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原文传递一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器及其方法

专利名称：	一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器及其方法
摘要：	一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器及其方法，属于光纤传感技术领域。该双SPR效应光纤传感器由空芯光纤构成，其中，空芯光纤内壁镀有银膜，银膜外的空芯光纤内部填充有温度敏感材料，空芯光纤外部镀有金膜。本发明继承了传统光纤传感器所具有的本质安全、抗电磁干扰、耐高温高压、耐腐蚀等优点；不仅具有光纤传感器优势，还利用了利用空芯光纤的结构优势，内壁和外壁同时激发SPR，实现双SPR效应进而实现双参数的同时测量。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	辽宁;21
申请人：	东北大学
发明人：	张亚男;鄂思宇;赵勇;郑万禄
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-16T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-09T00:00:00+0800
申请号：	CN201910409468.9
公开号：	CN110108669A
代理机构：	大连理工大学专利中心
代理人：	陈玲玉;梅洪玉
分类号：	G01N21/41(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	110819 辽宁省沈阳市和平区文化路三巷11号
主权项：	1.一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，该双SPR效应光纤传感器包括四层结构，从内到外依次为温度敏感材料、银膜(23)、空芯光纤(22)和金膜(21)；其中，银膜(23)镀在空芯光纤(22)的内壁，银膜(23)外的空芯光纤(22)内部填充有温度敏感材料，金膜(21)镀在空芯光纤(22)的外壁，金膜(21)的厚度为40-45nm，温度敏感材料采用聚二甲基硅氧烷。 2.根据权利要求1所述的一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，双SPR效应光纤传感器能够激发两个SPR，产生双SPR效应，金膜(21)外表面感应海水折射率变化，即盐度变化；银膜(23)表面感应温度敏感膜折射率变化，即温度变化；空芯光纤(22)长20mm，外径670μm，内径450μm。 3.根据权利要求1或2所述的一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，双SPR效应光纤传感器制备流程为：首先将空芯光纤(22)两端研磨光滑，随后将空芯光纤(22)中部10mm长的区域去除涂覆层，并用酒精擦洗干净，随后利用离子溅射仪分别对空芯光纤(22)的正反两个柱面分别镀金膜(21)；随后用注射器将SnCl2溶液填充至两端研磨光滑的空芯光纤(22)内来敏化空芯光纤(22)内壁，然后将SnCl2溶液冲洗干净并吹干空芯光纤(22)内壁待用；随后利用银镜法来将空芯光纤(22)内壁镀上银膜(23)；最后配置聚二甲基硅氧烷，利用注射器将其填充至空芯光纤(22)内，待其固化以后，完成制作。 4.根据权利要求1或2所述的一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，银膜(23)的制备方法为：首先向0.1mol/L的AgNO3溶液中逐滴加入体积分数为20％的氨水，边滴加边搅拌，使溶液由澄清无色变浑浊再变成澄清无色；随后加入0.8mol/L的KOH，溶液变为褐色，0.1mol/L的AgNO3溶液与0.8mol/L的KOH的用量体积比例关系为10:7；接下来再逐滴加入体积分数为20％的氨水使溶液变为澄清透明，完成银氨溶液的配置；然后用纯水按照1:6的体积比将配好的银氨溶液进行稀释后，加入0.25mol/L的葡萄糖溶液，银氨溶液与葡萄糖溶液的体积比为5:2；最后将混合溶液快速填充至空芯光纤(22)内部，50s后将空芯光纤(22)内部溶液冲干，完成银膜32制备。 