基于表面等离子体共振的燃料电池连续液位传感器
1 介绍
燃油箱内存在的水分存在问题。水可以来自冷凝，在易发生洪水的地区，水箱也会渗入水中。此外，水与硫和燃料的其他化学成分结合以腐蚀罐的内部[1]。比燃料密度大，水位于水箱底部，当水超过最大允许水位时，必须将其从罐中取出。
目前，在燃料工业中，有方法来检测燃料箱中水的存在，并进一步实时测量水位，但炼油厂和加油站的燃油箱通常使用基本的方法，例如将糊有特殊的膏（找水膏）的棒插入罐中（如果罐不是很深）。 当与水接触时，该糊剂改变颜色，表明罐中存在水但不是水的含量[2]。
已经提出不同类型的传感器来测量罐中的燃料水平，例如基于超声波兰姆波的传感器[3]，电容式传感器[4]，压力传感器[5]和基于光纤的传感器[6,7 ]。当单一类型的液体占据油箱时，所有这些传感器都可以工作。然而，当储罐含有燃料和水时，已经提出了其他方法来检测罐中的含水量并测量罐中水和燃料的含量。这些方法基于声学[8]，微波反射[1]，反射测量[9,10]，电极阵列[11]，磁浮子[12]，压力传感器[13,14]和电容传感器[15]。这些方法都有优点也有缺点[16,17]。
在本文中，我们设计了一个光学传感器，实时只是空气的位置、水的位置、一起罐中汽油或者柴油的位置。我们的传感器是基于表面等离子体共振（SPR）和克服迄今提出的传感器的诸多限制。它是一种安全快速的响应装置，可用于易燃、易爆的环境，如燃料箱，与电容式传感器或基于电极的传感器相反。我们的传感器不含有可移动部件，与基于浮子或压力的传感器相反，传感器会受到机械阻碍。我们的设备没有摩擦，加热或者滞后的问题，也没有易受声或电磁干扰的缺点。
2 等离子体传感器的设计
操作原理基于表面的等离子体共振。贵金属有密集在带等电荷的正离子场中只有组装带又负电荷的自由电子。如果在金属的一个点施加外部光场，则在金属的该位置处的自由电子的局部密度由于施加的场的力而改变。金属-电解质界面支持表面等离子体震荡，其是沿着金属-电解质界面的电荷密度震荡（自由电子）。表面等离子体（SP）是这些震荡的量子。SP与纵向电场（TM极或P极）相关联，纵向电场在金属-电解质界面本身具有其最大值，并且在金属以及电解质上都呈指数衰减。
对于要激励的SP，必须满足谐振条件，根据该条件，沿着金属-电解质界面的激发光的波矢应该等于SP的波矢。实现这一点的一种方式是使用基于棱镜的配置通过消逝波激发SP。在这种情况下，谐振的条件有以下表达式给出：
（1）
其中，，分别是金属、介质、和半球形棱镜的介电常数，theta;是响度与棱镜基底上的法线的入射角。在谐振条件下，入射光的能量被传到SP，导致在棱镜基底和介质接触的界面处反射的光的强度急剧下降。这发生在大于临界角的角度。
图1显示了我们提出的基于Kretschmann的等离子体传感器。它是由SF10玻璃（n=1.7231）的半球形棱镜形成。在棱镜地卜师一层氟化镁（MgF2，n=1.38），然后是金（n=0.12517 3.3326i）。金层是与介质（空气，水，汽油或者柴油）接触的层；我们使用金作为外层，因为它的化学性质稳定。具有632.8nm波长的P偏振激光束通过其端面粘附到棱镜表面的光纤以垂直入社到半球形棱镜表面的方式照射到棱镜。相对于MgF2中的法线的入射角为theta;（gt;临界角）。最后，在棱镜-MgF2截面处反射的光被另一光纤接受并传导到光功率计。
当光以大于临界角的角度撞击半球形MgF2时的角度，产生消逝波并沿着半球形棱镜-MgF2界面传播。该消逝波可以根据层的厚度激发两个表面等离子体激元（SPPs）。
我们建议的传感器是基于强度来设计的。则有一个很大的优势：与基于角度的传感器相反，我们的传感器不需要移动件。在基于角度的传感器中，当介质改变时（折射率改变），共振角也改变。因此，在这些类型的传感器中，当介质改变时，需要调整激光束的入射角并移动检测器以将相应的角度定位在反射率最小的曲线中的最小值。在我们的传感器中，这些操作可以通过反射强度的调制来解决。SPR反射率的理论模拟是通过使用传递矩阵的方法来解决使用SinSpall软件包的多层堆栈的菲涅尔方程。我们将传感器设计为使得当传感器与空气接触时记录其低反射率值，当传感器与水接触式，记录其平均反射率值，当其与汽油或者柴油接触时，记录稿反射率值。为了实现这一点，传感器必须在激光束的固定角度和反射光束在65.5。
