[发明专利]一种基于表面等离子体共振的温度测量装置及方法

说明书

本发明属于光电检测技术领域，涉及一种基于表面等离子体共振的温度测量装置及方法。该装置包括光源、光纤传感器、光谱仪、隔离器、环形器、单模光纤，所述的光纤传感器为基于表面等离子体共振及应变补偿的光纤温度传感器，该传感光纤为实心的光子晶体光纤，由纤芯向外的第二层六边形介质孔层的相对边中心位置的两个介质孔内壁分别镀有产生表面等离子体共振的金属薄膜，镀有金属薄膜的一个介质孔及同层相邻的两个介质孔中填充介质A，介质A未填充的所有介质孔中填充介质B，当环境温度发生变化时，金属薄膜A和B的共振波长变化不一致，求得应变值，进而消除应变影响求得温度值。解决了温度传感中应变对测量结果准确性的影响问题。

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，涉及一种基于表面等离子体共振的温度测量装置及方法。

背景技术

在石油化工、钢铁、核电等工业领域的诸多生产环节中，对温度量值的准确测量不仅关系生产质量，更关系到生产的安全。由于在防爆要求较高、电磁干扰较强和强腐蚀环境中电子式温度传感设备无法使用，而光纤设备具有本征安全、抗电磁干扰、抗强腐蚀的特点，因此光纤温度传感技术成为温度传感的重要方向之一。目前光纤温度传感方法主要利用光纤光栅、光纤谐振腔作为传感器测量被测环境的温度。但是由于光纤光栅和光纤谐振腔对应力也敏感，因此在测量温度的同时，测量结果会受到应力的影响。此外，光纤光栅和光纤谐振腔的温度灵敏度不够高，例如，光纤光栅的温度灵敏度为0.01nm/℃，而目前通用的光谱仪的光波长分辨力只有0.02nm，因此无法实现高精度的温度测量。

表面等离子体共振现象是一种非线性光学现象，当满足一定条件的光透过光介质照射到金属表面时，会将光能传递给电子，形成等离子体，这一现象为表面等离子体共振，产生表面等离子体共振最强烈时所对应的光波长即为表面等离子体共振波长。由于表面等离子体共振波长对光介质折射率有较高的灵敏度，同时利用光子晶体光纤的结构特点，光纤表面等离子体技术广泛应用于高灵敏度介质折射率测量，进一步，利用介质的折射率与介质温度间的关系实现温度测量。由于光子晶体光纤和金属的几何尺寸和结构同样会影响共振波长，因此当光纤传感器收到应力影响产生应变时，会使温度的测量结果产生偏差。但是目前的基于表面等离子体共振技术的光纤传感器无法消除应变对测量结果的影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，通过能够同时测量应变和温度的基于表面等离子体共振的光纤传感器，实现不受应变影响且具有高灵敏度的光纤温度测量装置及方法。可以在测量装置中产生两个不同的表面等离子体共振现象，利用两个表面等离子体共振现象的共振波长随温度和应变移动的特点解算出应变值，并进而计算出应变补偿后的温度值。

本发明的具体技术方案为：

一种基于表面等离子体共振的温度测量装置，包括光源、光纤传感器、光谱仪、隔离器、环形器、单模光纤；所述的光源为宽谱光源，光谱范围覆盖光纤传感器工作波长范围；光谱仪的工作波长范围覆盖光纤传感器工作波长范围；光源通过单模光纤与隔离器相连，隔离器只允许光信号单向传输；环形器通过单模光纤分别与隔离器、光纤传感器和光谱仪相连，其中从单模光纤AB入射环形器的光从单模光纤AC输出，从单模光纤AC入射环形器的光从单模光纤AD输出；所述的光纤传感器为基于表面等离子体共振及应变补偿的光纤温度传感器，其主要结构为传感光纤，该传感光纤为实心的光子晶体光纤，光子晶体光纤的介质孔以纤芯为中心呈正六边形多层排布，介质孔排布层数至少两层，介质孔的直径与任意两个相邻的介质孔间距离的比值是3：5，由纤芯向外的第二层六边形介质孔层的相对边中心位置的两个介质孔内壁分别镀有金属薄膜，所述金属薄膜采用能产生表面等离子体共振的金属材料；所述镀有金属薄膜的一个介质孔及同层相邻的两个介质孔中填充介质A，所述介质A的折射率与温度间为负相关关系；介质A未填充的所有介质孔中填充介质B，所述介质B的折射率不受温度影响。

进一步地，上述光纤传感器的介质孔间距离为2μm。

进一步地，上述传感光纤外包裹保护套管，保护套管材料为石英或有机玻璃。