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专利号: 2020104463671
申请人: 重庆三峡学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2025-03-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种方向识别的光纤SPR曲率传感器,其特征在于:

包括塑料包层多模光纤(1)以及依次制作在其上的第一SPR传感区(2)和第二SPR传感区(3);

所述塑料包层多模光纤(1)由第一石英纤芯(1-1)、环形包覆在第一石英纤芯表面的塑料包层(1-2)及环形包覆在塑料包层表面的涂覆层(1-3)组成;

所述第一SPR传感区(2)由第二石英纤芯(2-1)、包覆在第二石英纤芯表面的第一半圆面SPR传感膜(2-2)、环形包覆在最外侧的第一低折射率涂覆层(2-3)组成;

所述第二SPR传感区(3)由第三石英纤芯(3-1)、包覆在第三石英纤芯表面的第二半圆面SPR传感膜(3-2)、环形包覆在最外侧的第二低折射率涂覆层(3-3)组成;

所述方向识别的光纤SPR曲率传感器能通过SPR共振波长和共振谷深两个参数,进行曲率测量和弯曲方向判断;

所述的第一低折射率涂覆层(2-3)折射率低于第二低折射率涂覆层(3-3),SPR曲率传感共振波长工作范围和SPR传感膜外介质折射率相关,改变SPR传感膜外涂覆介质折射率,即可改变SPR共振波长工作范围,将不同折射率涂覆介质的第一SPR传感区(2)和第二SPR传感区(3)级联,即可实现基于波分复用技术的多点曲率同时测量和弯曲方向判断;所述塑料包层多模光纤(1)中心为直径125μm纯石英材料的第一石英纤芯,第一石英纤芯外侧环形紧密包覆低折射率塑料包层至直径150-200μm,低折射率塑料包层材质为低折射率紫外固化胶,塑料包层外侧环形紧密包覆普通光纤涂覆层至直径250μm,塑料包层多模光纤利用光纤拉制时二次涂覆工艺制作,先将纯二氧化硅光纤预制棒在光纤拉丝塔上拉制成125μm裸光纤丝,先压力涂覆低折射率紫外固化胶涂覆层至设计直径,形成塑料包层,再涂覆普通涂覆层至250μm;所述第一半圆面SPR传感膜(2-2)为半圆形紧密包覆在第二石英纤芯一侧,厚度为30nm-60nm,材质为金或银或铜,利用直流等离子溅射或磁控溅射工艺镀制于纤芯表面一侧形成半圆形。

2.如权利要求1中所述的一种方向识别的光纤SPR曲率传感器,其特征在于:所述第一SPR传感区(2)和第二SPR传感区(3)长度为10mm-20mm,将塑料包层多模光纤机械剥除涂覆层和塑料包层,裸露125μm纤芯,在纤芯一侧包覆半圆形SPR传感膜,再利用光纤涂覆机在最外侧涂覆低折射率紫外固化胶作为新的低折射率介质涂层,可使光保持传输并提供SPR发生的低折射率介质环境,其中第一SPR传感区(2)最外侧的第一低折射率涂覆层(2-3)折射率范围为1.335-1.355RIU,第二SPR传感区(3)最外侧的第二低折射率涂覆层(3-3)折射率范围为1.365-1.385RIU。

3.一种方向识别的光纤SPR曲率传感器的制作方法,其特征在于,用于制备如权利要求1或2中所述的方向识别的光纤SPR曲率传感器,包括以下步骤:S1预制备裸纤区,取塑料包层多模光纤,其中一段用米勒钳剥除塑料包层和涂覆层,裸露出纤芯,将剥好的塑料包层多模光纤放置在U型石英槽中,使得纤芯的一半外表面裸露在空气中,另一半光纤纤芯外表与U型石英槽的内壁相接触,用胶水固定,将U型石英槽放置在直流等离子溅射仪或磁控溅射仪金属靶材正下方,U型石英槽的凹槽口垂直向上;

S2镀制金属膜,位于U型石英槽正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圆面上镀制厚度为30nm-60nm的金属薄膜;

S3取出镀膜光纤,将U型石英槽取出,浸入解胶剂,溶解掉胶水,取下镀制完金属半膜的光纤,放于光纤涂覆机夹具中;