图1.等离子体传感器的方案在半导体棱镜的左侧部分，光纤传输
入射辐射。此外，表面等离子体激元极化子（SPP）显示为通过MgF2-金和金 - 介质界面传播。
为了具有上述条件（空气的低反射率，水的平均反射率，在汽油/柴油中的高反射率），对金属层和电介质层的厚度对于金层为48nm，对于MgF2层为190.正如将在第4部分中看到的，通过这些设计，到达传感器。来自波长632.8nm的激光器辐射入射到施加电压的透明材料上。
3规范结构
该装置由两个模块组成。第一部分是激光束的模块到达传感器（见图2）。从632.8 nm波长的激光的编码辐射是入射到透明材料上的电压。
在第一阶段中，从激光的光被注入在一个唯一的光纤。与电光棱镜，我们得到相同的信号从这个光纤注入到所有必要的见光纤（见图3和图4），使激光束退出电光棱镜顺序重定向到每个光纤传输光到每个等离子传感器（图4）。一个等离子传感器阵列位于罐内。每个等离子传感器入口光纤粘在一个半球形的miniprism。在每个半球形迷你棱镜的光的入口是垂直（图1）。每个半球形微棱镜的法线与基部之间的夹角在每个半球迷你棱镜的光的方向是65.5°，如前节所述（图1）。
图2.设备发射检测系统图。
图3.在电光棱镜中，通过施加电压来控制偏转角。
在第二阶段（参见图2），离开阵列的每个传感器的激光束被引导通过每个光纤。光路的过程类似于照明系统的路径。现在我们有一束光导纤维，像微型传感器（半球形棱镜）一样多，每根光纤的光线必须依次注入一个光纤（图4中相反方向的光线）。光线的路径与之前的阶段相反，但现在路径的末端是光电二极管而不是传感器。
通过电光棱镜，我们将来自每个光纤的光线仅注入一个光纤，从那里注入光电二极管。两个电光学棱镜都使用相同的时钟信号来同步入口和出口阶段的光信号。光电二极管后面有一个计数器以识别阵列的每个传感器。第一个发光对应于第一个传感器,第二传感器发射到第二传感器，等等。我们知道阵列中每个传感器的位置，我们可以确定每个液体的高度或罐内空气的高度。
图4.激光束按顺序进入所有光纤的方案.输出端面
光纤胶合到等离子体传感器.
光纤用于从激光器到半球形棱镜，到光探测器。其根本原因是光纤在传输过程中没有收到任何外来干扰，使用光代替电子信号来避免任何可能的燃料罐爆炸。电光棱镜的工作原理如下：
可以通过使用具有电控折射率的棱镜来动态地偏转激光束。由小顶角alpha;和折射率n的棱镜引入的偏转角为theta;asymp;（n-1）alpha;（见图3）。 由施加的电场E引起的折射率Delta;n的增量变化对应于偏转角的增量变化，
（2）
其中r是Pockels系数或线性电光系数，n是材料的折射率，E是施加的电场，V是施加到材料的电压，d是棱镜宽度。根据所需的最大偏转角，可以连接两个或更多个棱镜以增加该角度。
宽度为D和波长的光束具有角度发散：
（3）
为了最小化该角度，光束应尽可能宽，理想地覆盖棱镜本身的整个宽度。 对于与扫描角度D对应的给定最大电压V，独立点数（分辨率）的数量由下式给出：
（4）
考虑到：
（5）
和半波电压（获得相位延迟pi;所需的施加电压）为：
（6）
代入方程（4）和（5）方程（6），我们得到：
(7)
因此，我们必须施加到棱镜的电压由[25]给出：
(8)
其中N是要照明的光纤数（见图4）。
第二电光棱镜以相同的方式工作，但是光从多个光纤到达棱镜（图4中具有相反方向的光）并且从其到单个光纤并且从那里到光电二极管 。
如果油箱打开并且环境照明改变，外部的辐射可能进入光纤。如果照明条件改变，则光纤中的辐射发生变化; 在这种情况下，我们可以在光纤中具有可变光束，因此在激光束的相同入射信号的光电二极管的输出中具有不同的信号[26].为此，激光束被编码，并且光电二极管必须对信号进行解码。如果外部辐射进入光纤，则光电二极管忽略它，因此在光电二极管中考虑的唯一辐射是光纤退出的光束。所有光纤的激光束入射到单个光电二极管上。
