CN109781300A - 一种基于光纤的同时测量温度和曲率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤的同时测量温度和曲率的装置和方法，所述测量方法包括以下步骤：(a)搭建七芯光纤和光纤花生型结构的马赫‑曾德尔干涉仪光路，全光纤马赫‑曾德尔干涉结构两端熔接光纤连接器，分别连接宽谱光源和光谱记录仪；全光纤马赫‑曾德尔干涉结构包括一段两端熔接光纤球的七芯光纤、第一单模光纤单端熔接光纤球和第二单模光纤单端熔接光纤球；(b)将所述全光纤马赫‑曾德尔干涉结构分别放入温度变化空间和安装于曲率变化两端位置；(c)逐渐改变曲率大小，记录不同曲率下干涉透射谱，绘制干涉谱波谷与曲率的变化关系曲线，对传感器进行温度和曲率的标定，获得双参量方程组相关系数；(d)通过所述干涉谱变化可以对待测环境中的温度和曲率进行同时测量。

Description

一种基于光纤的同时测量温度和曲率的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种全光纤干涉测量领域，特别的涉及一种基于光纤的同时测量温度和曲率的装置和方法。

背景技术

近年来，光纤传感器在检测温度、压力，曲率、折射率等物理量以及生化测量领域受到越来越多的研究人员的关注。光纤传感器因其抗电磁干扰，危险性小，尺寸紧凑，重量轻，成本低和灵活性极佳的特性，在一些特殊的环境中具有高度的适应性，从而可以对被测物理参数进行精确监测。自德国物理学家马赫和曾德尔于十九世纪提出一种空间光干涉***以来，研究人员用不同的光纤马赫-曾德尔结构实现了多种物理量的测量。马赫-曾德干涉型光纤传感器具有结构简单轻便、易于制作、灵敏度高、传感波长范围大的特点，长期以来是国内外研究人员关注的重点方向。相比于空间光路、波导耦合或光纤耦合器级联的马赫-曾德干涉***，集成一体化的全光纤干涉器件更加便捷，并且易于制造。近年来，光纤模式干涉所形成的马赫-曾德干涉仪成为研究热点，这种马赫-曾德干涉仪中形成干涉的两路光对应着光纤内两个不同的传输模式。对于普通的单模光纤来说，一般只有基模一种传输模式，研究人员通过错位熔接、拉锥、非单模光纤熔接、细芯光纤、光子晶体光纤、空芯光纤等方法是将基模能量耦合到包层模式中，实现马赫-曾德干涉，并利用其特点实现某些物理量的测量。随着光纤结构设计和制作工艺的发展，七芯光纤不仅应用于光纤通信，因其具有干涉条件好，灵敏度高的特点，被国内外学者用于传感领域。其中，G.Salceda-Delgado提出基于七芯的干涉结构用于曲率传感/ 监测，以七芯光纤为基础搭建了“单模-七芯-单模”型马赫-曾德干涉传感结构，该结构虽然传感的灵敏度强，但是波长漂移和曲率变化的线性关系在曲率较小时表现的并不明显。周松等人提出“单模-多模-七芯-多模-单模”温度传感结构，可精确测量800℃的测试温度，灵敏度和测量范围相较于传统的传感器有了很大提高，但是该结构需要合理控制多模光纤的熔接参数，对加工过程要求较高。

发明内容

本发明提供一种种利用七芯光纤和光纤花生型结构的同时测量温度和曲率的方法，所述测量用的全光纤马赫-曾德尔干涉结构体积小、结构牢固且测量精度高。所述测量方法包括以下步骤：

一种基于光纤的同时测量温度和曲率的装置，包括干涉结构，其特征在于，所述干涉结构包括第一单模光纤和第二单模光纤，第一单模光纤和第二单模光纤之间通过一段七芯光纤相连接；所述第一单模光纤、第二单模光纤和七芯光纤的连接端点处，均融化成型为光纤小球，相连的两个小球熔接在一起形成“花生型”双球构造，干涉结构整体为单模光纤-双球-七芯光纤-双球-单模光纤的结构；

