本发明涉及的是一种位移传感技术，更具体的说是一种光纤微位移传感及校正装置与方法。
背景技术：
光纤作为现代社会中一种重要的信息传输媒介，在人们的生活中起着举足轻重的作用。由于其电绝缘性好、高温高压、耐氧化、可在易燃易爆、学性质稳定、有毒等环境条件下能够工作的优点，已经成为通信、监测和医学等方面不可或缺的部分。
光纤表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感器主要是对外界环境某一物理量的变化进行感知与传输，物理量可以为温度、液体折射率、压力等，该技术在生物、医学、传感等领域的得到了广泛应用。20世纪初的1902年，由Wood R.W教授偶然间发现了表面等离子体波，为光纤表面等离子体共振传感器的研究拉开了帷幕，目前国内的光纤SPR传感技术还处于实验室阶段。SPR现象的影响因素包括SPR入射角度，金膜厚度等，本发明以在线传输式SPR传感器作为基础。
光纤微位移传感器主要用于传感光纤在使用过程中产生的微位移。目前，常用的光纤微位移传感器有多种类型，如布拉格光栅型、反射式强度调制型、长周期光栅型、Fabry-Peort干涉型和Michelson干涉型等。其中，布拉格光栅型和长周期光栅型光纤微位移传感器都以共振波长为传感信号，排除了光强起伏的干扰，具有较高的可靠性和稳定性；反射式强度调制型光纤微位移传感器的传感信号取决于发射光和接收光的强度；但上述的光纤微位移传感器的制作需要精密和昂贵的专业设备，制作成本高，制作程序复杂；目前还没有研究表明能够对光纤的位置进行校正，本发明成本低，易操作，不仅实现了对于光纤位置的微位移传感，同时实现了对光纤位置的校正。
技术实现要素：
本发明主要解决的技术问题是提供一种光纤微位移传感及校正装置与方法，能够高灵敏度、远距离、实时检测光纤位置的变化情况，从而进行校正，增强了光纤的可控性，操作简单易实现，解决了在指定光纤出射光的位置的情况下，由光纤尺寸小造成的光纤的微小偏移不易发现及校正的问题。
为解决上述技术问题，一种光纤微位移传感及校正装置，由光源、三维微位移平台、光纤夹具、微位移SPR传感探针、渐变多模光纤和光谱仪组成；
光源为光谱宽度450nm—1100nm的超连续谱光源，用于产生激发SPR现象的激发光；三维微位移平台调节精度为1μm，用于固定及调节被测单模光纤；微位移SPR传感探针用于产生SPR现象的传感光谱；渐变多模光纤用于识别被测单模光纤的光出射端产生的微位移，同时传输传感光谱；光谱仪光谱宽度450nm—1100nm，用于接收检测微位移的SPR现象的传感光谱；
光源的光出射端与被测单模光纤的接收端连接，被测单模光纤的光出射端与渐变多模光纤的光接收端通过光纤夹具固定于三维微位移平台上，被测单模光纤的光出射端通过三维微位移平台的调节与渐变多模光纤的光接收端正对，渐变多模光纤上载有微位移SPR传感探针，渐变多模光纤的光出射端连接至光谱仪的光谱接收端，通过该装置可以实现光纤微位移传感与光纤微位移校正。
作为本发明的进一步优化，本发明一种光纤微位移传感及校正装置所述的三维微位移平台有X,Y,Z三个轴向调节方向，其X,Y,Z三个轴向的行程均为20mm，其X,Y,Z三个轴向的最小步距离均为7nm。
作为本发明的进一步优化，本发明一种光纤微位移传感及校正装置所述的渐变多模光纤由涂覆层、包层及纤芯Ⅱ组成，渐变多模光纤上设有一个除去涂覆层和包层至与纤芯Ⅱ交界面的传感凹槽。
作为本发明的进一步优化，本发明一种光纤微位移传感及校正装置所述的微位移SPR传感探针由纳米金属薄膜及环境液体组成，纳米金属薄膜覆在传感凹槽的底面，环境液体填满传感凹槽。
作为本发明的进一步优化，本发明一种光纤微位移传感及校正装置所述的纳米金属薄膜为金膜或银膜或其它可激发SPR现象的纳米金属薄膜。
作为本发明的进一步优化，本发明一种光纤微位移传感及校正装置所述的纳米金属薄膜为金膜，金膜厚度为55nm。
作为本发明的进一步优化，本发明一种光纤微位移传感及校正装置所述的环境液体由甘油与蒸馏水组成，折射率范围为1.33-1.385。
