CN116105778B - 一种温盐同步测量的光纤传感*** - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种温盐同步测量的光纤传感***，包括：宽谱光源、光纤环形器、耦合器、第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计和光谱仪；所述第一干涉计对温度和盐度均不敏感，所述第二干涉计对温度和盐度均敏感，所述第三干涉计仅对温度敏感；所述宽谱光源发出光经过所述光纤环形器，进入所述第一干涉计，所述第一干涉计的反射光依次经过所述光纤环形器和所述耦合器后，分别进入所述第二干涉计和第三干涉计，所述第二干涉计和第三干涉计的反射光经过所述耦合器后，进入所述光谱仪；通过对进入所述光谱仪的反射光进行频谱分析，同时获取待测温度和待测盐度。本发明不仅利用游标效应提高了灵敏度，而且实现了温度和盐度同时测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种温盐同步测量的光纤传感***。
背景技术
光纤传感器具有精度高、抗电磁干扰、成本低、易复用等优点，被广泛应用于各个领域。其中光纤法布里——珀罗传感器在众多传感器中脱颖而出，具有制作简单，灵敏度高，尺寸小，容易封装，集成度高等优点，可以与海水直接相互作用产生干涉，可以应用于海洋环境监测领域。
然而，单个法布里-珀罗干涉计的灵敏度有限，无法同时实现温盐双参数测量，因此，亟需提出一种新型多腔结构的海水温盐传感器，使其产生光学游标效应，利用游标效应的放大作用提高灵敏度，并实现温度和盐度同时测量。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种温盐同步测量的光纤传感***，设计了三个法布里-珀罗干涉计串并联结构，该结构不但可以产生游标效应，而且可实现温盐双参数测量。
为实现上述目的，本发明提供了一种温盐同步测量的光纤传感***，包括：宽谱光源、光纤环形器、耦合器、第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计和光谱仪；
所述第一干涉计与所述光纤环形器、耦合器依次串联，所述耦合器分别与所述第二干涉计、第三干涉计、光谱仪连接，所述第二干涉计与所述第三干涉计并联；
所述第一干涉计对温度和盐度均不敏感，所述第二干涉计对温度和盐度均敏感，所述第三干涉计仅对温度敏感；
所述宽谱光源发出光经过所述光纤环形器，进入所述第一干涉计，所述第一干涉计的反射光依次经过所述光纤环形器和所述耦合器后，分别进入所述第二干涉计和第三干涉计，所述第二干涉计和第三干涉计的反射光经过所述耦合器后，进入所述光谱仪；通过对进入所述光谱仪的反射光进行频谱分析，同时获取待测温度和待测盐度。
可选地，所述第一干涉计包括：依次对心熔接的单模光纤、空芯光纤和单模光纤。
可选地，所述第二干涉计包括：依次错位熔接的三根单模光纤；其中，中间的单模光纤与两端的单模光纤错位熔接。
可选地，所述第三干涉计包括：对心熔接的单模光纤和空芯光纤；其中，空芯光纤中包括：注入聚二甲基硅氧烷后形成的空气腔；所述空气腔的光程为所述第一干涉计的光程的预设倍数，使所述第一干涉计和第三干涉计之间产生游标效应。
可选地，对进入所述光谱仪的反射光进行频谱分析包括：
基于进入所述光谱仪的反射光，分别获取所述第一干涉计、第二干涉计和第三干涉计的干涉谱；
基于所述第一干涉计的干涉谱和所述第二干涉计的干涉谱，获取所述第一干涉计和第二干涉计之间的第一干涉谱包络；基于所述第一干涉计的干涉谱和所述第三干涉计的干涉谱，获取所述第一干涉计和第三干涉计之间的第二干涉谱包络；
基于所述第一干涉谱包络和第二干涉谱包络，获取所述待测温度和所述待测盐度。
可选地，获取所述温度和所述盐度包括：
在温度和盐度发生变化时，获取所述第一干涉谱包络的第一平移量，获取所述第二干涉谱包络的第二平移量；
基于所述第一平移量和第二平移量，获取所述待测温度和所述待测盐度。
可选地，所述第一干涉计、第二干涉计和第三干涉计的干涉谱为：
其中，
为第一干涉计的干涉谱，/>
为第二干涉计的干涉谱，/>
