一种基于SPR的光纤传感器及其制备方法与流程

本申请涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种基于spr的光纤传感器及其制备方法。

背景技术：

目前电力变压器的老化问题已成为电力系统能否长期稳定运行的关注焦点，作为电力变压器绝缘的重要组成部分，变压器油在长期运行过程中由于受到各种因素的影响，发生不可逆转的老化，降解产生co、糠醛、甲醇及丙酮等物质溶于变压器油中。研究表明，老化的变压器油折射率较高，因此，可以通过测量变压器油的折射率来监测变压器的老化程度。

基于spr的光纤传感器可以用来测量变压器油的折射率，目前常用的基于spr的光纤传感器为：将光导纤维的包层去除一部分替换为一定厚度的金属膜，光纤在光导纤维内传输时不断发生全反射，透射波在金属膜和介质接触界面发生表面等离子共振，最后反射光从光导纤维的另一端出射，通过检测其光谱的相关参数即可测量待测样品的折射率；但是由于温度对折射率的强烈影响，光纤折射率传感器受环境温度扰动的影响较大，而常规的基于单信号spr的光纤传感器无法补偿环境干扰的影响，外部温度波动会在spr信号中产生重大变化，从而可能导致错误的折射率测量。

为了补偿环境干扰对折射率测量的影响目前有两种方法，第一种方法是：在基于棱镜的spr光纤传感器中使用两个独立的金属涂层光纤段，产生双通道spr，第二种方法是：通过与用于温度感测的fabry-perot干涉仪进行级联，以减少外部温度干扰对spr传感器响应的影响，但第一种方法中所用光纤的外径大于标准通信网络中使用的光纤的外径，第二种方法中会导致传感器的总长度太长，长达几厘米。

技术实现要素：

本申请提供了一种基于spr的光纤传感器及其制备方法，以补偿温度对折射率的影响测量变压油的折射率。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

第一方面，本申请提供了一种基于spr的光纤传感器，所述光纤传感器为多模-单模-多模光纤，其中：

所述多模-单模-多模光纤包括依次连接的多模光纤、单模光纤及多模光纤；

单模光纤包层的两端均涂敷有铬薄膜层，所述铬薄膜层的表面涂敷有金薄膜层；

所述金薄膜层包括等长度的第一区域和第二区域，所述第一区域的表面涂敷有聚二甲基硅氧烷，所述第二区域设为裸漏层。

可选的，所述铬薄膜层的表面涂敷有双层金薄膜层。

可选的，所述铬薄膜层的厚度为3-7nm。

可选的，所述金薄膜层的厚度为25-35nm。

第二方面，本申请还提供了一种基于spr的光纤传感器的制备方法，所述方法包括：

通过热蒸发工艺在单模光纤包层的两端均涂敷铬薄膜层；

通过热蒸发工艺在所述铬薄膜层的表面涂敷金薄膜层；

在所述金薄膜层的所述第一区域表面涂敷二甲基硅氧烷；

所述二甲基硅氧烷固化后得到基于spr的光纤传感器。

可选的，所述在所述金薄膜层的所述第一区域表面涂敷二甲基硅氧烷包括：

将丙烯酸树脂片置于帕耳帖板上；

将所述二甲基硅氧烷与固化剂混合后静止至无气泡逸出；

将所述多模-单模-多模光纤悬挂于所述丙烯酸树脂片上，所述多模-单模-多模光纤与所述丙烯酸树脂片间距离为1mm；

将二甲基硅氧烷放在所述丙烯酸树脂片上，完成对所述金薄膜层的第一区域表面涂敷二甲基硅氧烷。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

由上述可见，本申请提供的一种基于spr的光纤传感器及其制备方法中，光纤传感器为多模-单模-多模光纤，其中：所述多模-单模-多模光纤包括依次连接的多模光纤、单模光纤及多模光纤；单模光纤包层的两端均涂敷有铬薄膜层，所述铬薄膜层的表面涂敷有金薄膜层；所述金薄膜层包括等长度的第一区域和第二区域，所述第一区域的表面涂敷有聚二甲基硅氧烷，所述第二区域设为裸露层；本申请中镀金单模光纤的一半覆盖有聚二甲基硅氧烷(pdms)，以在光纤传输光谱中产生两个独立的spr共振波谷，第一个共振波谷是由裸露层的镀金光纤产生的，其共振波长由周围介质的折射率和温度调节；第二个共振波谷是由涂敷有聚二甲基硅氧烷的光纤的，其为专门用于监测液体样品温度变化的共振波谷；根据这两个共振波谷对应的波长位移量变化可以得到变压器油的温度变化与折射率变化。

本申请通过对pdms共振波谷的波长位移变化实现了对温度变化的测量，进而有效地补偿了裸露层光纤部分对物质折射率变化测量时所面临的热扰动，从而得到更准确的变压器油的折射率变化。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种基于spr的光纤传感器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种基于spr的光纤传感器的制备方法流程示意图。

其中：

1-多模光纤，2-单模光纤，3-单模光纤包层，4-铬薄膜层，5-金薄膜层，6-第一区域，7-第二区域。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

参见附图1，附图1示出了本申请实施例提供的一种基于spr的光纤传感器的结构示意图；下面结合附图1对本申请实施例提供的一种基于spr的光纤传感器进行说明。

第一方面，本申请提供了一种基于spr的光纤传感器，所述光纤传感器为多模-单模-多模光纤，其中：

所述多模-单模-多模光纤包括依次连接的多模光纤1、单模光纤2及多模光纤1；本申请实施例中多模-单模-多模光纤为镀金光纤，将长度为l的单模光纤插入两根多模光纤之间，即形成多模-单模-多模光纤，由于光纤的纤芯直径不匹配，耦合到单模光纤的部分光以包层模式传播，因此单模光纤包括单模光纤包层3。

