申请/专利权人：哈尔滨理工大学

申请日：2021-11-30

公开（公告）日：2024-03-15

公开（公告）号：CN114136919B

主分类号：G01N21/359

分类号：G01N21/359;G01L1/24;G02B6/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.15#授权;2022.03.22#实质审查的生效;2022.03.04#公开

摘要：本发明专利提供了基于近红外波段双峰PCF湿度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湿度与应力，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，具有更高的灵敏度和更强的稳定性，可广泛应用于金属冶炼、食品加工、建筑材料等领域。

主权项：1.基于近红外波段双峰PCF湿度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3-6和分析液3-7构成；银膜3-6在包层3-2与分析液3-7交界处；其中包层3-2包括：10个第一圆形空气孔3-3、12个椭圆空气孔3-4、3个第二圆形空气孔3-5构成；第一圆形空气孔3-3、椭圆空气孔3-4、第二圆形空气孔3-5关于光纤y轴对称排列；椭圆空气孔3-4位于第一圆形空气孔3-3与第二圆形空气孔3-5中间；所述的传感单元3，包层3-2直径为18μm，第一圆形空气孔3-3直径为1.5μm，椭圆空气孔3-4的长轴长为3μm，短轴长为2μm，第二圆形空气孔3-5直径为2μm；银膜3-6厚度为26nm；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为聚酰亚胺PI，湿度的变化会改变聚酰亚胺PI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湿度与应力双参量传感系统，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，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，由此可以实现对湿度和应力的高灵敏度、实时性探测；所述的基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统，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Δλpeak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＝Δλpeak2-Δλpeak1Δna1式中Δλpeak2-Δλpeak1为不同折射率下的两个损耗峰的波长差值，Δna为湿度应力变化量，s为所求得的双峰灵敏度；其中Δλpeak1和Δλpeak2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Δλpeak2-Δλpeak1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中显示传感单元所受湿度和应力的信息；所述的基于近红外波段双峰PCF湿度与应力双参量传感系统，在同时测量应力与湿度时需要用以下公式进行计算： 式2中Δλ1为湿度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，ST，SN分别为湿度与应力的灵敏度，ΔT与ΔN分别为湿度与应力的变化量，进而从公式3可得出湿度与应力的变化量。

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