一种基于SPR的室内环境自动监测与调控系统

一种基于spr的室内环境自动监测与调控系统
(一)技术领域
1.本发明涉及的是一种级联分布式光纤spr传感器，可同时对环境中温度、湿度进行实时监测，属于光纤传感技术领域。
(二)

背景技术：

2.光纤传感器本质上是以光信号作为被测对象的信号介质，以光纤光路作为光信号传输的载体。当外界环境参数，如温度、压力、磁场、折射率等，与传感器中的光纤或连接到光纤上的调制器相互作用，转变为可以进行测量的光信号，通过测量光纤中传输光信号的光学性质的变化，如光强度、波长、频率、相位、偏振态等，从而得到被测参数的信息，就可以对外界环境参量进行传感。
3.光纤传感器的缺陷在于输出信号会受到长距离传输损耗、光源波动、探测器老化等因素的影响，这些缺陷导致传感器的稳定性和灵敏度的降低。所以在众多应用领域的竞争中，光纤传感器需要清楚的证明其相较于其它成熟技术的优越性，并且需要以完整系统的形式提供产品。
4.光纤传感器目前最大的不足在于其产品大多还处于实验室阶段，由于其技术条件及制造成本等因素的限制，相比于其他更加成熟的技术，光纤传感器还不能在实际生活中投入大规模的商业化使用，本发明解决了技术问题，通过与室内设备互联，进行室内环境质量的监测与调控，可以在现实生活中投入使用。
5.表面等离子体共振(surface plasmon resonance,spr)是利用入射光在介质与金属两种具有不同介电属性的介质分界面发生全反射时产生的倏逝波，引发金属表面的自由电子振荡，从而产生表面等离子体波(surface plasmon wave,spw)，当倏逝波与spw相互匹配时二者即发生共振，此时全反射会被破坏，某一特定波长的光被自由电子所吸收，造成其能量急剧降低，在共振光谱图上反映为一个共振谷。当金薄膜表面物质的折射率或spr共振激发角改变时，共振谷会发生漂移，将共振谷的漂移量与被测参量变化一一对应，即可实现待测参量的测量。
6.基于等离子共振的光纤传感器目前研究方向很多，其中高度集成、多变量检测、高灵敏度为spr传感器发展的重要发展方向。高集成高灵敏度多变量传感器可以对多参量进行实时检测，提高了检测效率和精度，降低了检测成本，为spr传感器在实际生活中的使用提供了可能。
7.本发明为光纤传感器与智慧城市相结合提供一种可能。所谓的智慧城市是指使用技术框架和信息来改善城市管理并鼓励经济增长的城市。在智慧城市中，传感器，摄像头，无线设备，数据中心的网络构成了关键的基础架构，各种通信工具与连接对象的网络进行交互，它可以及时传输、接收和分析有关当前状况和事件的数据，使市民能够以更快，更有效的方式提供基本服务。
8.在智慧城市中传感器将成为智能基础架构的核心，是隐藏于城市景观中但无处不在的组成部分，是任何智能控制系统的重要组成部分。数字化和物联网的进步正在推动传
感器技术在城市之间的大规模采用，再结合人工智能和5g高速网络等关键技术支持，城市中集成的传感器网络建立的传感器网络，可以启用多个连接的应用程序，例如环境监控，公共安全，有助于减少重复的资金成本，并且不需要多个单独的复杂网络，以实现公共资源的最佳利用。
9.综上所述，开发一种基于多通道的多变量检测传感器是现在光纤spr传感器的重要研究方向。
10.专利申请号202110245007.x的中国发明专利“一种光纤温度传感器及其制备方法”提出了一种单通道的光纤spr传感器，只能对环境温度单一参数进行传感，工作效率较低，相比于双通道传感制作成本较高。
10.专利申请号202011452594.1的中国发明专利“一种双通道塑料光纤spr传感器及其制备方法”提供了一种双面侧抛型双通道spr传感器，专利申请号202110075616.5的中国发明专利“一种折射率温度同时测量的光纤传感器及制备方法”提出了一种锥形光纤双通道传感器，上述两项专利可同时检测折射率和温度，但无法对环境中湿度进行检测。