本申请实施例中多模-单模-多模光纤为镀金光纤，为了加强金层更好地粘附于单模光纤2的表面，本申请中首先在单模光纤包层3的表面涂敷有铬薄膜层4，然后在所述铬薄膜层4的表面涂敷有金薄膜层5；铬薄膜层4作为粘结中间涂层材料，可促进金薄膜层5在单模光纤表面的粘附性。其中，所述铬薄膜层4的表面涂敷有双层金薄膜层；所述铬薄膜层4的厚度为3-7nm；所述金薄膜层5的厚度为25-35nm。

所述金薄膜层5包括等长度的第一区域6和第二区域7，所述第一区域6的表面涂敷有聚二甲基硅氧烷(pdms)，所述第二区域7设为裸露层，也就是，金薄膜层5一半的长度上涂敷有聚二甲基硅氧烷，另一半为不涂敷任何物质的裸露层。

由于二甲基硅氧烷(pdms)具有高的负热光系数，其固化后，透射光谱中涂敷有聚二甲基硅氧烷的第一区域处会出现一个共振波谷，该共振波谷只有当温度发生变化时，才表现出可测量的位移；将本申请提供的光纤传感器浸入变压器油中，裸露层会产生共振波谷位移，该共振波谷位移是由于变压器油的折射率和变压器油的折射率随温度变化而产生的综合影响，也就是该共振波长由周围介质的折射率和温度调节。

可见，本申请中镀金单模光纤的一半覆盖有聚二甲基硅氧烷(pdms)，以在光纤传输光谱中产生两个独立的spr共振波谷，第一个共振波谷是由裸露层的镀金光纤产生的，其共振波长由周围介质的折射率和温度调节；第二个共振波谷是由涂敷有聚二甲基硅氧烷的光纤产生的，其为专门用于监测液体样品温度变化的共振波谷。

将本申请提供的光纤传感器连接至白光源和光谱分析仪间，将传感器放入变压器油中，当温度升高时，因为水溶液与pdms的热光系数均为负的，因此折射率都会降低，两个共振波谷都会移向更短波长，但由于pdms具有高的负热光系数，λpdms的位移是λbare的十倍；当温度不变，溶液折射率增加时，裸露层光纤部分的共振波谷会移向更长波长，而pdms覆盖部分的共振波谷不变。从而，通过对pdms共振波谷的位移变化实现了对温度变化的测量，进而有效地补偿了裸露层光纤部分对物质折射率变化测量时所面临的热扰动，因此，通过传输光谱共振波长位移量δλbare和δλpdms可以实现对温度变化δt和折射率折射率变化δn的测量。具体包括：

将本申请提供的光纤传感器浸入变压器油中，裸露层会产生共振波谷位移，该位移记为δλbare；当温度发生变化时，涂敷有聚二甲基硅氧烷的第一区域表现出的位移记为δλpdms，温度变化δt和折射率变化δn与δλbare及δλpdms的关系式为：

由上述关系式可以得知，

δλbare＝-0.280δt+2323.4δn；(2)

δλpdms＝-2.85δt；(3)

由式(2)和式(3)也可以看出，涂敷有聚二甲基硅氧烷的光纤表现出的位移记为δλpdms仅仅受温度变化的影响，裸露层会产生共振波谷位移由周围介质的折射率和温度共同调节。

首先，根据已知的δλpdms结合式(3)可以计算出温度变化δt，然后根据已知的δλbare、温度变化δt可以计算出变压器油的折射率变化δn。

本申请通过对pdms共振波谷的波长位移变化实现了对温度变化的测量，进而有效地补偿了裸露层光纤部分对物质折射率变化测量时所面临的热扰动，从而得到更准确的变压器油的折射率变化。

参见附图2，附图2示出了本申请实施例提供的一种基于spr的光纤传感器的制备方法流程示意图；下面结合附图2对本申请实施例提供的一种基于spr的光纤传感器的制备方法进行说明。

第二方面，本申请还提供了一种基于spr的光纤传感器的制备方法，如图2所示，所述方法包括：

s110：通过热蒸发工艺在单模光纤包层的表面涂敷铬薄膜层。

铬薄膜层作为粘结中间涂层材料，可促进金薄膜层在单模光纤表面的粘附性。

s120：通过热蒸发工艺在所述铬薄膜层的表面涂敷金薄膜层。

在本申请实施例中，通过增加热蒸发工艺的次数可以增加金薄膜层的均匀性，如本实施例中，采用两次热蒸发工艺在所述铬薄膜层的表面涂敷双层金薄膜层。

s130：在所述金薄膜层的所述第一区域表面涂敷二甲基硅氧烷。

将二甲基硅氧烷聚合物与固化剂混合，然后静置该混合物，直到所有气泡从中散发出来。同时，将丙烯酸树脂片放在珀耳帖板上，并将镀金光纤悬挂在上面，以使单模光纤与丙烯酸树脂之间留有一毫米间隙；最后，将pdms倒在丙烯酸树脂片上，对单模光纤的一半进行涂覆，以在光纤传输光谱中产生两个独立的spr共振波谷，构建两个独立的感应区域，实现对温度与折射率变化的同时测量。

s140：所述二甲基硅氧烷固化后得到基于spr的光纤传感器。

通过将样品在80℃加热6小时来固化pdms，并且该过程产生了一半的单模光纤包埋在pdms膜中，使其可用于同时监测折射率和温度。

包被后，通过测量共振波谷的光谱位移来表征包金的mm-sm-mm光纤对外部温度与折射率变化的响应。

由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。