CN103364105B - 基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器及其测量方法，所述传感器包括宽带光源、光纤环形器、测量传感头、光谱仪，宽带光源连接到光纤环形器输入端口，光纤环形器第一输出端口通过光纤连接到测量传感头，第二输出端口通过光纤连接到光谱仪（4）。测量时，光在测量传感头内部发生多模干涉，并在测量传感头与待测物质的界面上发生菲涅尔反射重新回到测量传感头内部继续传播并发生多模干涉，最终传输到光谱仪（4），通过光谱仪（4）测得干涉条纹的损耗峰功率和损耗峰波长，再经计算得到待测物质的折射率和温度。本发明可实现高精度、大范围的折射率和温度测量，结构简单、操作方便。

Description

基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种折射率与温度传感器，尤其涉及一种基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器及其测量方法。

背景技术

光纤传感器在最近几年被广泛的研究，他们有许多优点，例如尺寸小、灵敏度高、抗电磁干扰等等。他们在远程测量和过程控制领域吸引了人们极大的兴趣，可用于测量温度、应力、折射率、位移和其他物理量。最近几年，多模干涉现象被广泛地应用于传感器领域，例如利用单模-多模-单模(SMS)光纤结构、单模-多模-单模光纤结构级联光纤布拉格光栅、3°倾斜的多模光纤布拉格光栅、多模-无芯-多模光纤结构。所有以上这些方法都是基于在光纤中发生的多模干涉现象，但是，这些提出的方法大多是单参数测量并且所用到的单模-多模-单模光纤结构主要是透射型的，由于熔接之后的单模光纤与多模光纤的熔接点在弯曲过大的情况的下容易发生断裂，因此该透射型结构不易操作。另外，传统的利用多模干涉现象测量折射率的传感方法，一般要完全或部分去除多模光纤的包层，甚至要腐蚀掉部分纤芯，以让多模光纤纤芯充分接触待测物质，使待测物质充当多模光纤纤芯的包层，引起多模干涉谐振波长的移动来实现折射率的测量，这种方法的缺点是由于光纤的包层被去除，可承受的强度减弱，稳定性降低，应用范围受限，制作复杂，同时成本上升。传统的测量温度的方法，传统的测量温度的方法一般要用到光纤布拉格光栅，或者在单模光纤尾纤末端覆盖某种折射率会随温度变化的物质，以改变单模光纤末端与该种物质界面上的菲涅尔反射率，通过测量布拉格波长的移动或者菲涅尔反射率的变化来实现温度的测量，这些方法的缺点是成本高，制作复杂，不便于大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器及其测量方法，具体技术方案如下。

一种基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器，包括宽带光源、光纤环形器、测量传感头和光谱仪；所述光纤环形器的输入端口与宽带光源通过光纤连接，光纤环形器的第一输出端口与测量传感头通过光纤连接，第二输出端口与光谱仪输入端通过光纤连接；光在测量传感头内部发生多模干涉，并在测量传感头与待测物质的界面上发生菲涅尔反射重新回到测量传感头内部继续传播并发生多模干涉，最终传输到光谱仪，通过光谱仪测得干涉条纹的损耗峰功率和损耗峰波长，再经计算得到待测物质的折射率和温度。

上述的基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器，测量传感头为端面与光纤轴线垂直的未去除包层的阶跃型多模光纤。光经单模光纤进入多模光纤，并在多模光纤末端与待测物质的交界面上发生菲涅尔反射重新回到多模光纤中，最终耦合进单模光纤，在此过程中，光在从单模光纤进入多模光纤时，在多模光纤的端面上激发出多个本征模，这多个模式的光在多模光纤中传播时发生干涉，最终又重新耦合进单模光纤中，并传输到光谱仪。

上述的基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器中，所述的宽带光源为C波段(1520nm-1570nm)的光纤宽带光源，连接用的光纤均为普通单模光纤。

上述的基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器中，根据干涉条纹的损耗峰功率随待测物质折射率变化而变化的规律，计算出待测物质的折射率；根据干涉条纹的损耗峰波长随待测物质的温度变化而变化的规律，计算出待测物质的温度。