11.文献“cheng t,li b,zhang f,et al.a surface plasmon resonance optical fiber sensor for simultaneous measurement of relative humidity and temperature.ieee sensors journal.2022；22(4):3246-3253”提出了一种级联双通道传感器，用来检测相对湿度与温度。但该结构采用多模与无芯光纤，制作成本较高，不易大规模生产。
12.文献“wang j-k,ying y,hu n,cheng s-y.double d-shaped optical fiber temperature and humidity sensor based on ethanol and polyvinyl alcohol.optik.2021；242”提出了双d形光纤结构传感器，用来检测温度和湿度，相比于级联结构其制作较为复杂，且温度的灵敏度较低。
13.综上所述，多通道检测是目前光纤传感器的重要发展方向，多通道光纤传感器可同时检测环境中的多组参数，相比于单通道光纤传感器，其集成度高，制作成本更低，为光纤传感器的大规模生产制造提供了可能，通过与家居设备如空调、加湿器、空气净化器等设备进行互联，及时对室内环境进行调控。结合人工智能、5g网络以及大数据等关键技术，会有更大的发展空间。
(三)

技术实现要素：

14.本发明的目的在于提供一种制备简易，成本低，可同时监测环境温度和湿度的光纤spr传感器。
15.本发明的目的是这样实现的：
16.一种基于spr的室内环境自动监测与调控系统，其特征是：它由宽谱光源1，1:n分光器2，光纤spr传感器3，高分辨光谱分析仪4，计算机处理系统5共同组成。光纤spr传感器3由301和302两个传感区构成，其中301区域镀金属膜和增敏膜以及pdms聚合物用于检测室内环境的温度，302区域镀金属膜和增敏膜以及pva聚合物薄膜用于检测室内湿度。从宽带光源1射出的光经过1:n分光器2在光纤spr传感器3的两个区域形成倏逝场并进入金属膜，并与金属膜中的自由电子相互作用，激发在金属膜表面传播的表面等离子体波，进入增敏膜层中，当外部环境与两个区域不同的薄膜发生相互作用，根据等离子体共振机理，吸收特
定波长的能量，透射出的光谱被高分辨光谱分析仪4接收，由于两个传感区对温度和湿度的敏感度不同，由此产生两个不同波长区间的共振峰，经计算机分析系统5对共振波长进行判断处理，实现对温度与湿度的监测，数据结果分析后，结合人工智能以及大数据处理技术与家用空调，空气净化器，加湿器设备互联从而对室内环境进行调控。
17.本系统的光纤spr传感是基于波长调制的方法，即保持光的入射角度不变，通过检测共振波长的变化来检测外界环境折射率的变化。在发生共振时，某一特定波长的光被自由电子所吸收，造成能量急剧降低，在共振光谱图上反映为一个共振谷。共振峰的特征参数不仅与金属膜的种类和厚度有关，还与光纤的参数和外界环境折射率的大小有关。当以上参数发生改变时，共振谷会发生漂移，将共振谷的漂移量与被测参量变化一一对应，即可测量待测参量。
18.通过理论可知，k
sp
和kz的公式：
[0019][0020][0021]
由上述公式可知，光纤spr的透射率与外部环境的折射率，金属层的介电常数以及金属膜层的厚度存在关系，这也是我们进一步对性能进行优化的依据。
[0022]
在传感器所使用光纤的选择上，本发明传感器所用光纤不局限于应用一种特定的光纤，其不仅可以是石英单模光纤或塑料光纤还可以是微结构光纤等。其中单模光纤纤芯与包层相对折射率范围为0.005-0.01，数值孔径为0.12～0.2。微结构光纤纤芯与包层相对折射率范围为0.5-0.8，数值孔径为0.08～0.35。
[0023]
在决定光纤的形式之后，由理论可知，这种spr效应主要是对光纤传播中的倏逝场的利用，为了增大倏逝场，我们采用去除包层的光纤，这种特殊光纤的形式可以为单d型光纤或双侧抛d型光纤或抛去部分包层的圆形光纤,选择不同的光纤，其产生的共振波长会有所不同，根据所需波长的不同，选择合适的光纤。