第一单模光纤连接有宽谱光源，第二单模光纤连接有光谱记录仪。

进一步的改进，所述宽谱光源为激光泵浦激发掺杂光纤产生自发辐射的宽谱光或激光二级管自发产生宽谱光。

进一步的改进，第一单模光纤通过FC/APC接头与宽谱光源连接。

进一步的改进，第二单模光纤通过FC/APC接头与光谱记录仪连接。

进一步的改进，所述一单模光纤、第二单模光纤和七芯光纤的连接端点处，均融化成型为直径200-400um光纤小球。

一种基于光纤的同时测量温度和曲率的方法，包括如下步骤：

步骤一)搭建单模光纤-双球-七芯光纤-双球-单模光纤的干涉结构；

步骤二)将干涉结构分别放入温度变化空间，逐渐改变温度，记录不同温度下的干涉透射谱，计算得到温度与干涉谱波谷所对应的光波长的相关系数；

步骤三)将干涉结构安装于曲率变化两端位置；逐渐改变曲率，记录不同曲率下的干涉透射谱，计算得到曲率与干涉谱波谷所对应的光波长的相关系数；

步骤四)根据步骤二)和步骤三)得到的相关系数建立干涉谱波谷漂移量与温度-曲率双参量方程组；

步骤五)通将干涉结构放在待测环境下，根据记录的干涉谱波谷漂移量和方程组即可同时计算出当前的温度和曲率。

进一步的改进，在干涉结构形成的干涉透射谱上选定两个波谷点A和B；

所述步骤二)中在干涉透射谱上，分别计算两点的温度与波谷漂移量的温度灵敏度标定系数

所述步骤三)中在干涉透射谱上，分别计算两点的曲率与波谷漂移量的曲率灵敏度标定系数

所述步骤四)中干涉波谱漂移量与温度-曲率双参量的方程组如下：

其中，分别为马赫-曾德尔干涉透射谱波谷A和波谷B的波长漂移量；ΔT、ΔC分别为温度和曲率变化量；

进一步的改进，所述的干涉谱波谷波长漂移量与温度变化曲线标定系数，通过线性拟合或者最小二乘法进行拟合计算得到。

本发明提出了一种利用光的干涉原理同时测量温度和曲率变化的马赫-曾德尔干涉结构，具有体积小、结构牢固且测量精度高的优点。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示出了根据本发明的芯光纤和光纤花生型结构马赫-曾德尔干涉仪测量***示意图；

图2示出了七芯光纤和光纤花生型结构马赫-曾德尔干涉仪熔接示意图；

图3示出了七芯光纤和光纤花生型结构马赫-曾德尔干涉仪和光传输示意图；

图4示出了本发明干涉谱随温度和曲率大小变化的曲线；

图5为K_T和K_C分别为波谷漂移量与温度和曲率线性关系；

图6为温度灵敏度系数的标定示意图；

图7为曲率灵敏度系数的标定示意图。

具体实施方式

图1中,1：基于七芯光纤和光纤球对称马赫-曾德尔干涉结构,2：宽谱光源,3：输入端传输光纤,4：输出端传输光纤,5：光谱记录仪

图2中，单模光纤和七芯光纤端面截面图，七芯光纤的7根纤芯由一根中心纤芯和呈正六边形距中心纤芯35μm的6根***纤芯组组成。本实施例中选用的是fibercore公司的SM-7C1500(6.1/125)型号七芯光纤。七芯光纤长度为7mm。

全光纤马赫-曾德尔干涉结构所述干涉结构包括第一单模光纤 6和第二单模光纤10，第一单模光纤6和第二单模光纤10之间通过一段七芯光纤8相连接；所述第一单模光纤6、第二单模光纤 10和七芯光纤8的连接端点处，均融化成型为光纤小球，相连的两个小球熔接在一起形成“花生型”双球构造(7和9)，干涉结构整体为单模光纤-双球-七芯光纤-双球-单模光纤的结构。

制作过程：先将单模光纤利用光纤熔接机在一端熔接成球形结构，制作另个备用；再将七芯光纤一端熔接光纤球；将七芯光纤带有光纤球一端与带有球形结构的单模光纤熔接，量取一定长度(本实施例中选取7mm)利用光纤切割刀截断七芯光纤，再将该截取端熔接光纤球；最后，将上述步骤完成的光纤球一端与另一个单模光纤球端熔接成对称结构。

该传感器的工作原理为：宽谱光进入单模光纤，以光纤基模形式传输，经过第一个光纤花生结构7时，激发效率提高，在突变处，一部分纤芯模式被激发到包层中形成包层模式，沿包层继续传输，另一部分沿着七芯光纤8的纤芯继续传播，到达第二个光纤花生结构9时，耦合效率显著提高，将包层模式再次耦合进纤芯，与纤芯模式发生干涉，形成马赫-曾德干涉，如图3所示。

马赫-曾德尔结构发生干涉后输出透射谱强度可以表示为

式中，k₁和k₂分别为传输光在光纤花生结构7和9传输时的耦合系数，η是包层模式的传输损耗，I_in是输入光的光强，Δφ是经中间段七芯光纤的传输，纤芯模式和包层模式的相位差.

由于不同模式之间的传播常数不同，在传播相同距离后，不同的模式会产生相位差.纤芯模式和包层模式产生的相位差为

当相位差满足Δφ＝(2m+1)π(m是正整数)时发生相消干涉该结构的干涉效应透射光谱波谷波长可表示为

式中，Δn_eff为纤芯模式和m阶包层模式的有效折射率差，L为干涉仪的长度，N表示透射谱处于波谷时相位差的系数。

应用干涉结构的透射谱波谷峰值飘移进行温度传感测试(如图4 所示)，当干涉仪受到温度、曲率等外界环境影响，干涉结构处光纤发生光程差的变化，透射谱都会随之飘移。经拟合计算，透射谱波谷峰值的漂移量与温度和曲率的变化均呈正相关(如图5所示)，可以利用干涉谱的两个波谷变化建立方程组：