利用上述光纤折射率与温度传感器的折射率与温度测量方法，包括：将测量传感头***待测物质中；光经单模光纤进入多模光纤，并在多模光纤末端与待测物质的交界面上发生菲涅尔反射重新回到多模光纤种，最终耦合进单模光纤，在此过程中，光在从单模光纤进入多模光纤时，在多模光纤的端面上激发出多个本征模，这多个模式的光在多模光纤中传播时发生干涉，最终又重新耦合进单模光纤中，并传输到光谱仪。干涉条纹的损耗峰功率随测量传感头所处的待测物质折射率变化而变化，通过光谱仪测得干涉条纹损耗峰的功率，再经计算得到待测物质的折射率；干涉条纹的损耗峰波长随测量传感头所处的待测物质的温度变化而变化，通过光谱仪测得干涉条纹的损耗峰波长，再经计算得到待测物质的温度。

上述测量方法中，所述干涉条纹的损耗峰功率为

$I=[I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π\ΔnL}}{\mathrm{\λ}}\right)]{\left(\frac{n_{\mathrm{co}}-n_x}{n_{\mathrm{co}}+n_x}\right)}^2$

其中I₁，I₂分别为本征模式1和2所分布的光功率，Δn为这两个模式之间的折射率差，L是双倍的多模光纤的长度，λ是光波长，n_co是多模光纤纤芯的折射率，n_x是待测物质的折射率；所述干涉条纹的损耗峰波长为

${\mathrm{\λ}}_{\min }=\frac{d^{2}m}{L}{n}_{\mathrm{co}}$

其中d是多模光纤的纤芯直径，L是双倍多模光纤的长度，n_co是多模光纤纤芯的折射率，m是模式的阶数。

上述测量方法中，当温度发生变化ΔT时，多模光纤的纤芯直径、长度、纤芯折射率将发生相应的变化，最终将导致干涉条纹损耗峰波长的变化，表示为

${\mathrm{\λ}}_{0\min }+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\min }=\frac{{(d+\mathrm{\Δd})}^{2}m}{(L+\mathrm{\ΔL})}(n_{\mathrm{co}}+\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{co}})$

其中Δd＝k₁ΔT,ΔL＝k₁ΔT,Δn_co＝k₂ΔT，k₁和k₂分别是多模光纤的热膨胀系数和热光系数，λ_0min是初始损耗峰波长，损耗峰波长变化Δλ_min只与温度变化ΔT有关。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和技术效果：

(1)本发明的传感器能够有效地避免测量不同物理参数所引起的交叉敏感性，提高了测量准确性。

(2)本发明的传感器结构简单，易于制作，成本低，不需要对光纤做去除包层等特殊处理，操作方便。

(3)本发明的传感器除了用于一般性液体检测外，还可用于远程测量和对工业生产过程进行实时监控。

本传感器可实现高精度、大范围的折射率和温度测量，结构简单、操作方便。

附图说明

图1是基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器结构示意图。

图2为当传感头处于不同折射率的介质中时，测得的传感***的光谱。

图3为当NaCl溶液的折射率从1.3148变化到1.3534时，干涉条纹损耗峰功率随溶液折射率的变化。

图4为当传感头处于不同温度的浓度为5％的NaCl溶液中时，测得的传感***的光谱。

图5为当5％的NaCl溶液的温度从25℃变化到95℃时，干涉条纹损耗峰波长随溶液温度的变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质相同的等同替换均属于本发明的保护范围。

参见图1，基于多模干涉的光纤折射率和温度传感器包括宽带光源1、光纤环形器2、测量传感头3和光谱仪4。其中，宽带光源1连接到光纤环形器2的第一输入端口，光纤环形器2的第一输出端口连接到测量传感头，第二输出端口连接到光谱仪4。具体测量是由光谱仪测量出测量传感头***被测物质时的干涉光谱，获得干涉条纹的损耗峰功率和损耗峰波长，根据公式(1)和(2)获得被测溶液的折射率和温度。测量传感头由端面与光纤轴线垂直的阶跃型多模光纤组成。

在发明中，所述的宽带光源1为C波段(1520nm～1570nm)宽带光源。传输光纤为单模光纤。

进行测量时，测量传感头***待测物质(如溶液)中。干涉条纹损耗峰功率随测量传感头所处的待测物质折射率变化而变化的原理如下：

根据菲涅尔反射定律，在测量传感头末端与待测物质的交界面处的菲涅尔反射率为：

$R_F={\left(\frac{n_{\mathrm{co}}-n_x}{n_{\mathrm{co}}+n_x}\right)}^2---\left(1\right)$

其中，n_co是多模光纤纤芯的折射率，n_x是待测物质的折射率。

光经单模光纤进入多模光纤，将在多模光纤中激发出多个本征模，这些模式的光将在多模光纤中发生干涉，则最终耦合进单模光纤的光功率为

$I=[I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π\ΔnL}}{\mathrm{\λ}}\right)]---\left(2\right)$