[0024]
由于倏逝波的长度仅为100nm左右，所以在产生spr现象时，光纤包层的剩余厚度影响着传感区的电场强度，结合comsol软件的仿真数据，最后选择将光纤包层剩余厚度抛至0-2um，根据不同的光纤类型，选择合适的剩余厚度，在此厚度下，镀金属薄膜和增敏材料，产生的spr图谱所取得的共振峰效果较好。
[0025]
其中，传感去所镀金属膜可以选择不同金属膜，如金膜或银膜，还可以是金属膜混合等，所镀金属膜层厚度为20nm-50nm，此区间内的共振波长会随所镀膜层厚度的变化而变化，为达到将共振波长区分开的目的，相应的选择合适的金属膜材料和厚度。
[0026]
在将两个传感区共振波长区分开的同时，还要保持较高的灵敏度，所以传感区301和302所镀增敏膜可以选择金属氧化物或以石墨烯为代表的二维材料或过渡金属硫化物等，均可提升传感器的灵敏度。
[0027]
其中二维材料可选择mos2或石墨烯，mos2可镀层数为1-3层，厚度为0.65-1.95nm，石墨烯可镀层数为1-3层，厚度为0.34-1.02nm。金属氧化物可选择tio2或zno等，厚度为10-30nm。
[0028]
在传感区301表面涂上pdms聚合物用于检测室内环境的温度，302区域涂上pva聚
合物薄膜用于检测室内湿度。由双通道传感，可同时检测温度和湿度，温度检测范围为0℃-40℃，灵敏度为5-7nm/℃，湿度检测为30％rh-70％rh，灵敏度为5-8nm/％rh。
[0029]
由透射率公式：
[0030][0031]
其中λ为波长，im(n
eff
)为有效折射率虚部，l为传感长度。根据此公式可得透射峰的透射率范围为0-0.5，半峰宽控制在10nm-40nm。
[0032]
由光纤损耗公式：
[0033][0034]
其中λ为波长，im(n
eff
)为有效折射率虚部，根据此公式，可得传感器损耗范围为500～900db/cm。
[0035]
本系统不仅限于级联形式的分布式光纤，还可采用并联的分布形式。通过耦合器四芯光纤连接，宽谱光由耦合器注入到四芯光纤中，其每一根纤芯都可以构造一路独立的spr传感单元，与其他通道之间没有串扰，从而实现集成多个spr传感器的并联传感。此并联式传感器具有可实现多通道同时测量、灵敏度高、制备简单、集成度高的特点。
[0036]
上述描述了本专利的理论设计部分，对于实验制备上，主要包括去包层、镀膜工艺、封装工艺，简要概述如下：
[0037]
光纤抛磨技术的关键是在不引入过多损耗的情况下抛磨光纤以及无损估算剩余厚度。本发明采用轮式抛磨技术，利用光纤轮式侧边抛磨系统，将光纤通过滑轮支柱末端的光纤夹具固定，使光纤的位置在抛磨过程中保持不变，并在两个支柱间加一个20g砝码，来减少光纤在抛磨过程中的振动同时提高抛磨效率。控制箱通过控制三维移动平台将砂轮移动到合适的抛磨位置对光纤进行抛磨，即可灵活控制抛磨深度。在抛磨过程中需要分的阶段更换不同的砂纸，即粗抛，细抛，精抛。通过完整的操作后抛磨表面便就打磨光滑，极大的减少了由表面色散引起的光纤纤芯的功率损耗，使光能量在抛磨区域以全反射形式向前传输。
[0038]
本发明利用磁控溅射真空镀膜设备镀膜，其基底是一个可以水平方向360度旋转圆形卡槽，卡槽上放置一个可以取下的小圆盘，可以将光纤镀膜用的夹具放置在这个圆盘上然后固定在卡槽上。将制作好且已清洗的抛磨光纤样品固定在卡槽上，使光纤的抛磨面正面朝上，在匀速转动光纤镀膜夹具圆盘的同时，还需要光纤自身同样匀速转动，保证光纤镀膜均匀。将沉积环境真空环境压力设置为在4.5
×
10-6
torr下，本发明沉积速率约为0.2nm/s，在对光纤镀膜时，在同样镀膜条件下根据所需薄膜厚度来设置沉积时间，从而进行控制镀膜厚度。
[0039]
