(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210525315.2 (22)申请日 2022.05.16 (71)申请人 桂林电子科技大 学 地址 541004 广西壮 族自治区桂林市 桂林 金鸡路1号 (72)发明人 成煜　熊民　田爽　赵婉淇　 苑立波　陈明　 (51)Int.Cl. G01N 21/552(2014.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种基于SPR的室内环境自动监测与调控系 统 (57)摘要 本发明提供的是一种基于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。 宽带光源在光 纤SPR传感器3金属膜附近产生SPR现象， 并通过 级联实现了室内环境的多变量自动监测与调控。 本发明制备简易， 成本低， 为未来智慧城市提高 了一种简便方案， 可广泛应用于传感监测等方 向。 权利要求书1页 说明书6页 附图2页 CN 114965379 A 2022.08.30 CN 114965379 A 1.一种基于SPR的室内环境自动监测与调控系统， 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由光纤抛去 包层区域的301、 302两段组成， 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。 宽谱光 源1输入到1:N分光器2， 通过单路传输至各户居民家中， 入射光在光纤SPR传感器3的两个区 域形成倏逝场并进入金属膜， 与金属膜中的自由电子相互作用， 激发表面等离子体波并进 入增敏膜层中， 当外部环境与两个传感区相互作用， 根据等离子体共振机理， 吸收特定波长 的能量， 射出的光谱被高分辨光谱分析仪4接 收， 经计算机分析系统5对共振波长进行判断 处理， 数据结果分析后， 结合大 数据处理技术与家用设备互联从而对室内环境进行调控。 2.根据权利要求1所述的一种基于SPR的室内环境自动监测与调控系统， 其特征是， 所 用光纤可以是圆形抛磨光纤或侧抛D型光纤还可以是双边侧抛D型光纤， 包层剩余 厚度为0‑ 2um。 3.根据权利要求1所述的一种基于SPR的室内环境自动监测与调控系统， 其特征是， 所 用光纤可以是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的单模光纤 或者纤芯与包层相对折 射率范围为0.5 ‑0.8， 数值 孔径为0.08 ‑0.35的微结构光纤。 4.根据权利要求1所述的一种基于SPR的室内环境自动监测与调控系统， 其特征是， 本 套系统既可以构建串联 结构也可以构建并联 结构。 5.据权利要求1所述的一种基于SPR的室内环境自动监测与调控系统， 其特征是， 传感 区所镀金属膜可以是 金膜或银膜或金加银膜还可以是 金属混合膜， 金属膜厚范围20 ‑50nm。 6.根据权利要求1所述的一种基于SPR的室内环境自动监测与调控系统， 其特征是， 传 感区所镀增敏膜为二维材料MoS2或石墨烯， 其中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。 7.据权利要求1所述的一种基于SPR的室内环境自动监测与调控系统， 其特征是， 传感 器共振波长处的透射 率范围为0 ‑0.5， 损耗范围为5 00dB/cm‑900dB/cm。 8.据权利要求1所述的一种基于SPR的室内环境自动监测与调控系统， 其特征是， 本系 统可同时检测温度0℃ ‑40℃， 灵敏度为5 ‑7nm/℃， 湿度30％RH ‑70％RH， 灵敏度为5 ‑8nm/％ RH。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114965379 A 2一种基于SP R的室内环境自动监测与调控系统 (一)技术领域 [0001]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 [0002]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。 [0003]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。 [0004]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。 [0005]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。 [0006]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。 [0007]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。 [0008]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说　明　书 1/6 页 3 CN 114965379 A 3