其中I₁和I₂分别是本征模式1和2的光功率，I是光谱仪测得的光功率，L是双倍的多模光纤的长度，λ是光波长，Δn是这两个模式的折射率差。

由公式(1)和(2)，可得到干涉条纹的损耗峰功率为

$I=[I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π\ΔnL}}{\mathrm{\λ}}\right)]{\left(\frac{n_{\mathrm{co}}-n_x}{n_{\mathrm{co}}+n_x}\right)}^2---\left(3\right)$

公式(3)表明，干涉条纹的损耗峰功率与光模式折射率差、多模光纤长度，光波长，多模光纤纤芯折射率，待测物质折射率有关，由于光模式折射率差、多模光纤长度是很容易测得的，多模光纤纤芯折射率可以查阅相关产品参数得到，所以通过测量干涉条纹的损耗峰功率，即可获得待测溶液的折射率。

干涉条纹的损耗峰波长随测量传感头所处的待测物质的温度变化而变化的原理如下：

根据输入场的圆对称性和理想准直，当输入场进入多模光纤时，将只有LP_0m模被激发，假定LP_0m的场分布为F_m(r)，则多模光纤端面上的场分布为

$E(r,0)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_m{F}_m\left(r\right)---\left(4\right)$

其中c_m为各个模式的激发系数，可以表示为

$c_m=\frac{{\∫}_0^{\∞}E(r,0)F_m\left(r\right)\mathrm{rdr}}{{\∫}_0^{\∞}{F}_m\left(r\right)F_m\left(r\right)\mathrm{rdr}}---\left(5\right)$

当光在多模光纤中传播时，在距离z处的场分布可以表示为

$E(r,z)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_m{F}_m\left(r\right)\exp \left(i{\mathrm{\β}}_{m}z\right)---\left(6\right)$

其中β_m是多模光纤中各个本征模的传播常数，这多个模式的光在多模光纤中传播时将发生多模干涉，并且在距离z＝L_z处具有跟输入场相同的场分布，这就是所谓的自映像现象，L_z可以表示为

$L_z=\frac{16n_{\mathrm{co}}{a}^2}{\mathrm{\λ}}---\left(7\right)$

其中a是多模光纤的纤芯半径。

这样当光从多模光纤重新耦合进单模光纤中时，有些波长的光很强，有些波长的光却很弱甚至为零，其中干涉极小即干涉条纹的损耗峰波长为

${\mathrm{\λ}}_{\min }=\frac{d^{2}m}{L}{n}_{\mathrm{co}}---\left(8\right)$

其中d是多模光纤纤芯的直径，L是多模光纤的双倍长度，n_co是多模光纤纤芯的折射率。

当温度发生变化ΔT时，多模光纤的纤芯直径、长度、纤芯折射率将发生相应的变化，最终将导致干涉条纹损耗峰波长的变化，可以表示为

${\mathrm{\λ}}_{0\min }+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\min }=\frac{{(d+\mathrm{\Δd})}^{2}m}{(L+\mathrm{\ΔL})}(n_{\mathrm{co}}+\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{co}})---\left(9\right)$

其中Δd＝k₁ΔT,ΔL＝k₁ΔT,Δn_co＝k₂ΔT，k₁和k₂分别是多模光纤的热膨胀系数和热光系数，λ_0min是初始损耗峰波长。从式(9)可以看出，损耗峰波长变化Δλ_min只与温度变化ΔT有关。

为进一步检验本发明的可行性，特进行如下的实验：

实验1：

在实验中，应用本发明的光纤传感器测量不同折射率物质的光谱图，如图2所示，图中五条曲线分别对应光纤传感头放置于空气、纯水、2.5％浓度NaCl溶液，12.5％浓度NaCl溶液，25％浓度NaCl溶液中的光谱。其中多模光纤的纤芯直径为105μm,包层直径125μm，长度60mm。从图2可以看出，干涉条纹损耗峰功率随光纤传感头所置待测物质折射率的增大而减小(例如，溶液浓度越高，损耗峰功率越小)。

表1为干涉条纹损耗峰功率与不同浓度的同一液体(NaCl溶液)折射率的变化关系。

表1

NaCl溶液浓度(WT％)	对应折射率	损耗峰功率/dBm
			2.5	1.3148	-66.93
5	1.3190	-67.47
			7.5	1.3234	-67.61
10	1.3277	-68.17
			12.5	1.3319	-68.59
15	1.3362	-68.93
			17.5	1.3405	-69.23
20	1.3448	-69.56
			22.5	1.3491	-70.19
25	1.3534	-70.58