作为本发明的进一步优化，本发明一种光纤微位移传感及校正装置所述的渐变多模光纤光纤直径范围为50μm-100μm，数值孔径范围为0.14-0.3。
采用上述的一种光纤微位移传感及校正装置进行光纤微位移传感的方法，其特征在于，所述光纤微位移传感的方法包括：
步骤一：取一根50cm长的渐变多模光纤，将渐变多模光纤的两端1cm-2cm处用光纤钳剥除涂覆层，用无纺布蘸取酒精和乙醚的混合液，反复擦拭包层进行清洁，用光纤切割刀将清洁后的渐变多模光纤的两个端面切割平整；
步骤二：在距渐变多模光纤的光接收端5cm处选取一段1cm的光纤，用光纤钳剥除此段的涂覆层，使用无纺布蘸取酒精和乙醚的混合液，反复擦拭此段包层进行清洁，用腐蚀的方法除去此段包层，得到微位移SPR传感探针的传感凹槽，将传感凹槽固定于载玻片上，传感凹槽方向朝上；
步骤三：清洗小型离子溅射仪，为微位移SPR传感探针镀纳米金属薄膜，将载有传感凹槽的载波片置于小型离子溅射仪的镀膜区域，镀制55nm厚的金膜，取出；
步骤四：被测单模光纤的光接收端连接至光源的光出射端，被测单模光纤的光出射端置于三维微位移平台上，并通过左侧的光纤夹具固定及调节；
步骤五：将渐变多模光纤的光接收端置于三维微位移平台上，并通过右侧的光纤夹具固定，渐变多模光纤的光出射端连接至光谱仪的光谱接收端；
步骤六：用甘油和蒸馏水调配折射率为1.355的环境液体，通过阿贝折射率分析仪标定折射率，将配置好的环境液体放入滴瓶中备用；
步骤七：打开光源与光谱仪的开关，用环境液体充满微位移SPR传感探针的传感凹槽；
步骤八：调节三维微位移平台使得被测单模光纤与渐变多模光纤的端面正对，保证纤芯Ⅰ与纤芯Ⅱ轴线重合，渐变多模光纤接收被测单模光纤的出射光，光谱仪接收到传感光谱，此传感光谱作为被测单模光纤在基准位置的基准光谱；
步骤九：分别沿X,Y方向调节三维微位移平台，使得被测单模光纤的光出射端沿端面所在平面产生微位移，保证纤芯Ⅱ接收到纤芯Ⅰ的出射光，同时光谱仪接收到微位移传感光谱；
步骤十：汇总当被测单模光纤的光出射端产生微位移时的传感谱线，得到光纤微位移传感参考谱。
采用上述的一种光纤微位移传感及校正装置进行光纤微位移校正的方法，其特征在于，所述光纤微位移校正的方法包括：
步骤一：连接好光纤微位移传感及校正装置，通过光谱仪接收此时的传感光谱；
步骤二：将传感光谱与光纤微位移传感参考谱对比，调节三维微位移平台的X,Y方向，使得传感光谱与基准光谱重合，完成被测单模光纤微位移的校正。
本发明一种光纤微位移传感及校正装置与方法的有益效果为：
1.能够高灵敏度的检测光纤位置的变化，从而进行校正，增强了光纤的可控性，解决了在指定光纤出射光的位置的情况下，由光纤尺寸小造成的光纤的微小偏移不易发现及校正的问题。
2.本发明能够以3.0nm/μm的高灵敏度实现对光纤微位移的传感。
3.本发明创新的在实现对被测光纤位置微位移传感的同时可对其位置进行校正，且具有优良的光纤微位移的传感及校正效果。
4.本发明中采用光纤作为传输媒介，能够实现远距离、低损耗的传输传感结果，传感装置实用性强，有较宽的应用范围。
5.本发明与其他光纤微位移传感结构比较，装置材料简单、常见、成本低，装置易操作，实用性强。
6.本发明可在线监测，传感结果实时可达，传感装置具有可靠的实时性。
7.本发明可在高温高压、易氧化、易燃易爆、有毒的恶劣环境条件下进行工作。
8.本发明可以进行连续工作，工作效率高。
9.本发明可以多次重复使用，节约成本，可靠性强。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明一种光纤微位移传感及校正装置的结构示意图。
图2为图1中的局部示意图。
图3为图2中微位移示意图。
图4为微位移传感原理示意图。
图中：光源1；被测单模光纤2；纤芯Ⅰ2-1；三维微位移平台3；光纤夹具4；微位移L；微位移SPR传感探针5；纳米金属薄膜5-1；环境液体5-2；渐变多模光纤6；纤芯Ⅱ6-1；光谱仪7；被测单模光纤2光出射端位置不同时渐变多模光纤6中光的传输轨迹A、B，及对应的激发SPR现象的SPR入射角α、β。