为第三干涉计的干涉谱，I 1、I 2分别为第一干涉计的两束反射光的光强，I 3、I 4分别为第二干涉计的两束反射光的光强，I 5、I 6分别为第三干涉计的两束反射光的光强，L 1、L 2、L 3分别为第一干涉计、第二干涉计和第三干涉计的腔长，n 1和n 2、n 3分别为第一干涉计、第二干涉计和第三干涉计的腔内介质折射率，/>
为入射光的波长。
可选地，所述第一干涉谱包络为：
其中，
为第一干涉谱包络，E12为干涉谱包络幅值，M12为第一干涉计和第二干涉计之间游标效应的放大倍率；
所述第二干涉谱包络为：
其中，
为第二干涉谱包络，E13为干涉谱包络幅值；M13为第一干涉计和第三干涉计之间游标效应的放大倍率。
可选地，所述第一平移量和第二平移量分别为：
其中，ΔT和ΔS分别表示温度和盐度相对于标定点的变化量，Δλ12为第一平移量，Δλ13为第二平移量，α1和β1分别为第一干涉谱包络的温度和盐度灵敏度，α2和β2分别为第二干涉谱包络的温度和盐度灵敏度；
所述待测温度和所述待测盐度分别为：
其中，T为待测温度，S为待测盐度，T0为标定点的温度，S0为标定点的盐度。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明提供的一种温盐同步测量的光纤传感***，由三个干涉计串并联构成，其中第一干涉计分别与第二干涉计和第三干涉计产生游标效应，通过对光谱仪接收到的复杂干涉谱进行频谱分析，获得两个不同游标效应产生的干涉谱包络，进而建立两干涉谱包络平移量与温度和盐度之间的关系矩阵，通过求解关系矩阵实现温度和盐度同时测量。该传感器不仅利用游标效应提高了灵敏度，而且实现了温度和盐度同时测量。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的光纤传感***结构示意图；
图2为本发明实施例的传感头结构示意图；其中，（a）为干涉计1的传感头结构，（b）为干涉计2的传感头结构，（c）为干涉计3的传感头结构；
图3为本发明实施例的复杂多腔干涉谱示意图；
图4为本发明实施例的干涉计1、干涉计2、干涉计3的干涉谱的示意图；其中，（a）为干涉计1的干涉谱，（b）为干涉计2的干涉谱，（c）为干涉计3的干涉谱；
图5为本发明实施例的干涉谱包络Ien-12的标定温度和标定盐度以及待测温度和待测盐度示意图；其中，（a）为干涉谱包络Ien-12的标定温度和标定盐度，（b）为待测温度和待测盐度；
图6为本发明实施例的干涉谱包络Ien-13的标定温度和标定盐度以及待测温度和待测盐度示意图；其中，（a）为干涉谱包络Ien-13的标定温度和标定盐度，（b）为待测温度和待测盐度。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明提出了一种温盐同步测量的光纤传感***，包括：宽谱光源、光纤环形器、耦合器、第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计和光谱仪；
所述第一干涉计与所述光纤环形器、耦合器依次串联，所述耦合器分别与所述第二干涉计、第三干涉计、光谱仪连接，所述第二干涉计与所述第三干涉计并联；
所述第一干涉计对温度和盐度均不敏感，所述第二干涉计对温度和盐度均敏感，所述第三干涉计仅对温度敏感；
所述宽谱光源发出光经过所述光纤环形器，进入所述第一干涉计，所述第一干涉计的反射光依次经过所述光纤环形器和所述耦合器后，分别进入所述第二干涉计和第三干涉计，所述第二干涉计和第三干涉计的反射光经过所述耦合器后，进入所述光谱仪；通过对进入所述光谱仪的反射光进行频谱分析，同时获取待测温度和待测盐度。
进一步地，所述第一干涉计包括：依次对心熔接的单模光纤、空芯光纤和单模光纤。
进一步地，所述第二干涉计包括：依次错位熔接的三根单模光纤；其中，中间的单模光纤与两端的单模光纤错位熔接。
进一步地，所述第三干涉计包括：对心熔接的单模光纤和空芯光纤；其中，空芯光纤中包括：注入聚二甲基硅氧烷后形成的空气腔；所述空气腔的光程为所述第一干涉计的光程的预设倍数，使所述第一干涉计和第三干涉计之间产生游标效应。
进一步地，对进入所述光谱仪的反射光进行频谱分析包括：
基于进入所述光谱仪的反射光，分别获取所述第一干涉计、第二干涉计和第三干涉计的干涉谱；
基于所述第一干涉计的干涉谱和所述第二干涉计的干涉谱，获取所述第一干涉计和第二干涉计之间的第一干涉谱包络；基于所述第一干涉计的干涉谱和所述第三干涉计的干涉谱，获取所述第一干涉计和第三干涉计之间的第二干涉谱包络；