图3是应用本发明的传感器对不同浓度的NaCl溶液折射率测量的数据结果与线性拟合结果。从图3中可以看出，实验测量数据结果呈现出良好的线性变化趋势。

实验2

在实验中，应用本发明的光纤传感器测量浓度为5％的NaCl溶液不同温度时的光谱图，如图4所示，图中三条曲线分别对应光纤传感头放置于25℃、60℃、95℃的浓度为5％的NaCl溶液中光谱。从图4可以看出，干涉条纹损耗峰波长随光纤传感头所置待测物质温度升高而变大。

表2为干涉条纹损耗峰波长与不同温度的同一液体(5％浓度NaCl溶液)温度的变化关系。

表2

NaCl溶液温度(℃)	损耗峰波长/nm
		25	1544.76
30	1544.80
		35	1544.84
40	1544.88
		45	1544.92
50	1544.96
		55	1545.00
60	1545.04
		65	1545.08
70	1545.12
		75	1545.16
80	1545.24
		85	1545.28
90	1545.32
		95	1545.36

图5是应用本发明的传感器对不同温度的浓度为5％的NaCl溶液温度测量的数据结果与线性拟合结果。从图5中可以看出，实验测量数据结果呈现出良好的线性变化趋势。

从上面的实验可知，本发明的传感器是可行的。

Claims (1)

1.基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器的折射率和温度测量方法，所述基于多模干涉的光纤折射率与温度传感器包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、测量传感头(3)和光谱仪(4)；所述光纤环形器(2)的输入端口与宽带光源(1)通过光纤连接，光纤环形器(2)的第一输出端口与测量传感头(3)通过光纤连接，第二输出端口与光谱仪(4)输入端通过光纤连接；光在测量传感头内部发生多模干涉，并在测量传感头与待测物质的界面上发生菲涅尔反射重新回到测量传感头内部继续传播并发生多模干涉，最终传输到光谱仪(4)，通过光谱仪(4)测得干涉条纹的损耗峰功率和损耗峰波长，再经计算得到待测物质的折射率和温度；

其特征在于所述测量方法包括：将测量传感头***待测物质中；光经单模光纤进入多模光纤，并在多模光纤端面上激发出多个本征模，多个本征模式的光在多模光纤中发生干涉，并在多模光纤的另一端面与待测物质的界面处发生菲涅尔反射，并再次发生多模干涉，干涉条纹的损耗峰功率随待测物质折射率变化而变化，干涉条纹的损耗峰波长随待测物质的温度变化而变化，通过光谱仪测得干涉条纹的损耗峰功率和损耗峰波长，再经分析计算得到待测物质的折射率和温度；所述干涉条纹的损耗峰功率为

$I=[I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π\ΔnL}}{\mathrm{\λ}}\right)]{\left(\frac{n_{\mathrm{co}}-n_x}{n_{\mathrm{co}}+n_x}\right)}^2$

其中I₁，I₂分别为本征模式1和2所分布的光功率，Δn为这两个模式之间的折射率差，L是双倍的多模光纤的长度，λ是光波长，n_co是多模光纤纤芯的折射率，n_x是待测物质的折射率；所述干涉条纹的损耗峰波长为

${\mathrm{\λ}}_{\min }=\frac{d^{2}m}{L}{n}_{\mathrm{co}}$

其中d是多模光纤的纤芯直径，L是双倍多模光纤的长度，n_co是多模光纤纤芯的折射率，m是模式的阶数；

当温度发生变化ΔT时，多模光纤的纤芯直径、长度、纤芯折射率将发生相应的变化，最终将导致干涉条纹损耗峰波长的变化，表示为

${\mathrm{\λ}}_{0\min }+{\mathrm{\Δ\λ}}_{\min }=\frac{{(d+\mathrm{\Δd})}^{2}m}{(L+\mathrm{\ΔL})}(n_{\mathrm{co}}+{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{co}}),$

其中Δd＝k₁ΔT,ΔL＝k₁ΔT,Δn_co＝k₂ΔT，k₁和k₂分别是多模光纤的热膨胀系数和热光系数，λ_0min是初始损耗峰波长，损耗峰波长变化Δλ_min只与温度变化ΔT有关。