1.一种温度和可方向识别曲率的传感光纤,其特征在于:
包括D形双包层多模光纤(1)以及依次在其上的液体封装传感模块(2)、对纤V槽(4)、固体封装传感模块(3);
所述的D形双包层多模光纤(1)由D形纤芯(1-1),包覆在纤芯半圆侧的半圆环形石英包层(1-2)、依次环形包覆的低折射率塑料包层(1-3)及涂覆层(1-4)构成;
所述的液体封装传感模块(2)由石英毛细管封装液体型光纤探针(2-1)和液体检测型光纤探针(2-2)组成,使用时根据测量需求选用其一;石英毛细管封装液体型光纤探针(2-1)由第一SPR传感膜(2-1-1)和包覆在石英毛细管中的具有热光系数的溶液(2-1-2)组成;液体检测型光纤探针(2-2)由第二SPR传感膜(2-2-1)和外界溶液组成;
所述的固体封装传感模块(3)由PDMS包层型光纤SPR传感探针(3-1)、紫外固化胶包层型光纤SPR传感探针(3-2)和灌封胶包层型光纤SPR传感探针(3-3)组成,使用时根据测量需求选用其一; PDMS包层型光纤SPR传感探针(3-1)由第三SPR传感膜(3-1-1)和PDMS(3-1-2)组成;紫外固化胶包层型光纤SPR传感探针(3-2)由第四SPR传感膜(3-2-1)和紫外固化胶(3-2-2)组成;灌封胶包层型光纤SPR传感探针(3-3)由第五SPR传感膜(3-3-1)和灌封胶(3-3-2)组成;
所述的温度和可方向识别曲率的传感光纤传感部分复原了光纤涂覆结构,弯曲性能强;其既能测量固体的温度也能测量液体的温度,还能通过共振波长和共振谷深双参数进行曲率测量和方向判断;不仅能通过液体封装传感模块(2)或固体封装传感模块(3)进行单点测量,还可通过级联液体封装传感模块(2)和固体封装传感模块(3),通过改变固液折射率或改变SPR传感膜种类或改变SPR传感膜厚度来实现基于波分复用技术的多点同时温度、曲率测量和弯曲方向判断;所述的D形双包层多模光纤(1),最内部为直径30μm的D形纤芯,材料为掺锗石英;纤芯外同D形朝向包覆直径125μm的D形石英包层,材料为纯石英;在外侧环形包覆直径175μm塑料包层,即低折射率紫外固化胶涂覆层;最外侧环形涂覆正常光纤涂覆层至直径250μm;其制作方法为:用化学气相沉积法制造光纤预制棒,掺锗石英纤芯,纤芯直径9mm,纯石英包层直径40mm,用精密磨床将制作好的光纤预制棒磨制成D形,即预制棒端面变成半圆形,使得纤芯裸露,在光纤拉丝塔中拉制D型光纤,拉制时,将D形石英光纤最大直径处拉制成125μm,并在D形石英光纤外侧先压力涂覆塑料包层,即低折射率紫外固化胶涂覆层,使端面由D形变成直径175μm圆形,最后在最外侧涂覆常规涂覆层至直径250μm;所述的第一SPR传感膜(2-1-1)、第二SPR传感膜(2-2-1)、第三SPR传感膜(3-1-1)、第四SPR传感膜(3-2-1)、第五SPR传感膜(3-3-1),为紧密包覆在D形纤芯平面一侧的金属薄膜,厚度为30nm-60nm薄膜,材质为金、银、铜易发生表面等离子体共振的金属,利用直流等离子溅射或磁控溅射工艺镀制于D形纤芯平面一侧形呈平面形。