具体实施方式
下面结合图1、2、3、4说明本实施方式，本发明一种光纤微位移传感及校正装置与方法，能够高灵敏度、远距离、实时检测光纤位置的变化情况，从而进行校正，增强了光纤的可控性，操作简单易实现，解决了在指定光纤出射光的位置的情况下，由光纤尺寸小造成的光纤的微小偏移不易发现及校正的问题。
该光纤微位移传感及校正装置由光源1、三维微位移平台3、光纤夹具4、微位移SPR传感探针5、渐变多模光纤6和光谱仪7组成；
光源1为光谱宽度450nm—1100nm的超连续谱光源，用于产生激发SPR现象的激发光，因激发SPR现象的光频率在450nm—1100nm范围，故要求光源1的光谱宽度至少为450nm—1100nm。三维微位移平台3用于固定及调节被测单模光纤2，纤芯Ⅰ2-1的直径为8μm，纤芯Ⅱ6-1的直径为100μm。为保证实验过程中纤芯Ⅰ2-1与纤芯Ⅱ6-1的正对及产生微位移的要求，要求三维微位移平台3调节精度至少为1μm，若调节步长过大，调节过程中无法达到纤芯正对的实验效果。微位移SPR传感探针5用于产生SPR现象的传感光谱。因光在渐变多模光纤6的纤芯Ⅱ6-1内以正余弦形式向前传输，当改变被测单模光纤2的光出射端的位置时，纤芯Ⅱ6-1中的光传输轨迹会发生相应的变化，由传输轨迹A变为轨迹B，导致SPR入射角由α变为β，使得SPR的共振频率发生改变，传感光谱的共振波谷位置产生相应变化，即传感光谱对被测单模光纤2的光出射端的位置变化高灵敏，可实现微位移传感。渐变多模光纤6被用于识别被测单模光纤2的光出射端产生的微位移，并传输传感光谱；为保证接收到完整的传感光谱，要求光谱仪7的光谱宽度至少包含光源1的最小光谱宽度450nm—1100nm。
光源1的光出射端与被测单模光纤2的接收端连接，使得光源1的光入射到被测单模光纤2中。被测单模光纤2的光出射端与渐变多模光纤6的光接收端通过光纤夹具4固定于三维微位移平台3上，其中被测单模光纤2的固定在左侧光纤夹具4上，端面方向朝右，渐变多模光纤6固定在右侧光纤夹具4上，端面方向朝左。渐变多模光纤6上载有微位移SPR传感探针5，微位移SPR传感探针5通过去除涂覆层、包层，再镀至纳米金属薄膜5-1，填充环境液体5-2制作而成。渐变多模光纤6的光出射端连接至光谱仪7的光谱接收端，使得光谱仪7接收到传感光谱。反复调节三维微位移平台3的X,Y,Z三个方向，同时观察光谱仪7接收到的传感光谱，使得传感光谱强度最大时即为被测单模光纤2与渐变多模光纤6正对,通过该装置可以实现光纤微位移传感与光纤微位移校正。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种光纤微位移传感及校正装置所述的三维微位移平台3有X,Y,Z三个轴向调节方向，行程与最小步距离需满足实验需求，保证纤芯Ⅰ2-1与纤芯Ⅱ6-1由正对至完全错开，即产生微米量级的微位移的同时行程应大于等于光纤的直径。实验所采用的三维微位移平台3，其X,Y,Z三个轴向的行程均为20mm，其X,Y,Z三个轴向的最小步距离均为7nm。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种光纤微位移传感及校正装置所述的渐变多模光纤6由涂覆层、包层及纤芯Ⅱ6-1组成，渐变多模光纤6上设有一个除去涂覆层和包层至与纤芯Ⅱ6-1交界面的传感凹槽，传感凹槽的制作方法为：用光纤钳用除去涂覆层，通过氢氟酸腐蚀或光纤侧抛的方法除去包层至与纤芯Ⅱ6-1的交界面。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种光纤微位移传感及校正装置所述的微位移SPR传感探针5由纳米金属薄膜5-1及环境液体5-2组成，通过小型粒子溅射仪将纳米金属薄膜5-1覆于传感凹槽的底面，传感凹槽被环境液体5-2填满。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种光纤微位移传感及校正装置所述的纳米金属薄膜5-1为金膜或银膜或其它可激发SPR现象的纳米金属薄膜。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种光纤微位移传感及校正装置所述的纳米金属薄膜5-1为金膜，金膜厚度范围为25nm-60nm，实验表明金膜厚度为55nm时传感效果最佳，故金膜厚度选55nm。
