[发明专利]基于光纤传感器实现含手征参数双参量同时传感的方法

说明书

本发明公开了一种基于光纤传感器实现含手征参数双参量同时传感的方法，属于光纤传感技术领域。本发明从手征介质的本构关系出发，推导出手征介质的波方程，利用数值计算方法对灵敏度较高的光纤传感器进行设计实现，将级联或两不同灵敏度光纤传感器的测试结果结合图解法，实现药品手征参数与其它参数的双参量传感。这种方法可以解决手征参数与其他参数双参量同时高灵敏度传感的问题，实现对于手征参数的大动态范围检测。该方法可以推广到任意类型的光纤传感器中进行含手征参数的双参量测量和传感器设计，也可以推广到其它手征介质模型下的传感特性研究。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及手性药品手征参数与折射率、温度或浓度双参量同时高灵敏度传感的方法。

背景技术

光纤传感器技术是近年来研究发展较为迅速的一个技术领域。到目前为止，光纤传感器对于折射率、温度、浓度、加速度、压力等参数的传感检测已经十分成熟。且由于其拥有成本较低、体积较小、不易受电磁干扰等优点，光纤传感器已被广泛应用与生命科学、工业、医学、航空航天等各个领域。其中，基于表面等离子体共振(Surface PlasmonResonance，SPR)的各类光纤传感器更是因为其灵敏度较高、可以实时进行无损检测、无需进行标记等的优点，一直以来受到生物探测科学、医学研究等领域研究者们的青睐。按光纤种类来划分，基于SPR原理的光纤传感器主要有以下几种，分别为：普通光纤传感器、光子晶体光纤传感器、光纤光栅传感器等。灵敏度以及动态范围作为传感器的重要指标，是传感器性能优劣的体现。对于同一参数的探测，不同结构传感器的传感特性往往不同。灵敏度越高、动态范围越大的传感器，对于待测参数的检测能力也就越强。

手征参数，是电磁学领域中，手征介质本构关系中若干介质参数中的一个。该参数与光学领域中的旋光度以及生物医学中手性药品的药性具有一定的联系。手性药品含有两个互为镜象且不能重合的对映异构体，通常情况下，一种分子具有较高药用价值，而另一种分子则可能对药效无益甚至有时起反作用。检测某手性药品的手征参数有助于区分两种药用价值不同的对映异构体的比重。对映异构体具有旋光性，当两种对映异构体形成不同比例混合物时，该药物混合物的旋光性便会发生变化。利用免标记的光纤传感技术检测手性药品的手征参数，进而检测两种对映异构体的比重，对于生物医学、药理学、环境科学等领域的发展都具有较为重要的意义。

手征参数与折射率大多在同一谐振峰下拥有相似的变化趋势，且二者随波长、频率等参数的变化皆呈现非线性趋势。由于温度、浓度等参数的变化会使得折射率发生相应的改变，光纤传感器也常被应用于上述参数的传感检测。在公开号为108106752A、名称为《基于Saganac环的光纤F-P温度和应变双参数传感器装置》的专利文献中，公开了一种基于Sagnac环的光纤F-P温度和应变双参数传感装置，该装置利用光纤F-P结构和保偏Sagnac环对温度与应变不同的反应特性，实现了对于温度和应变双参量的同时传感。在公开号为108254018A、名称为《基于LPFG级联FBG的应力与温度双参数传感器的制备方法》的专利文献中，公开了一种利用长周期光纤光栅和布拉格光纤光栅级联，结合双参数矩阵法达成双参量同时传感的方法。但是上述专利均未涉及手征参数的传感。

双参量同时传感是光纤传感领域中备受瞩目的热门研究方向。到目前为止，常用的双参量传感方法有双波长矩阵法、双参数矩阵法以及结合遗传算法的反演。两种矩阵法常常被应用于具有两个损耗峰的谐振波长的光栅作为其传感器件，且应用条件为传感器的两个固有参数随两待测参数线性变化。由于手征参数和折射率随波长、频率的变化大部分呈非线性变化趋势，上述两种矩阵法并不适用于手征参数的检测。

在公开号为109163745A、名称为《一种基于SPR原理传感多参量的检测方法》的专利文献中，公开了利用普通D型光纤传感器，结合解析的传播矩阵法与遗传算法，对测量数据进行反演，可以对手征参数与折射率进行同时传感。但该方法存在灵敏度不高、动态范围不够大等缺点。且对于较为复杂结构的光纤，诸如基于SPR原理的光子晶体传感器与光子晶体光栅传感器，通过该方法无法用解析的方法得到结果，通常情况下，较复杂的光纤结构灵敏度更高。