申请/专利权人：哈尔滨理工大学

申请日：2021-11-30

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN114136484B

主分类号：G01K11/32

分类号：G01K11/32;G01L1/24;G01D5/26;G02B6/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#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温度与应力双参量传感系统，它包括光源、单模光纤、传感单元、光谱分析仪、光电转化器、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温度与应力，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，具有灵敏度高、设计灵活、结构紧凑、稳定性强等优点，在工业检测、水污染监控等实际使用的中具有更高的价值。

主权项：1.基于近红外波段双峰PCF温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、10个第一圆形空气孔3-3、12个第二圆形空气孔3-4、3个第三圆形空气孔3-5、银膜3-6和分析液3-7构成；第一圆形空气孔3-3关于光纤y轴对称排列；第二圆形空气孔3-4位于第一圆形空气孔3-3与第三圆形空气孔3-5中间；第三圆形空气孔3-5位于包层3-2最内层，呈三角形排列；银膜3-6在包层3-2与分析液3-7交界处；所述的传感单元3，包层3-2内空气孔间距Λ为2μm，包层3-2直径为15μm，第一圆形空气孔3-3直径为1.5μm，第二圆形空气孔3-4直径为0.6μm，第三圆形空气孔3-5直径为2μm；银膜3-6厚度为40nm；包层材料为二氧化硅，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：首先对二氧化硅套管进行预处理，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，在二氧化硅套管中将毛细管按照设计要求堆积形成所需的结构，用纯二氧化硅棒对空隙进行填充，利用氧炔火焰将二氧化硅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为聚二甲基硅氧烷PDMS，温度的变化会改变聚二甲基硅氧烷PDMS的折射率，聚二甲基硅氧烷PDMS热光系数为-5×10-4℃，而应力的变化会改变光子晶体光纤3-1的包层3-2的折射率，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；所述光谱分析仪4可检测光信号通过传感单元3后的光谱变化；所述光电转化器5将光信号转化为电信号并输出至信号处理模块6；所述信号处理模块6将电信号解码并输出至计算机7；所述计算机7用于显示测量环境的温度与应力；所述的基于近红外波段双峰PCF温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，可以实现高灵敏度、实时性探测；所述的基于近红外波段双峰PCF温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Δλpeak为某种温度与应力下的两个损耗峰的波长差值，Δλpeak2-Δλpeak1为两种不同温度和应力状态下的两个峰的距离的差值，Δna为温度应力的变化量，其中Δλpeak的大小与传感单元3所处的温度和应力状态对应；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信号处理模块6，最终在计算机7中显示分析液3-7的信息；所述的基于近红外波段双峰PCF温度与应力双参量传感系统，在同时测量应力与温度时需要用以下公式进行计算： 式2中Δλ1为温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分别为温度与应力的灵敏度，ΔT与ΔN分别为温度与应力的变化量，进而从公式3可得出温度与应力的变化量；所述包层3-2二氧化硅折射率受应力影响方程为： 式中，n0为无应力时二氧化硅的折射率，B1和B2为二氧化硅的应力光学系数，分别为6.5×10-13m2N和4.2×10-12m2N，Sx，Sy和Sz为x，y，z方向上所收到的力。

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