最终信号（每个液体或空气水平的高度）由控制传感器的计算机进行分析。这些级别由操作员选择。警报可以是盲人或聋哑人的声音或视觉钥匙，以警告危险的情况。此外，数据可以由互联网实时发送到远程点，以便无论物理位置如何，都可以随时控制油箱。
器件中最弱的部分可能看起来是电光学棱镜，但这些是光通信的一部分，实际上并不软弱。 除了光纤的一部分之外，光学装置的所有部分都在罐外，并且可以密封在密封箱中以避免被破坏。
光纤被粘接到小型传感器上，但是目前这种特殊的胶水是非常强的，所以在光纤可以脱胶的意义上没有任何问题。油罐中的迷你传感器可以容纳在汽缸内（例如在油箱中），例如当燃料倒入油箱时，保护它们。该气瓶必须在罐的同一水平处打开。
涂覆方法如下：首先用1：1比例的乙醇和乙醚溶液清洗半球形棱镜的底部，用去离子水冲洗，然后用氮气干燥.衬底依次涂覆有190nm的MgF2层和48nm的金层以构成传感器芯片。使用磁控溅射涂覆金层，其厚度由石英晶体振荡器厚度监测器测量。衬底加热和偏压技术用于涂层工艺，以提高金层厚度的均匀性和坚固度。使用蒸发涂层沉积MgF2层，其层厚通过台阶轮廓仪测量。MgF2晶体用作蒸发材料，重量在涂层过程中受到特定层厚的控制[27]。
4 结果与讨论
图5示出了作为入射角的函数的光电二极管的反射率的光在MgF2层。图5显示了传感器接触时的反射曲线空气（n = 1)，水（n = 1.33），汽油或柴油。对于汽油的折射率和柴油，范围在1.40和1.48之间，其对应于不同类型的值的汽油和柴油[28 - 33]。如第2节所述，我们提出的传感器（见图1）是基于强度询问方法，其使用介电MgF2层激发两个等离子体激元。这些表面等离子体共振可以清楚地看作是反射率的两个最小值传感器与空气接触。在这种情况下，37.7摄氏度的反射率下降与空气/金SPP有关，而在65.5摄氏度下用MgF2/金浸渍。我们的传感器工作在65.5摄氏度角度的固定角度的发生率在MgF2层。当与传感器接触的介质发生变化时，共振特性也改变，改变反射曲线的形状。
图5.反射曲线作为棱镜中光入射角的函数。 这些表示传感器与空气（n = 1），水（n = 1.33）和汽油或柴油（n = 1.40 - 1.48）接触时的曲线。 金层的厚度为48nm，MgF 2的介电层的厚度为190nm。
我们实验室测量的汽油和柴油的折射率值Efitec 95 Neotech和Efitec 98 Neotech汽油的1.43和1.42分别为1.46和2.46柴油类型（e Neotech柴油和e 10 Neotech柴油）。这四种燃料来自REPSOL公司。测量使用Phywe 62,409.00光学折光仪（PHYWE Systeme GmbH＆Co. KG，Gouml;ttingen，Germany。）。我们还测量了折射率值
对于589.3nm和632.8nm，使用分光计的最小偏差方法，以及结果仅在折射率的第三个十进制数变化，其他作者报道[34,35]。可以看出，我们的汽油和柴油机的实验测量范围是我们进行了计算的价值。
如图6（从图5的细节，对于60°和70“之间的角度范围，其中
主要的角度），当传感器与空气接触时，反射率值为9.0％; 当与水接触时，值为49.1％; 当它与汽油接触时或柴油的折射率值分别为80.4％，86.4％，90.0％，91.5％和91.0％，折射率值为1.40,1.42，
分别为1.44,1.46和1.48。重要的是要注意，我们的传感器提供反射率值汽油和柴油80％以上。以这种方式，油箱中的传感器不断区分在空气，水和汽油或柴油之间，因为当用光电二极管测量的反射率是低于10％时，处于该位置的传感器将表示在该位置对应到空气。如果油箱给定的传感器提供约49.1％的反射率，这将表明会有水。最后，如果传感器提供的反射率高于80％，则表明汽油或柴油。
图6.图6的细节，图5中的入射角在600和700之间的反射曲线。
我们还对其他厚度（28和68 nm）进行了计算。从图7可以看出，当传感器与水接触时，当传感器与汽油或柴油接触时，反射率非常接近于反射率。这可能导致传感器无法在水和汽油或柴油之间可靠地区分。对于大于48nm的金层厚度也
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