2.根据权利要求1所述的一种温度和可方向识别曲率的传感光纤,其特征在于:所述的石英毛细管封装液体型光纤探针(2-1)的高热光系数溶液(2-1-2)或液体检测型光纤探针(2-2)的外部环境溶液折射率范围为1.320-1.365RIU,将SPR共振谷波长控制在波长较短波段;固体封装传感模块(3)中的PDMS、低折射率紫外固化胶、灌封胶折射率范围为1.375-1.405RIU,将SPR共振谷波长控制在波长较长波段,进而将两级探针级联时,可实现基于波分复用技术的多通道同时测量。
3.一种温度和可方向识别曲率的传感光纤的制作方法,其特征在于,用于制作如权利要求1或2中所述的一种温度和可方向识别曲率的传感光纤,其中,所述液体封装传感模块(2)、固体封装传感模块(3)的制作方法,包括以下步骤:S1预制备光纤探针,取一段D形双包层多模光纤,机械剥除D形双包层多模光纤的涂覆层及塑料包层,裸露纤芯,将D形双包层多模光纤用无痕胶固定在玻璃片上,D形纤芯平面朝上,将其放置在直流等离子溅射仪或磁控溅射仪金属靶材正下方;
S2镀制金属膜,位于玻璃片上方的金属靶垂直向下降落金属粒子,最终裸露在空气中的光纤纤芯的半平面上镀制厚度为30nm-60nm的金属薄膜,将玻璃片取出,取下镀制完金属膜的光纤,放于光纤涂覆机夹具中;
S3涂覆复原裸纤,光纤涂覆机中预装载固化后折射率为1.375-1.405RIU的PDMS或紫外固化胶或灌封胶,对镀制金属膜的光纤进行聚合物涂覆及固化,固化后的PDMS或紫外固化胶或灌封胶作为传感区的新包层和涂覆层,使得剥除了涂覆层和塑料包层的光纤直径恢复到250μm,完成PDMS包层型光纤SPR传感探针(3-1)、紫外固化胶包层型光纤SPR传感探针(3-2)和灌封胶包层型光纤SPR传感探针(3-3)的制作;
S4用同样的步骤S1-S2,将镀膜光纤从左至右插入一段长为4cm、直径为500μm的毛细管中,镀有金属膜的区域放在毛细管的中间位置,一端用紫外固化胶将光纤与毛细管接口完全密封,再将具有高热光系数的溶液从毛细管另一端用注射泵注入毛细管中,使溶液充满毛细管,最后用紫外固化胶将光纤与毛细管的另一端完全密封,完成石英毛细管封装液体型光纤探针(2-1)的制作;
S5用同样的步骤S1-S2,完成液体检测型光纤探针(2-2)的制作。
4.一种温度和可方向识别曲率的传感光纤的使用方法,其特征在于,应用于如权利要求1或2中所述的温度和可方向识别曲率的传感光纤,包括以下步骤:
S1根据使用需要,选取五种光纤探针的一种,将一端机械剥除涂覆层及塑料包层并将端面切割平整,插入裸纤适配器后与光源(5)连接,另一端剥除涂覆层及塑料包层并将端面切割平整,插入裸纤适配器后与光谱仪(6)连接,光谱仪采集光谱数据送入SPR光谱数据实时处理模块进行处理;也可通过将液体封装传感模块(2)中的一种光纤探针和固体封装传感模块(3)中的一种光纤探针通过对纤V槽(4)级联使用,从而实现基于波分复用技术的多通道同时测量;
S2根据激发表面等离子体共振的条件,SPR共振峰与外界物质折射率有关,而外界物质具有热光系数,其折射率随温度的升高而降低,外界物质折射率发生变化,SPR共振谷在光谱上的位置将发生偏移,外界物质的热光系数越大,SPR共振谷在光谱上的偏移量越大,因此可以通过SPR共振峰的偏移量来确定温度变化,从而实现SPR共振谷波长传感温度;