5.根据权利要求3所述的一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，银膜(23)的制备方法为：首先向0.1mol/L的AgNO3溶液中逐滴加入体积分数为20％的氨水，边滴加边搅拌，使溶液由澄清无色变浑浊再变成澄清无色；随后加入0.8mol/L的KOH，溶液变为褐色，0.1mol/L的AgNO3溶液与0.8mol/L的KOH的用量体积比例关系为10:7；接下来再逐滴加入体积分数为20％的氨水使溶液变为澄清透明，完成银氨溶液的配置；然后用纯水按照1:6的体积比将配好的银氨溶液进行稀释后，加入0.25mol/L的葡萄糖溶液，银氨溶液与葡萄糖溶液的体积比为5:2；最后将混合溶液快速填充至空芯光纤(22)内部，50s后将空芯光纤(22)内部溶液冲干，完成银膜32制备。 6.根据权利要求1、2或5所述的一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，金膜(21)的制备方法为：将去除涂覆层的空芯光纤(22)放置在离子溅射仪内，使其处在溅射区中心，随后分别对空芯光纤(22)正反两个柱面进行镀膜，其中镀膜电流为5mA，正反两面的镀膜时间均为90秒，完成金膜(21)制备。 7.根据权利要求3所述的一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，金膜(21)的制备方法为：将去除涂覆层的空芯光纤(22)放置在离子溅射仪内，使其处在溅射区中心，随后分别对空芯光纤(22)正反两个柱面进行镀膜，其中镀膜电流为5mA，正反两面的镀膜时间均为90秒，完成金膜(21)制备。 8.根据权利要求4所述的一种同时测量海水盐度和温度的双SPR效应光纤传感器，其特征在于，金膜(21)的制备方法为：将去除涂覆层的空芯光纤(22)放置在离子溅射仪内，使其处在溅射区中心，随后分别对空芯光纤(22)正反两个柱面进行镀膜，其中镀膜电流为5mA，正反两面的镀膜时间均为90秒，完成金膜(21)制备。 9.采用权利要求1-8所述的任一一种双SPR效应光纤传感器同时测量海水盐度和温度的方法，其特征在于，具体过程为：光源(4)发出的光经光纤连接耦合单元(2)传输至空芯光纤(22)处，在空芯光纤(22)内外壁之间不断反射同时向前传输，由于空芯光纤(22)内外壁均镀有金属膜，因此空芯光纤(22)内外壁会同时激发SPR，产生双SPR效应；外侧的金膜(21)对应的SPR谐振谷对为外界介质折射率变化敏感，而内部的银膜(23)对应的SPR谐振谷对空芯光纤(22)内的温度敏感材料的折射率变化敏感；测量时输出光谱会出现两个波长位置不同的谐振谷；最后，调制过的光信号经另一端的光纤连接耦合单元(2)传输至光谱仪(1)，光谱仪(1)将在输出上位机(5)来显示图谱的变化；当海水盐度发生改变时，金膜(21)外的海水的折射率就会发生改变，此时对应盐度变化的谐振谷会发生移动；当海水温度改变时，不仅会改变空芯光纤(22)内部温度敏感膜的折射率，造成温度对应的谐振谷移动，同时还会使盐度对应的谐振谷移动；因此，利用双波长矩阵的方法，计算两个谐振谷谐振波长的移动量就能反推出海水盐度和温度。 10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，双波长矩阵的方法具体为：当周围海水温度保持不变而改变海水盐度时，盐度对应的谐振谷的谐振波长λS会发生移动；而当海水盐度保持不变而改变海水温度时，不仅会使温度对应的谐振谷的谐振波长λT发生移动，还会使盐度对应的谐振谷的谐振波长λS发生移动；传感器的双波长矩阵为：其中，ΔλS、ΔλT分别为盐度对应谐振谷谐振波长的移动量和温度对应谐振谷谐振波长移动量的移动量；ΔS、ΔT分别为海水盐度的变化量和海水温度的变化量；X为海水盐度变化时盐度对应谐振谷谐振波长的移动灵敏度系数；Y、Z分别为外界温度变化时海水盐度对应谐振谷谐振波长的移动灵敏度系数和温度对应谐振谷谐振波长的移动灵敏度系数；当传感器结构参数固定时，X、Y、Z均为固定值；通过观察传感器的双波长矩阵中盐度对应谐振谷谐振波长的移动量和温度对应谐振谷谐振波长移动量即可反推出海水盐度和温度大小。
所属类别：	发明专利