S4涂覆复原裸纤,光纤涂覆机中预装载固化后折射率为1.335-1.355RIU的低折射率紫外固化胶,对镀制金属半膜的光纤进行低折射率涂覆及固化,固化后的紫外固化胶折射率适合作为传感区的新包层,并使得剥除光纤包层和涂覆层区域的裸光纤直径恢复到250μm,将塑料包层和涂覆层重塑复原,完成第一SPR传感区(2)的制作;

S5在同一段塑料包层多模光纤上距第一SPR传感区(2)为10cm-200cm处,使用与S1-S4同样的步骤制作第二SPR传感区(3),在涂覆复原裸纤时,光纤涂覆机使用折射率范围为1.365-1.385RIU的低折射率紫外固化胶。

4.一种方向识别的光纤SPR曲率传感器的使用方法,其特征在于,应用如权利要求1或2中所述的方向识别的光纤SPR曲率传感器,包括以下步骤:

S1将塑料包层多模光纤(1)的一端剥除塑料包层与涂覆层并将端面切割平整,插入裸纤适配器后与光源(4)连接,塑料包层多模光纤(1)另一端剥除塑料包层与涂覆层并将端面切割平整,插入裸纤适配器后与光谱仪(5)连接,光谱仪采集光谱数据送入计算机实时处理;

S2传输光线在光纤纤芯和光纤包层的交界面发生全反射,光线与交界面的法线间的夹角称为全反射角,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的测量;

S3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,从光纤纤芯中泄漏的倏逝场强度越大,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的测量;

S4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传感半膜在弯曲部分内侧时,SPR共振波长向长波长方向移动,当SPR传感半膜在弯曲部分外侧时,SPR共振波长向短波长方向移动,进而通过SPR共振谷波长的移动方向判断弯曲方向;

S5改变SPR传感膜外涂覆介质折射率,即可改变SPR共振波长工作范围,将不同折射率涂覆介质的传感器级联,即可实现基于波分复用技术的多点曲率同时测量和弯曲方向判断,第一低折射率涂覆层(2-3)折射率低于第二低折射率涂覆层(3-3),从而实现一次测量,光谱上在不同共振波长范围产生两个共振谷,短波长共振谷代表第一SPR传感区(2),长波长共振谷代表第二SPR传感区(3),进而双通道实现两点的曲率同时测量和弯曲方向判断。

5.如权利要求4中所述的方向识别的光纤SPR曲率传感器的使用方法,其特征在于:所述光源(4)为宽带非相干白光光源,波长范围覆盖500-1100nm,所述光谱仪(5)为可见光光谱仪,波长范围覆盖500-1100nm。

6.如权利要求4中所述的方向识别的光纤SPR曲率传感器的使用方法,其特征在于:所述方向识别的光纤SPR曲率传感器,其多通道测量实现方法通过将第一低折射率涂覆层(2-3)和第二低折射率涂覆层(3-3)设置不同折射率实现;或将第一低折射率涂覆层(2-3)和第二低折射率涂覆层(3-3)设置同样的折射率,而将第一半圆面SPR传感膜(2-2)和第二半圆面SPR传感膜(3-2)采用不同材料的金属膜实现;或将第一低折射率涂覆层(2-3)和第二低折射率涂覆层(3-3)设置同样的折射率,第一半圆面SPR传感膜(2-2)和第二半圆面SPR传感膜(3-2)采用相同的金属膜,而将第一半圆面SPR传感膜(2-2)和第二半圆面SPR传感膜(3-2)采用不同的膜厚实现。

7.如权利要求4中所述的方向识别的光纤SPR曲率传感器的使用方法,其特征在于:所述方向识别的光纤SPR曲率传感器,其多通道测量采用调节传感区涂覆层折射率或传感膜金属材料实现后,分别通过调节两传感区镀制金属膜的厚度调节两传感区共振谷深度达到一致,从而良好实现基于波分复用的测量。

8.如权利要求4中所述的方向识别的光纤SPR曲率传感器的使用方法,其特征在于:所述方向识别的光纤SPR曲率传感器,其多通道测量可综合利用调节传感区涂覆层折射率、传感膜金属材料和传感膜厚度精密调节每个传感区SPR共振谷工作波长范围,进行多于两级的级联,实现基于波分复用技术的更多点曲率及弯曲方向检测。