申请/专利权人：哈尔滨理工大学

申请日：2021-11-30

公开（公告）日：2024-03-22

公开（公告）号：CN114062317B

主分类号：G01N21/41

分类号：G01N21/41;G01N21/552;G01D5/353;G02B6/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.22#授权;2022.03.08#实质审查的生效;2022.02.18#公开

摘要：本发明专利提供了基于近红外波段双峰PCF湿度与磁场双参量传感系统，它包括宽带光源、单模光纤、传感单元、光谱分析仪、光电转化器、数字信号处理模块和计算机。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磁场，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，提出的新的传感系统采用了双峰灵敏度的传感方法，具有灵敏度高、设计灵活、结构紧凑、稳定性强等优点，在生化分析物检测、食品安全等实际使用中具有更高的价值。

主权项：1.基于近红外波段双峰PCF湿度与磁场双参量传感系统，其特征在于：由宽带光源1、单模光纤2、传感单元3、光谱分析仪4、光电转化器5、数字信号处理模块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、21个位于包层内的空气孔3-4、1个分析液空气孔3-3、氧化铟锡膜3-5和分析液3-6构成；空气孔3-4关于光纤y轴对称排列；分析液空气孔3-3位于空气孔3-4中间；氧化铟锡膜3-5在包层3-2与分析液3-6交界处；所述的传感单元3，包层3-2内空气孔间距Λ为1.85μm，包层3-2直径为14.55μm，分析液空气孔3-3直径为1.0μm，空气孔3-4直径为1.5μm；氧化铟锡膜3-5厚度为45nm；包层材料为二氧化硅，其折射率由Sellmeier公式定义；所述的氧化铟锡膜3-5利用射频磁控溅射方法涂覆；采用溶胶凝胶技术制备光子晶体光纤3-1，光子晶体光纤3-1长度为18mm，具体制备方法为：首先制造出一系列金属棒的模型，接着向模型中填充pH较高的硅胶颗粒，颗粒的尺寸要控制在纳米量级，pH降低的过程就是溶胶到凝胶的过程，凝胶完成后，去除金属棒，在凝胶体内形成圆柱形的空气孔，最后采用热化学方法来处理凝胶体以达到消除水蒸气、有机物和金属的污染；所述分析液空气孔3-3填充水基四氧化三铁磁流体MFs，其制备方法采用氧化沉淀法，首先将聚乙二醇溶于蒸馏水中，静置3分钟后，将其移入装有搅拌器、冷凝管、和氮气入口的四颈瓶中，然后按顺序加入浓度为0.175molL的氯化亚铁溶液35ml、浓度为0.0075％的过氧化氢水溶液15ml，控制搅拌速度在55rmin，随后滴加浓度为3.05molL的氢氧化钠水溶液将混合液的pH调整为13，同时在氮气的保护下，在50℃的条件下反应5h，最终得到水基四氧化三铁磁流体MFs，其折射率由Langevi公式定义； 式中nm是水基四氧化三铁磁流体MFs能达到的最大折射率值，ni是外磁场的原始折射率，Hc,n是临界磁场强度，nMF表示水基四氧化三铁磁流体MFs的折射率随外界磁场强度的变化而变化的值，H表示外界磁场，T为300℃；磁场的变化会改变水基四氧化三铁磁流体MFs的折射率，而分析液3-6选择性填充聚乙烯醇PVA，其制备方法如下：选取0.08g固体氢氧化钠加入5ml甲醇使之完全溶解，配成溶液；取3g聚乙烯醇树脂放入盛有冷凝管、搅拌器的三口烧瓶中，加入30ml甲醇，搅拌，加热，控制温度在40℃，加入之前配好的氢氧化钠溶液，滴加完毕，加速搅拌，当体系出现冻胶的时候，加速搅拌，继续反应1～1.5小时，即可得到聚乙烯醇PVA，因为外界湿度的变化会改变聚乙烯醇PVA的折射率，所以可以达到双参量测量的目的；所述宽带光源1输出750-2000nm波段的光信号；所述的基于近红外波段双峰PCF湿度与磁场双参量传感系统，宽带光源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数字信号处理模块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，氧化铟锡膜3-5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，外界磁场的变化会改变分析液空气孔3-3的折射率，外界湿度的变化会改变分析液3-6的折射率，两种分析液折射率的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，由此可以实现对外界湿度和磁场的高灵敏度、实时性探测；所述的基于近红外波段双峰PCF湿度与磁场双参量传感系统，由宽带光源1发出光信号，经单模光纤2传输至传感单元3，当分析液3-6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3-6的折射率增大时，两个峰的距离减少，当分析液3-6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： 式中s为双峰灵敏度，Δλpeak2-Δλpeak1为两种不同湿度与磁场状态下的两个峰的波长距离的差值，Δλpeak为同一折射率下的两个损耗峰的波长差值，Δna为湿度磁场的变化量，其中Δλpeak的大小与传感单元3所处的湿度磁场状态对应；传感单元3将携带Δλpeak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数字信号处理模块6，最终在计算机7中显示分析液3-6的信息；所述的基于近红外波段双峰PCF湿度与磁场双参量传感系统，在同时测量湿度与磁场时需要用以下公式进行计算： 式3中Δλpeak2-Δλpeak1为两种不同湿度与磁场状态下的两个峰的波长距离的差值，Δλ1为湿度改变后两峰间距的变化量，Δλ2为磁场改变后两峰间距的变化量，SRH，SH分别为湿度与磁场的灵敏度，ΔRH与ΔH分别为湿度与磁场的变化量，进而从公式4可得出湿度与磁场的变化量。

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