作作为本技术方案的进一步优化，本发明一种光纤微位移传感及校正装置所述的环境液体5-2由甘油与蒸馏水组成，通过改变甘油与蒸馏水的比例，即可调配出不同折射率的环境液体5-2，调配过程中通过阿贝折射率分析仪标定环境液体5-2的折射率。因为透射式SPR光纤传感器的能识别的环境液体5-2的折射率范围为1.33-1.385，故配置的环境液体5-2的折射率范围为1.33-1.385，实验表明折射率增大时传感光谱红移，折射率减小时传感光谱蓝移，为了得到完整、效果优良的传感光谱，环境液体5-2的折射率选为1.355。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种光纤微位移传感及校正装置所述的渐变多模光纤6光纤直径范围为50μm-100μm，数值孔径范围为0.14-0.3，光纤的数值孔径越大，收光能力越强，实验表明选取光纤直径为100μm，数值孔径为0.3的渐变多模光纤6传感效果最佳。
采用上述的一种光纤微位移传感及校正装置进行光纤微位移传感的方法，其特征在于，所述光纤微位移传感的方法包括：
步骤一：取一根50cm长的渐变多模光纤6，将渐变多模光纤6的两端1cm-2cm处用光纤钳剥除涂覆层，用无纺布蘸取酒精和乙醚的混合液，反复擦拭包层进行清洁，除去光纤上的杂尘及碎屑，用光纤切割刀将清洁后的渐变多模光纤6的两个端面切割平整；
步骤二：在距渐变多模光纤6的光接收端5cm处选取一段1cm的光纤，用光纤钳剥除此段的涂覆层，使用无纺布蘸取酒精和乙醚的混合液，反复擦拭此段包层进行清洁，除去光纤上的杂尘及碎屑。用氢氟酸腐蚀或光纤侧抛的方法除去此段包层，建议用氢氟酸腐蚀法，因为光纤表面越光滑实验效果越好，光纤侧抛方法侧抛的光纤表面不如氢氟酸腐蚀方法得到光纤表面光滑，因此选取氢氟酸腐蚀法来提高实验的成功率。得到了微位移SPR传感探针5的传感凹槽，将传感凹槽固定于载玻片上，传感凹槽方向朝上；
步骤三：清洗小型离子溅射仪，为微位移SPR传感探针5镀纳米金属薄膜5-1，将载有传感凹槽的载波片置于小型离子溅射仪的镀膜区域，通过调节小型离子溅射仪的电流与镀膜时间，镀制55nm厚的金膜，取出，镀置的金膜厚度是否满足要求通过三维形貌分析仪检测；
步骤四：被测单模光纤2的光接收端连接至光源1的光出射端，保证被测单模光纤2接收光源1的出射光，被测单模光纤2的光出射端置于三维微位移平台3上，固定在左侧光纤夹具4上，端面方向朝右；
步骤五：将渐变多模光纤6的光接收端置于三维微位移平台3上，渐变多模光纤6固定在右侧光纤夹具4上，端面方向朝左，渐变多模光纤6的光出射端连接至光谱仪7的光谱接收端，使得光谱仪7能够接收到传感光谱；
步骤六：用甘油和蒸馏水调配折射率为1.355的环境液体5-2，通过改变甘油与蒸馏水的比例，即可调配出不同折射率的环境液体5-2，调配过程中通过阿贝折射率分析仪标定环境液体5-2的折射率，将配置好的环境液体5-2放入滴瓶中备用；
步骤七：打开光源1与光谱仪7的开关，用环境液体5-2充满微位移SPR传感探针5的传感凹槽；
步骤八：调节三维微位移平台3使得被测单模光纤2与渐变多模光纤6的端面正对，调节过程为：反复调节三维微位移平台3的X,Y,Z三个方向，观察光谱仪7接收到的传感光谱，当传感光谱强度最大时即为被测单模光纤2与渐变多模光纤6正对。此时纤芯Ⅰ2-1与纤芯Ⅱ6-1轴线重合，渐变多模光纤6接收被测单模光纤2的出射光，光谱仪7接收到光强最强的传感光谱，此传感光谱作为被测单模光纤2在基准位置的基准光谱；
