CN109470309A - 一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法。全光纤传感器包括宽带光谱光源、光纤传感头和光谱分析仪，所述光纤传感头的输入端口与宽带光谱光源通过光纤连接，所述光纤传感头的输出端口与光谱分析仪通过光纤连接。测量方法，包括将光纤传感头放入待测环境中；通过光谱分析仪和计算机测得干涉条纹谷值波长的移动范围；然后利用数学方法处理后获得折射率和温度的变化值；本发明的一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法，可以消除折射率测量时存在潜在的温度交叉敏感性问题并且可以提高测量折射率和温度的精确度，具有结构简单、成本低、操作方便而且测量范围大的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器领域，具体涉及一种基于马赫-曾德干涉仪型折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法。
背景技术
伴随着高科技产业的快速发展，折射率和温度是这些应用中最重要的参数，如化学、食品工业和高科技实验室领域。因此，实时监测折射率和温度非常重要。光纤马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)型传感器由于其独特的优势而被广泛研究，如抗电磁干扰，高灵敏度，潜在的低成本以及长距离分布式测量的可能性。早期有关折射率和温度测量的制造方法的工作已有报道，其中包括用飞秒激光对光纤进行打孔、嵌入光子晶体光纤结构，级联光纤布拉格光栅或者长周期光纤光栅或嵌入式特殊光纤。一般而言，这些方法通常需要复杂的制造工艺或价格相对昂贵。最重要的是上述研究忽略了温度对折射率的影响。通常，由于热光效应和热膨胀，马赫-曾德干涉仪型传感器对温度也很敏感。因此，折射率测量存在潜在的温度交叉敏感性问题。同时，许多研究使用改进的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)和长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating，LPFG)同时检测折射率和温度，但是这种方法也是非常昂贵的，并且其实际应用受到限制。
发明内容
有鉴于此，为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种基于马赫-曾德干涉仪的折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法，可以消除折射率测量时存在潜在的温度交叉敏感性问题并且可以提高测量折射率和温度的精确度，具有结构简单、成本低、操作方便而且测量范围大的优点。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器，其包括宽带光谱光源、光纤传感头和光谱分析仪；所述光纤传感头包括输入输出光纤部分、光束耦合部分和传感部分，所述输入输出光纤部分包括输入单模光纤和输出单模光纤，所述光束耦合部分包括多模光纤和细芯-单模光纤熔接点即粗锥结构；传感部分包括细芯光纤，位于光纤传感头中间，所述输入输出光纤部分和传感部分通过光束耦合部分连接，第一耦合点为多模光纤与单模光纤连接点，由于纤芯失配引起光波在细芯光纤中的纤芯和包层中传播，第二耦合点为细芯-单模光纤熔接结构，将在细芯光纤中纤芯和包层传播的光波重新耦合一起，发生干涉，并进入单模光纤的纤芯中传播；光纤传感头的输入端口与宽带光谱光源通过光纤连接，所述光纤传感头的输出端口与光谱分析仪通过光纤连接，光纤传感头中由所述多模光纤(MMF)、细芯光纤(TCF)和细芯光纤与单模光纤熔接点构成马赫-曾德干涉仪，马赫-曾德干涉仪内部的光束在传输时发生干涉，然后传输进入光谱分析仪。
进一步地，还包括计算机，所述计算机与光谱分析仪输出端通信连接；所述计算机用于接收光谱仪的输出数据并利用二维矩阵实现折射率和温度同时测量。
进一步地，所述马赫-曾德干涉仪结构为去除涂覆层的细芯光纤。
进一步地，所述的宽带光谱光源为L波段1570nm-1605nm的光纤宽带光谱光源，所述所有传输光纤均为普通单模光纤。
一种基于马赫-曾德干涉仪的折射率和温度同时测量的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、将光纤传感头放入待测环境中；
步骤2、通过光谱分析仪和计算机测得干涉条纹谷值波长的移动范围；
步骤3、然后利用数学方法处理后获得折射率和温度的变化值。
进一步地，步骤3中，利用干涉波谷对温度和折射率响应的灵敏度组成系数矩阵如下式所示，实现双参数测量：
其中为不同干涉波谷对折射率和温度的灵敏度，Δλm1、Δλm2为不同波谷波长的偏移量，通过实验计算出各个量，再通过矩阵逆变换就能同时计算出折射率的变化值Δn和温度的变化值ΔT。
