不會發(fā)生折射，反射光波與入射光波能量相等，這種現(xiàn)象稱為全反射，當(dāng)發(fā)生全反射時，入射光照射到兩種介質(zhì)分界面后，光波能量全部反射回光密介質(zhì)，但并不是在界面上一下就反射回去的，而是在光疏介質(zhì)中穿透很薄的一層，厚度在光波波長量級，這部分穿透的電磁波稱為倏逝波，倏逝波在金屬表面激發(fā)表面等離子體，在一定條件下，倏逝波與金屬表面等離子體發(fā)生共振，此時，反射光的能量由于入射光的能量被部分吸收而下降，形成共振峰，當(dāng)光疏介質(zhì)折射率不同時，共振峰發(fā)生偏移，這就是光纖SPR傳感器對待測介質(zhì)(光疏介質(zhì))?折射率參數(shù)進(jìn)行檢測的基本原理。

光纖應(yīng)變傳感器在結(jié)構(gòu)健康檢測以及航空航天領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。目前光纖應(yīng)變傳感器按原理分類主要有兩類：光纖干涉應(yīng)變傳感器和光纖光柵應(yīng)變傳感器。光纖干涉應(yīng)變傳感器傳感原理為：當(dāng)光纖干涉?zhèn)鞲衅魇艿綉?yīng)變時，光纖的有效折射率差和光程差發(fā)生改變，從而導(dǎo)致諧振波長發(fā)生改變，進(jìn)而可通過諧振波長的偏移來實現(xiàn)對應(yīng)變的測量；光纖光柵應(yīng)變傳感器傳感原理為：當(dāng)光纖光柵傳感器受到應(yīng)變時，光纖的有效折射率差和柵距發(fā)生改變，從而導(dǎo)致諧振波長發(fā)生改變，進(jìn)而可通過諧振波長的偏移來實現(xiàn)對應(yīng)變的測量。

SPR傳感靈敏度較高，但目前還未將光纖SPR原理運用到應(yīng)變傳感。要將SPR技術(shù)用于應(yīng)變測量，技術(shù)的難點在于既要確保能發(fā)生SPR效應(yīng)，又要建立應(yīng)變與SPR共振波長的聯(lián)系。

首先針對SPR效應(yīng)發(fā)生條件，SPR發(fā)生的結(jié)構(gòu)條件是：倏逝波需進(jìn)入金屬薄膜，即要求傳輸光全反射時接觸金膜。對于光纖波導(dǎo)來說，傳輸光在纖芯和包層界面全反射，從而在纖芯中傳輸，包層中沒有傳輸光，在進(jìn)行光纖型SPR傳感器結(jié)構(gòu)構(gòu)造時，要解決的問題是如何讓傳輸光全反射時接觸金膜。光纖SPR傳感器按傳感基底位置可分為纖芯型SPR傳感器和包層型SPR傳感器。纖芯型光纖SPR傳感器需要去除光纖包層以使倏逝場與金屬薄膜接觸才能發(fā)生SPR效應(yīng)，目前使用的方法為腐蝕、光纖側(cè)面拋磨或光纖研磨等，但這些加工方法存在加工困難，使光纖機械強度降低、重復(fù)性差等問題。包層型光纖SPR傳感器需要將光纖纖芯中的傳輸光泄露耦合至光纖包層中，以使倏逝場與金屬薄膜接觸才能發(fā)生SPR效應(yīng)，目前的方法有拉錐結(jié)構(gòu)、異質(zhì)芯結(jié)構(gòu)，U型結(jié)構(gòu)，但是拉錐結(jié)構(gòu)的光纖SPR傳感器容易折斷，重復(fù)利用性差；異質(zhì)芯結(jié)構(gòu)通常為多模-單模-多模光纖結(jié)構(gòu)，此種方法無法實現(xiàn)在多模光纖包層上進(jìn)行SPR傳感；U型結(jié)構(gòu)重復(fù)制作困難且產(chǎn)生彎曲損耗。

其次針對SPR應(yīng)變傳感：SPR共振波長主要受基底折射率、外界環(huán)境折射率、SPR入射角、金屬介電常數(shù)的影響，在基底折射率、外界環(huán)境折射率、金屬介電常數(shù)保持一定時，SPR共振波長主要受?SPR入射角的影響，SPR共振波長隨SPR入射角改變而改變，因此，要實現(xiàn)用SPR原理進(jìn)行應(yīng)變傳感，需要解決的問題是如何建立應(yīng)變與SPR入射角的關(guān)系。

基于此，本發(fā)明所要解決的問題是提供一種簡單耐用的光纖SPR?傳感器，并建立應(yīng)變與SPR入射角的關(guān)系，以實現(xiàn)對應(yīng)變的測量。

發(fā)明內(nèi)容