二维材料具有机械强度高、导电性能好和生物相容性好等卓越的物理特性，有相当高的响应率、高的电子迁移率、优良的吸收和发射特性等。可以将二维材料应用于各个领域的研究，尤其是在提高spr传感器的灵敏度方面显示出极大的优势。本发明根据每种二维材料的特性不同，可以选择具备高电子迁移率、拓扑保护状态、可调的能带结构和较高的热导率的二维材料，如石墨烯，mos2等，根据传感器所应用的场景可任意选择合适的二维材料。
[0040]
在本系统在对外界环境参数完成检测后，可以与环境调控设备互联，如：空调，空气净化器，加湿器等，在监测环境数据的同时又可以对环境进行调控。结合人工智能、5g网络以及大数据等关键技术，会有更大的发展空间。
[0041]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的优点如下：
[0042]
本发明通过分布式传感，可同时对环境温度0℃-40℃与湿度30％rh-70％rh进行检测，并可与其他设备如空调、加湿器、空气净化器等设备进行互联，达到对环境参数监测的同时对环境进行调控。相比于单通道传感器该传感器检测效率高、易于集成且制作成本低，适合大规模生产制造，对于多通道spr光纤传感器的发展有重要意义。
(四)附图说明
[0043]
图1是基于spr的室内环境自动监测与调控系统，其特征是：它由宽谱光源1，1:n分光器2，光纤spr传感器3，高分辨光谱分析仪4，计算机处理系统5共同组成。
[0044]
图2是圆形抛磨光纤镀膜图，其特征是：它由纤芯1、包层2、金属膜3、増敏膜4构成。
[0045]
图3是在温度为10℃，环境湿度30％rh-70％rh传感变化图，其中线条1为30％rh湿度传感，线条2为50％rh湿度传感，线条3为70％rh湿度传感。
[0046]
图4是在湿度50％rh，环境温度0℃-40℃传感变化图，线条1为40℃温度传感，线条2为20℃温度传感，线条3为0℃温度传感。
(五)具体实施方式
[0047]
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
[0048]
图1给出了一种基于spr原理的分布式光纤传感器的实例图。系统由宽谱光源1，1:n分光器2，光纤spr传感器3，高分辨光谱分析仪4，计算机处理系统5共同组成。光纤spr传感器3中301区域增镀au膜、ag膜和pdms薄膜用于检测室内环境的温度，302区域增镀au膜、tio2和pva聚合物薄膜用于检测室内环境湿度。所述系统由宽谱光源1经分光器2输入到光纤spr传感器3，传感器侧抛区域形成倏逝场进入金属薄膜，并与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发由金属薄膜表面传播的表面等离子体波。由于外界环境参数变量的不同传感器的共振波长会有所区别，通过选择合适的膜层材料及厚度将共振波长区分开。传感器中传出的光信号被高分辨光谱分析仪接收，通过分析共振波长，以此实现分布式传感，实时监测环境中多参量的变化。
[0049]
下面结合具体实施例对本发明所述的一种基于spr原理光纤spr传感器器作进一步详细的介绍，本发明的技术方案包括但不限于以下实施例。
[0050]
实施例1为环境湿度传感。
[0051]
在光纤传感区域镀上20nm的au膜、20nm的tio2膜和pva聚合物薄膜，在温度为10℃，环境湿度为30％rh-70％rh环境下进行检测。共振波长变化如图3所示，随着环境湿度的增加，共振波长在600nm-800nm范围内逐渐红移。
[0052]
实施例2为环境温度传感。
[0053]
在光纤传感区域镀上20nm的au膜、25nm的ag膜和pdms薄膜，在温度为0℃-40℃，环境湿度为50％rh环境下进行检测。共振波长变化如图4所示，随着环境温度的增加，共振波长在800nm-1100nm范围内逐渐蓝移。
[0054]
在光纤spr传感器3中301区域增镀金膜、ag和pdms薄膜用于检测室内环境的温度，302区域增镀金膜、tio2和pva聚合物薄膜用于检测室内湿度。宽谱光源经过分光器，在侧抛区域形成倏逝场进入金属薄膜，激发表面等离子体共振，透射出的光被光谱吸收仪接收，取得相应的峰值波长。