[实用新型]一种基于光纤表面等离子共振的土壤水分传感器

说明书

(一)技术领域

本实用新型涉及表面等离子共振(SPR)传感技术，光纤传感技术、化学镀膜技术、土壤水分检测技术和光电检测技术，特别是基于表面等离子共振的含水量检测的探头的光纤土壤水分检测装置。

(二)背景技术

根据实测土壤水分的状况和农作物在不同的生长周期的所需要的水分进行相应的灌溉，是一种有效利用水资源的措施，在农业灌溉中意义重大，尤其我国目前农业用水资源利用率不高的情况下意义则更加重大。

目前国内外的土壤含水量测定方法主要有：卡尔惠斯(Karl Fischer)法，称重法，电容法，电阻法，γ射线法，微波法，中子法，核磁共振法，时域反射法(TDR)，土壤张力法，石膏法和红外遥感法等。电容水分传感器以其成本低、便携和动态响应范围宽等特点在农业土壤水分检测中得到广泛应用。平板电容水分传感器、圆柱筒式电容水分传感器和多探针式水分传感器易受土壤颗粒大小的影响，基于光纤表面等离子共振传感技术的土壤水分传感器则最大限度地消除这土壤类型、土壤颗粒大小对测试结果的影响，利用这种技术而研制的一种光纤土壤水分传感器，而且可以探测不同深度的土壤含水量。

表面等离子共振是电磁波所激励的在金属和电介交界面上形成的影响电磁波传播的谐振波。表面等离子体中存在着光的消失场，当入射光的波矢量沿着平行于交界面方向的分量与表面等离子波(SPW)的波矢量相等，表面等离子体在光的消失场中谐振，光在传播过程中发生能量损失，在宏观上表现为某些光谱被强烈吸收，SPW对介质的折射率的微小变化都极其敏感。

基于光纤表面等离子共振的土壤水分传感原理是：在光纤传感探头的Au膜表面生长一层水分敏感膜，土壤中的水分通过不锈钢滤帽被水分敏感膜吸收，导致Au膜表面的折射率发生变化。采用光纤表面等离子共振传感器的波长调制技术，分析从光纤反射回来的光谱特性，建立表面等离子共振波长与Au膜表面折射率之间的关系，通过此关系则可以得到不同土壤的含水量值。

(三)实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单、携带方便且易于实现产品化的光纤土壤水分传感器。

本实用新型所采用的技术方案是：

1.在一个半球形的棱镜的圆周曲面上，采用化学镀膜法生长一层Au膜，然后在Au表面生长一层水分敏感膜，为了保护水分传感探头，在水分传感探头外固定一不锈钢滤帽，以防止土壤颗粒直接接触传感器表面。光纤在垂直方向耦合于棱镜的平面上。

2.当一束经过偏振片处理的宽带光耦合进入光纤，并经棱镜传导至金膜处，特定波长激发表面离子体波共振，分析经出射光纤传导出的光谱信息，可知等离子体共振波长，而共振波长与水分敏感膜的折射率存在对应关系。分析出射光纤传导出的光谱信息，即可以得到土壤水分的含量。

本实用新型具有的积极有益的效果：

1.提供了一种结构较简单、易于携带且易于实现产品化的光纤土壤水分传感器。

2.由于采用的是纯光学的方法来测量土壤含水量值，可减小由于土壤类型和土壤颗粒大小对测量结果的影响，提高了水分测试的灵敏度和精确度。

(四)附图说明

图1是一种基于光纤表面等离子共振土壤水分传感器整体结构图

图2是一种基于光纤表面等离子共振土壤水分探头示意图

本实例图中1是不锈钢滤帽，2是水分敏感膜，3是Au膜，4是半球型棱镜，5是光纤，6是水分传感器探头。

(五)具体实施方式

本实例中，在一半球型棱镜4的圆周曲面上采用化学镀膜法镀有Au膜3，Au膜的表面生长水分敏感膜2，在水分传感探头外固定一不锈钢滤帽1，以防止土壤颗粒直接接触传感器表面。光纤5在垂直方向耦合于半球型棱镜4的端面。当一束经过偏振片处理的宽带光耦合进入光纤束5，并经半球型棱镜4传导至Au膜3处，特定波长的光激发表面等离子产生共振，分析经出射光纤1传导出的光谱信息，可知表面等离子体共振波长，而共振波长与水分敏感膜2的折射率存在对应关系，因此分析出射光纤1传导出的光谱信息，即可以得到土壤水分的含量。