其中，分别为马赫-曾德尔干涉透射谱波谷A和波谷B的波长漂移量；ΔT、ΔC分别为温度和曲率变化量； 波谷A和波谷B分别为温度灵敏度标定系数；分别为曲率灵敏度标定系数；因此只需将相关系数标定出来，即可根据波谷漂移量计算出温度和曲率的变化量。

波谷A和波谷B的温度和曲率灵敏度系数的标定：

温度标定

如图6所示，将传感结构熔接宽谱光源和光谱仪，建立标定测量***。将传感结构放入温度标定箱，每间隔5℃变化记录一次光谱，干涉波谷的波长随着温度的升高向长波长方向飘移。温度-波长公式如下：

式中，m为衰减峰值阶数，L为七芯光纤长度，K_T为温度和波长变化的关系的系数。使用该方式分别拟合计算出A、B两波谷的灵敏度标定系数

曲率标定

如图7所示，将传感器结构放在微分旋钮结构中，连接宽带光源和光谱仪构成曲率监测实验***，如图所示。宽谱光经单模光纤到达旋钮装置，其中MZI位于两固定支架中心位置，传感结构两端固定在两个一维位移平台上，通过微分位移旋钮改变曲率结构的间距，从而实现曲率变化。

曲率的计算公式：

式中，R为光纤弯曲的曲率半径，光纤处于拉直状态时，微位移平台的螺旋微分头的刻度尺位置为初始位置，此时光纤夹具间距离为 L₀。

其中，K_C为温度和波长变化的关系的系数。使用该方式分别拟合计算出A、B两波谷的灵敏度标定系数

从图4光纤干涉结构的透射谱可以看出，随着曲率的变化，干涉谱发生移动，对光谱波谷的光波长波谷进行寻峰，并且将寻峰值对曲率的变化进行记录分析，对该组数据进行最小二乘法的线性拟合，可知，干涉谱波谷值随温度变化成线性变化。利用波谷A和波谷B测量参数联立建立方程组，可以计算得到某一时刻的温度变化和曲率变化量。该传感器可以用于温度解耦的曲率测量。

本发明相关光纤的匹配参数如表所示：

Claims (8)

1.一种基于光纤的同时测量温度和曲率的装置，包括干涉结构，其特征在于，所述干涉结构包括第一单模光纤和第二单模光纤，第一单模光纤和第二单模光纤之间通过一段七芯光纤相连接；所述第一单模光纤、第二单模光纤和七芯光纤的连接端点处，均融化成型为光纤小球，相连的两个小球熔接在一起形成“花生型”双球构造，干涉结构整体为单模光纤-双球-七芯光纤-双球-单模光纤的结构；

第一单模光纤连接有宽谱光源，第二单模光纤连接有光谱记录仪。

2.如权利要求1所述的一种基于光纤的温度测量装置，其特征在于，所述宽谱光源为激光泵浦激发掺杂光纤产生自发辐射的宽谱光或激光二级管自发产生宽谱光。

3.如权利要求1所述的一种基于光纤的温度测量装置，其特征在于，第一单模光纤通过FC/APC接头与宽谱光源连接。

4.如权利要求1所述的一种基于光纤的温度测量装置，其特征在于，第二单模光纤通过FC/APC接头与光谱记录仪连接。

5.所述一单模光纤、第二单模光纤和七芯光纤的连接端点处，均融化成型为直径200-400um光纤小球。

6.一种基于光纤的同时测量温度和曲率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一)搭建单模光纤-双球-七芯光纤-双球-单模光纤的干涉结构；

步骤二)将干涉结构分别放入温度变化空间，逐渐改变温度，记录不同温度下的干涉透射谱，计算得到温度与干涉谱波谷所对应的光波长的相关系数；

步骤三)将干涉结构安装于曲率变化两端位置；逐渐改变曲率，记录不同曲率下的干涉透射谱，计算得到曲率与干涉谱波谷所对应的光波长的相关系数；

步骤四)根据步骤二)和步骤三)得到的相关系数建立干涉谱波谷漂移量与温度-曲率双参量方程组；

步骤五)通将干涉结构放在待测环境下，根据记录的干涉谱波谷漂移量和方程组即可同时计算出当前的温度和曲率。

7.如权利要求6所述的一种基于光纤的同时测量温度和曲率的方法，其特征在于：在干涉结构形成的干涉透射谱上选定两个波谷点A和B；

所述步骤二)中在干涉透射谱上，分别计算两点的温度与波谷漂移量的温度灵敏度标定系数

所述步骤三)中在干涉透射谱上，分别计算两点的曲率与波谷漂移量的曲率灵敏度标定系数

所述步骤四)中干涉波谱漂移量与温度-曲率双参量的方程组如下：

其中，分别为马赫-曾德尔干涉透射谱波谷A和波谷B的波长漂移量；ΔT、ΔC分别为温度和曲率变化量；

8.如权利要求6所述的一种基于光纤的同时测量温度和曲率的方法，其特征在于：所述的干涉谱波谷波长漂移量与温度变化曲线标定系数，通过线性拟合或者最小二乘法进行拟合计算得到。