与现有技术比较，本发明的一种基于马赫-曾德干涉仪的折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法，可以消除折射率测量时存在潜在的温度交叉敏感性问题并且可以提高测量折射率和温度的精确度，具有结构简单、成本低、操作方便而且测量范围大的优点。
附图说明
图1为本发明的一种基于马赫-曾德干涉仪的折射率和温度同时测量的全光纤传感器的结构示意图。
图2为光纤传感头结构以及与待测溶液物质交界面示意图。
图3为光纤传感头浸在蒸馏水中时的透射光谱图。
图4为折射率1.3105-1.3465变化时的氯化钠溶液对应的透射谱光谱图。
图5为波谷A(1581.74nm)和波谷B(1591.53nm)的偏移量与折射率关系图。
图6为光纤传感头在25℃-50℃下的透射光谱图。
图7为波谷A(1581.74nm)和波谷B(1591.53nm)的偏移量与温度的关系图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例对本发明的具体实施作进一步说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2所示，为本发明的一种基于马赫-曾德干涉仪的折射率和温度同时测量的全光纤传感器的结构示意图，其包括宽带光谱光源1、光纤传感头2和光谱分析仪3；所述光纤传感头包括输入输出光纤部分、光束耦合部分和传感部分，所述输入输出光纤部分包括输入单模光纤201和输出单模光纤202，所述光束耦合部分包括多模光纤和细芯-单模光纤熔接点即粗锥结构；传感部分203包括细芯光纤(TCF)，位于光纤传感头中间，所述输入输出光纤部分和传感部分通过光束耦合部分连接，第一耦合点为多模光纤(MMF)与单模光纤(SMF)连接点，由于纤芯失配引起光波在细芯光纤中的纤芯和包层中传播；第二耦合点为细芯光纤-单模光纤熔接结构，将在细芯光纤中纤芯和包层传播的光波重新耦合一起，发生干涉，并进入单模光纤的纤芯中传播；光纤传感头的输入端口与宽带光谱光源通过光纤连接，所述光纤传感头的输出端口与光谱分析仪通过光纤连接，光纤传感头中由所述多模光纤(MMF)、细芯光纤(TCF)和细芯光纤与单模光纤熔接点构成马赫-曾德干涉仪，马赫-曾德干涉仪内部的光束在传输时发生干涉，然后传输进入光谱分析仪。
本实施例的基于马赫-曾德干涉仪的折射率和温度同时测量传感器其传感结构基于宽带光谱光源(BBS)、光纤传感头(Sensor Head)，光谱分析仪(OSA)以及单模光纤(SMF)，传感头(Sensor Head)的输入端口与宽带光谱光源(BBS)通过单模光纤(SMF)连接，光纤传感头(Sensor Head)的输出端口与光谱分析仪(OSA)通过光纤连接(SMF)，光纤传感头(Sensor Head)中马赫-曾德干涉仪内部的光束在传输时发生干涉，然后传输进入光谱分析仪(OSA)。
优选的，还包括计算机，所述计算机与光谱分析仪输出端通信连接；所述计算机用于接收光谱仪的输出数据并利用二维矩阵实现折射率和温度同时测量。
优选的，所述马赫-曾德干涉仪结构为去除涂覆层的细芯光纤。
优选的，所述的宽带光谱光源为L波段1570nm-1605nm的光纤宽带光谱光源，所述所有传输光纤均为普通单模光纤。
一种基于马赫-曾德干涉仪的折射率和温度同时测量的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、将光纤传感头放入待测环境中；
步骤2、通过光谱分析仪和计算机测得干涉条纹谷值波长的移动范围；
步骤3、然后利用数学方法处理后获得折射率和温度的变化值。
在对传感器进行测量时，光纤干涉条纹波谷随溶液的折射率和温度的变化而变化，其基本原理如下：
由于光纤纤芯失配，构成马赫-曾德干涉仪，使得单模光纤中传输的光束分成两部分传播，一部分在纤芯中传输，另一部分在包层中传输，因为纤芯和包层的有效折射率不同，所以两部分光经过传感部分后产生干涉，然后对干涉相消波谷进行检测，由波谷偏移量其中δneff为有效折射率之差Δneff k的变化值，由该式可知当外界物理量如温度、折射率，等发生变化时，δneff也随之变化，导致干涉波谷发生移动，从而透射光谱也会出现偏移。
当纤芯模和被激发的k阶包层模的相位差Φk＝(2n+1)π(n为整数)时，第n阶干涉波谷为：
其中λ为入射光波长，L为细芯光纤的长度，Δneff k为纤芯模与k阶包层模的有效折射率差。
利用干涉波谷对温度和折射率响应的灵敏度组成系数矩阵如下式所示，实现双参数测量
其中为不同干涉波谷对折射率和温度的灵敏度，Δλm1、Δλm2为不同波谷波长的偏移量，可以通过实验将以上数据计算出，再通过矩阵逆变换就可以同时计算出折射率的变化值Δn和温度的变化值ΔT。
如图3所示，为光纤传感头浸在蒸馏水中时的透射光谱图，此时看到干涉波形不规则，主要因为光纤内不仅占主导地位的包层模与纤芯模发生干涉，弱包层模也参与了和纤芯模产生干涉，为达到实验目的，这里选择波谷A(1581.74nm)和波谷B(1594.53nm)作为实验测量对象。
实施例