步骤九：分别沿X,Y方向调节三维微位移平台3，使得被测单模光纤2的光出射端沿端面所在平面产生微位移，保证纤芯Ⅱ6-1接收到纤芯Ⅰ2-1的出射光，同时光谱仪7接收到微位移传感光谱。调节三维微位移平台3的X，Y方向的原因为：Z方向仅影响传感光谱的强度值，不影响SPR现象的SPR入射角，当Z方向的值固定后不再改变，被测单模光纤2的光出射端所处的X，Y方向的位置影响SPR入射角，从而当被测单模光纤2的光出射端沿X，Y方向发生位置偏移时，光谱仪7接收到传感光谱，实验表明传感结构的传感性能的线性度4％、灵敏度3.0nm/μm；
步骤十：汇总当被测单模光纤2的光出射端产生微位移时的传感谱线，得到光纤微位移传感参考谱。
采用上述的一种光纤微位移传感及校正装置进行光纤位置校正的方法，其特征在于，所述光纤微位移校正的方法包括：
步骤一：连接好光纤微位移传感及校正装置，打开光源1与光谱仪7的开关，光源1的出射光通过被测单模光纤2传输至渐变多模光纤6，光在通过微位移SPR传感探针5时激发SPR现象，传感光谱通过渐变多模光纤6传入光谱仪7，光谱仪7接收到实时的传感光谱。
步骤二：将传感光谱与光纤微位移传感参考谱对比找出被测单模光纤2的光出射端发生了哪个方向的偏移，调节三维微位移平台3对应的方向，使得传感光谱与基准光谱重合，被测单模光纤2的光出射端位置得以校正。
本发明的工作原理是：
渐变多模光纤6即纤芯Ⅱ6-1内部的折射率不是恒定不变的，其随着所处位置不同发生连续性变化，且光的方向性很强，在显微镜下可以清晰的捕捉到光的传输轨迹。更为细致的说渐变多模6的特性为：渐变多模光纤6中，光以正余弦的形式A、B向前传输。当向渐变多模光纤6注光的被测单模光纤2的位置变化时，注光位置距离纤芯轴线垂直距离越近光传输轨迹的波峰波谷距纤芯轴线的偏移量越小，相反的注光位置距离纤芯轴线垂直距离越远光传输轨迹的波峰波谷距纤芯轴线的偏移量越大。
光纤中的光以全反射的形式向前传输，当光传输至微位移SPR传感探针5区域时，在环境液体5-2的作用下，光的倏逝波与纳米金属薄膜5-1中的自由电子频率一致时发生共振，使得自由电子吸收光子的能量，该共振频率的光能量急剧下降，光的全反射条件被破坏，使得传感光谱中此共振频率处出现共振波谷，即为光纤SPR传感器的工作原理，光纤SPR传感器的影响因素包括光的SPR入射角α、β，纳米金属薄膜5-1的厚度等。
用渐变多模光纤6制作透射式微位移SPR传感探针5，当向渐变多模光纤6注光的被测单模光纤2位置发生有规律的变化时，渐变多模光纤6中光的传输轨迹随之改变如：A变为B，从而改变SPR现象的光的SPR入射角α变为β，光的SPR入射角的变化导致与SPR的共振光频率发生变化，进而传感光谱上的共振波谷的位置发生有规律的变化，实现微位移传感功能。
标记被测单模光纤2的光出射端在基准位置时的传感光谱，并汇总被测单模光纤2所处不同位置时的光纤微位移传感参考谱，当其位置发生偏移时通过对比光纤微位移传感参考谱，找出被测单模光纤2的光出射端发生了哪个方向的偏移，调节三维微位移平台3对应的方向，使得传感光谱与基准光谱重合，被测单模光纤2的光出射端位置得以校正。
本发明的工作过程是：
打开光源1与光谱仪7的开关，使得光源1的光经过被测单模光纤2传输至渐变多模光纤6中，光传输至微位移SPR传感探针5时发生SPR现象，光谱仪7中得到传感光谱，调节三维微位移平台3使得光谱仪7中传感光谱的光强最大，此时被测单模光纤2与渐变多模光纤6正对，将该光谱保存并标记为被测单模光纤2所在基准位置的基准光谱。
调节三维微位移平台3的X,Y方向，使得被测单模光纤2的光出射端发生微位移，光谱仪7中传感光谱的共振波谷位置发生变化，因此该装置可实现对被测单模光纤2的光出射端的微位移的传感，并可得到全部被测单模光纤2不同位置时的光纤微位移传感参考谱。实验表明传感结构的传感性能的线性度4％、灵敏度3.0nm/μm。
当被测单模光纤2的光出射端偏移基准位置时，可得到实时的传感光谱，通过与光纤微位移传感参考谱对比，找出被测单模光纤2的光出射端发生了哪个方向的偏移，调节三维微位移平台3对应的方向，使得传感光谱与基准光谱重合，被测单模光纤2的光出射端位置得以校正。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。