基于表面等离子体共振的光纤海水温盐传感器特邀研究论文
1 引言
海水中各参数的定量检测对研究海洋学、海洋环境检测、季节气候预测以及海洋渔业等具有十分重要的现实意义,是了解海洋变化规律的重要途径之一。对海水中的温度与盐度变化进行实时监测,能够更直观地了解海水的状态,进而对海水密度、极地海域结冰融化、沿海地区降雨量与洋流变化等现象进行分析[1-2]。传统的海水盐度测量方法如电导法,虽然检测精度高,但是设备体积庞大且价格昂贵,易受到电磁干扰[3]。此外,水下电源线路搭建、水下洋流干扰以及设备维修成本等因素,大大制约了传感器的水下检测能力。相比之下,光纤传感器因其优良的传感性能,小巧的体积,良好的抗电磁干扰能力和远距离传输能力而备受关注[4-5]。
近年来,许多科研人员已提出多种光纤传感技术,主要的检测方法有:光纤干涉仪[6-8]、光纤光栅[9-10]、光纤表面等离子体共振(SPR)传感器[11-13]等。其中,光纤SPR传感器以其优越的折射率传感特性等优势,在检测领域具有很大的应用前景。传统的光纤SPR传感器只能对单一参数进行检测,而对海水这种复杂的被测物质而言,单一参数的检测无法满足需求。与普通的SPR传感器相比,基于双重SPR效应的检测方案可以直观地观测到不同的光学信号对不同变量的响应差异[14]。本文提出了一种用于海水盐度和温度测量的光纤SPR传感器。该传感器通过在两段多模光纤(MMF)中熔接一段光子晶体光纤(PCF),在PCF上镀金膜以激发SPR效应,在PCF部分区域固化温度敏感材料聚二甲基硅氧烷(PDMS),最终实现单个传感结构上的双参数测量。将固化PDMS区域作为温度敏感区域,另一部分作为盐度敏感区域,同时检测海水的温度及盐度信息。该传感器具有灵敏度较高、支持双参数测量等优点,其对其他检测领域的双参数同时检测具有借鉴意义。
2 理论与实验
2.1 光纤SPR原理
SPR效应是一种由光的全反射原理激发的特殊光学现象,当入射光被传输到外表面涂覆金膜的光纤中时,光在纤芯-金膜界面处发生全内反射,产生倏逝波。倏逝波的波矢大小
式中:
倏逝波会引发金属表面的自由电子产生表面等离子体波(SPW),其波矢大小
式中:
时,有
式中:
式中:
2.2 传感探头制作
传感探头如
选择在PCF表面镀金激发SPR效应,镀膜设备采用英国Q300T D离子溅射仪,通过改变电流强度与时间对金膜厚度进行精密控制。镀膜时放电电流设定为20 mA,放电时间设定为160 s,相对应金膜厚度为40 nm。为了激发双重SPR效应,在一部分PCF上固化温度敏感材料PDMS。PDMS固化过程为:取质量比为10∶1的PDMS与固化剂,混合均匀后,静置30 min待PDMS混合试剂无明显气泡后,将其涂覆到光纤上,放入干燥箱中进行固化,温度设定为80 ℃,干燥时间为150 min。由于PDMS的折射率(1.40~1.42)高于海水折射率(1.33~1.34),当外界环境折射率变化时可以同时形成两个SPR共振峰。
2.3 海水温度实验
实验系统如
图 2. 实验系统。(a)卤素光源;(b)海洋光谱仪;(c)计算机;(d)恒温箱;(e)传感探头
Fig. 2. Experimental system. (a) Halogen light source; (b) marine spectrometer; (c) computer; (d) thermostat; (e) sensing probe
图 3. 海水温度实验。(a)实验光谱图;(b)线性拟合图
Fig. 3. Seawater temperature experiments. (a) Experimental spectrograms; (b) linear fitting diagram
由
2.4 海水盐度实验
实验采用的海水生产自国家海洋标准计量中心,盐度为4.999‰,20.004‰,30.007‰,34.992‰,40.004‰(相对应折射率为1.3329,1.3356,1.3373,1.3382,1.3391)。当环境温度为22 ℃时,注入不同盐度的海水以及去离子水进行测量与清洗,获得的实验光谱情况如
图 4. 海水盐度实验。(a)实验光谱图;(b)线性拟合图
Fig. 4. Seawater salinity experiments. (a) Experimental spectrograms; (b) linear fitting diagram
2.5 传感器稳定性
对该传感器稳定性进行实验分析。实验中将海水盐度,温度设为恒定,从0 min开始,分别记录15 min、30 min、60 min、90 min和120 min的光谱变化情况。随着时间的增加,光谱的响应变化情况如
图 5. 稳定性实验。(a)吸收光谱稳定性变化;(b)120 min内共振峰波长变化情况
Fig. 5. Stability testing. (a) Absorption spectrum stability change; (b) changes in resonance peak wavelength within 120 min
3 分析与讨论
通过海水温度、盐度以及稳定性实验,研究了传感器的透射光谱特性。实验表明,该传感器对盐度与温度都有一定的响应特性,能够同时激发两个SPR检测信号,对同一变量有着不同的响应灵敏度。在温度响应实验中,SPR2(PDMS)的温度灵敏度(-2.021 nm/℃)约为SPR1的温度灵敏度(0.133 nm/℃)的15.2倍,证明了PDMS对温度具有很强的增敏效果。温度响应实验中,SPR1共振峰红移,其原因为温度的变化对海水盐度有着很大的影响,这是温度交叉敏感性造成的影响。在盐度响应实验中,固化PDMS区域的SPR共振峰原则上不移动,因为PDMS作为温度敏感材料,当温度保持不变时,其折射率不发生改变,但温度与盐度的交叉敏感性,使得SPR2发生蓝移。将传感器对温度和盐度的测量实验结果带入交叉敏感矩阵,可得传感器对温度和盐度的交叉敏感矩阵为
式中:
表 1. 传感器性能对比
Table 1. Sensor performance comparison
|
该传感器的最大盐度灵敏度为0.418 nm/‰,对应的折射率灵敏度为2369.518 nm/RIU(RIU为折射率单元)。最大温度灵敏度可达-2.021 nm/℃。所提传感器性能与国内外其他相关研究的性能对比,如
4 结论
提出了一种基于PCF的SPR传感器。传感器部分区域固化PDMS,激发双重SPR效应,并对海水的温度、盐度以及稳定性进行研究分析。实验结果表明,该传感器具有很好的温度灵敏度与盐度灵敏度,可以通过交叉敏感矩阵进行数据解调。所提传感器的两个SPR共振峰的海水温度灵敏度分别为-2.021 nm/℃和-0.133 nm/℃,盐度灵敏度为0.418 nm/‰与-0.340 nm/‰。本实验温度响应区间为13~29 ℃,盐度测量范围为4.999‰~40.007‰。研究结果对基于PCF的SPR传感器有一定的借鉴意义。
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