S3根据激发表面等离子体共振的条件,SPR共振峰与全反射角有关,全反射角发生变化,SPR共振谷在光谱上的位置将发生偏移,因此当光纤传感区弯曲时,光纤纤芯内的全反射角发生变化,SPR共振谷在光谱上的位置也将发生偏移,并且随着光纤弯曲曲率增大,光纤纤芯内的全反射角的改变量越大,SPR共振谷在光谱上的偏移量越大,因此可以通过SPR共振峰的偏移量来确定光纤弯曲曲率,从而实现SPR共振谷波长传感曲率;
S4随着光纤传感区弯曲曲率增大,在纤芯和包层界面的倏逝场强度增大,从光纤纤芯中泄露的倏逝场强度越大,而SPR的共振谷深度和倏逝场强度相关,进而实现SPR共振谷深度传感曲率;S5光纤传感区弯曲,传输光线在弯曲部分内侧全反射角增大,在弯曲部分外侧全反射角减小,而SPR的共振波长和全反射角度相关,当SPR传感膜在弯曲部分内侧时,SPR共振波长向长波长方向移动,当SPR传感膜在弯曲部分外侧时,SPR共振波长向短波长方向移动,进而实现SPR共振谷波长的移动方向判断弯曲方向;
S6通过将液体封装传感模块(2)中的光纤探针和固体封装传感模块(3)中的光纤探针分别通过对纤V槽(4)级联,改变SPR传感膜外溶液和聚合物的折射率,即可改变SPR共振波长工作范围,即可实现基于波分复用技术的多点温度、曲率测量和方向判断。
5.如权利要求4中所述的一种温度和可方向识别曲率的传感光纤的使用方法,其特征在于:所述的对纤V槽(4)采用精密V型槽定位光纤,使两根光纤准直连接,损耗小于0.5dB,所述的光源(5)波长范围覆盖500nm-1100nm,所述的光谱仪(6)为可见光光谱仪,波长范围覆盖500nm-1100nm。
6.如权利要求4中所述的一种温度和可方向识别曲率的传感光纤的使用方法,其特征在于:
所述的石英毛细管封装液体型光纤探针(2-1)的SPR传感膜密封在毛细管内,不易被氧化,能够重复使用;
所述的液体检测型光纤探针(2-2)当环境温度保持不变,溶液折射率改变时,能够进行折射率传感;
所述的PDMS包层型光纤SPR传感探针(3-1)由于其封装材料和PDMS微流芯片主要材料一致,此光纤传感器可直接制作或植入在PDMS微流芯片中,对PDMS微流芯片中需要测量温度的通道及其他位置进行温度测量;
所述的灌封胶包层型光纤SPR传感探针(3-3)由于其封装材料与电子元器件的绝缘封层材料一致,此传感器直接制作或植入灌封胶封层中,对电子元器件及集成电路进行温度测量。
7.如权利要求4中所述的一种温度和可方向识别曲率的传感光纤的使用方法,其特征在于:所述的一种温度和可方向识别曲率的传感光纤,其分布式多通道测量实现方法,既可通过将高热光系数溶液和涂覆层PDMS设置不同折射率实现;也可将高热光系数溶液和涂覆层PDMS设置同样的折射率,而将第一SPR传感膜(2-1-1)、第二SPR传感膜(2-2-1)、第三SPR传感膜(3-1-1)、第四SPR传感膜(3-2-1)、第五SPR传感膜(3-3-1)采用不同的金属膜实现;也可将高热光系数溶液和涂覆层PDMS(紫外固化胶或灌封胶)设置同样的折射率,将第一SPR传感膜(2-1-1)、第二SPR传感膜(2-2-1)、第三SPR传感膜(3-1-1)、第四SPR传感膜(3-2-1)、第五SPR传感膜(3-3-1),采用相同的金属膜,而将第一SPR传感膜(2-1-1)、第二SPR传感膜(2-2-1)、第三SPR传感膜(3-1-1)、第四SPR传感膜(3-2-1)、第五SPR传感膜(3-3-1)采用不同的膜厚实现。