如图4所示，为射率1.3105-1.3465变化时的氯化钠溶液对应的透射谱光谱图。首先进行折射率测量，将传感头固定在载玻片上，然后放入保持环境温度下的氯化钠溶液中，然后依次对折射率为1.3105-1.3465的氯化钠溶液进行测量，每次测完后都用大量水冲洗且自动风干后继续测试，可以看出干涉波谷的波长随折射率的增大向短波长方向移动。
如图5所示，为波谷A(1581.74nm)和波谷B(1591.53nm)的偏移量与折射率关系图，对待测溶液的不同折射率条件下与波谷偏移的数据拟合结果，波谷A和波谷B的灵敏度分别为-18.1764nm/RIU和-12.2197nm/RIU,在一般的科研范围中，此灵敏度可以达到相应的要求。
进一步对温度进行测量，将固定传感头的载玻片放入10％的氯化钠溶液中，本次实验测量范围为25℃-50℃，每间隔5℃记录一次传感器对温度变化的响应。此时得到图4-7所示不同温度下传感器的透射光谱，可以看出，随着温度升高波长发生红移，既干涉波谷A和波谷B都向着波长增大方向移动，如图6所示；同理根据偏移量与温度的关系可得到如图7的拟合图，可以求得波谷A和波谷B的灵敏度分别为，然而随着温度的升高，氯化钠溶液的折射率逐渐变小，因此测得的温度灵敏度是由温度和氯化钠折射率同时变化引起的结果,所以纯温度灵敏度可写成如下表达式：
是纯的温度灵敏度，RRI,T为氯化钠溶液的热光系数，其值为-1.6065×10-4/℃，将以上求出的氯化钠溶液中的温度灵敏度和折射率灵敏度带入，于是根据上可以得出波谷A和波谷B的纯温度灵敏度为0.0733nm/℃和0.0330nm/℃，然后带入二维矩阵并求逆后可以得到折射率和温度的变化值，通过带入波谷A与波谷B的偏移量ΔλA、ΔλB，从而实现折射率和温度同时测量，其表达式为：
从实验中可知，尽管传输光谱干涉条纹谷值波长随时间而随机变化，但由于其随时间变化很小，即说明本传感器稳定性是可行的。
综上所述，本发明的一种基于马赫-曾德干涉仪的折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法，可以消除折射率测量时存在潜在的温度交叉敏感性问题并且可以提高测量折射率和温度的精确度，具有结构简单、成本低、操作方便而且测量范围大的优点。
Claims (6)
1.一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器，其特征在于：包括宽带光谱光源、光纤传感头和光谱分析仪；所述光纤传感头包括输入输出光纤部分、光束耦合部分和传感部分，所述输入输出光纤部分包括输入单模光纤和输出单模光纤，所述光束耦合部分包括多模光纤和细芯-单模光纤熔接点即粗锥结构；传感部分包括细芯光纤，位于光纤传感头中间，所述输入输出光纤部分和传感部分通过光束耦合部分连接，第一耦合点为多模光纤与单模光纤连接点，由于纤芯失配引起光波在细芯光纤中的纤芯和包层中传播，第二耦合点为细芯-单模光纤熔接结构，将在细芯光纤中纤芯和包层传播的光波重新耦合一起，发生干涉，并进入单模光纤的纤芯中传播；光纤传感头的输入端口与宽带光谱光源通过光纤连接，所述光纤传感头的输出端口与光谱分析仪通过光纤连接，光纤传感头中由所述多模光纤(MMF)、细芯光纤(TCF)和细芯光纤与单模光纤熔接点构成马赫-曾德干涉仪，马赫-曾德干涉仪内部的光束在传输时发生干涉，然后传输进入光谱分析仪。
2.根据权利要求1所述的一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器，其特征在于：还包括计算机，所述计算机与光谱分析仪输出端通信连接；所述计算机用于接收光谱仪的输出数据并利用二维矩阵实现折射率和温度同时测量。
3.根据权利要求1所述的一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法，其特征在于：所述马赫-曾德干涉仪采用去除涂覆层的细芯光纤构成。
4.根据权利要求1所述的一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器，其特征在于：所述的宽带光谱光源为L波段1570nm-1605nm的光纤宽带光谱光源，所述所有传输光纤均为普通单模光纤。
5.一种利用权利要求1～4任一项所述折射率和温度同时测量的全光纤传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将光纤传感头放入待测环境中；
步骤2、通过光谱分析仪和计算机测得干涉条纹谷值波长的移动范围；
步骤3、然后利用数学方法处理后获得折射率和温度的变化值。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，步骤3中，利用干涉波谷对温度和折射率响应的灵敏度组成系数矩阵如下式所示，实现双参数测量：
其中为不同干涉波谷对折射率和温度的灵敏度，Δλm1、Δλm2为不同波谷波长的偏移量，通过实验计算出各个量，再通过矩阵逆变换就能同时计算出折射率的变化值Δn和温度的变化值ΔT。
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