基于所述第一干涉谱包络和第二干涉谱包络，获取所述待测温度和所述待测盐度。
进一步地，获取所述温度和所述盐度包括：
在温度和盐度发生变化时，获取所述第一干涉谱包络的第一平移量，获取所述第二干涉谱包络的第二平移量；
基于所述第一平移量和第二平移量，获取所述待测温度和所述待测盐度。
单个法布里-珀罗干涉计的灵敏度有限，为了提高光纤传感器的灵敏度，本实施例拟采用自由光谱范围接近但不相等的两个干涉计串联或并联的方式，使其产生光学游标效应，利用游标效应的放大作用提高灵敏度。为了实现温度和盐度同时测量，本实施例设计了三个法布里-珀罗干涉计串并联结构。该结构不但可以产生游标效应，而且可实现温盐双参数测量。
聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种对温度极其敏感的材料，在温度的变化时会产生热胀冷缩效应，具有很好的透光性和折光性。利用PDMS的高热膨胀和高热光特性，与光纤相结合，在不同的温度下会改变腔体的长度，提高温度测量灵敏度。
本实施例提出了一种温盐同步测量的光纤传感器，该传感器由三个不同结构的干涉计通过串并联的形式构成，如图1所示，干涉计1由单模光纤、空芯光纤、单模光纤依次熔接而成，干涉腔为封闭结构，对温度和盐度均不敏感，作为参考腔。干涉计2是由单模光纤错位熔接而成，干涉腔为开放结构，对温度和盐度均敏感。干涉计3由PDMS填充一端与单模光纤熔接的空芯光纤而成，干涉腔为封闭腔，对温度敏感。干涉计1与干涉计2和3之间均为串联关系，干涉计2和3之间为并联关系。干涉计1与干涉计2和3分别产生游标效应。光谱仪接收信号光经三个干涉计后的干涉谱，因此，干涉谱较为复杂。为了获得干涉计1和2、干涉计1和3之间的干涉谱包络，本专利首先对干涉谱获得的复杂干涉谱进行频谱分析，重构出三个干涉计的干涉谱，然后采用干涉谱分别叠加的方式获得干涉计1和2之间的干涉谱包络，以及干涉计1和3之间的干涉谱包络。根据两干涉谱包络相对于实验标定的干涉谱包络（对应特定的温度和盐度）的平移量，建立干涉谱平移量与温度和盐度之间关系矩阵，通过求解关系矩阵实现温度和盐度的同时测量。
如图1所示，本实施例提出的温盐同步测量的光纤传感***，由宽谱光源（1400nm-1600nm）、光纤环形器、干涉计1、干涉计2、干涉计3、耦合器和光谱仪构成。光源发出的光经过光纤环形器，进入干涉计1（该干涉计对温度和盐度均不敏感，作为参考干涉计），干涉计1的反射光经光纤环形器和光纤耦合器后，一部分光进入干涉计2（该传感器对温度和盐度均敏感），另一部分进入干涉计3（该传感器对温度敏感），干涉计2和3的反射光经耦合器后由光谱仪接收。光谱仪接收的光谱是三个干涉计串并联结构的复杂干涉谱，为了获得游标效应产生的干涉谱包络，需要对光谱仪测得的复杂干涉谱进行频域分析。重构出三个干涉计的干涉谱，然后采用干涉谱叠加的方式获得干涉计1和2之间的干涉谱包络，以及干涉计1和3之间的干涉谱包络。
本实施例的传感***模型中的三个不同的干涉计的传感头结构如图2所示；其中，图2的（a）为干涉计1的传感头结构，图2的（b）为干涉计2的传感头结构，图2的（c）为干涉计3的传感头结构。
传感***制备过程如下：
干涉计1（即参考腔FP1）由单模光纤、空芯光纤、单模光纤依次熔接而成（单模光线直径为125微米，纤芯直径为8-10微米；空芯光纤的外径为125微米，内径为50微米）。
干涉计2（即传感腔FP2）是由三根单模光纤错位熔接制成，错位量为65.5-67.5微米。干涉计2的光程约为干涉计1光程的0.90-0.99倍，以保证干涉计1和干涉计2之间产生游标效应；
干涉计3（即传感腔FP3）是由单模光纤与空芯光纤熔接，并在空芯光纤内注入PDMS，形成空气腔（即干涉计FP3），空气腔的光程约为干涉计1光程的1.01-1.1倍，以保证干涉计1和干涉计3之间产生游标效应；
光束传输过程及传感原理：
如图1所示，宽谱光源发出的入射光经过环形器进入的干涉计1，被干涉计1反射后又经光纤环形器和光纤耦合器后，进入干涉计2和3，再被干涉计2和3反射后，由光谱仪接收。
干涉计1、2、3的干涉谱可分别表示为：
其中，I 1、I 2分别为干涉计1的两束反射光的光强，I 3、I 4分别为干涉计2的两束反射光的光强，I 5、I 6分别为干涉计3的两束反射光的光强，L 1、L 2、L 3分别为干涉计1、干涉计2和干涉计3的腔长，n 1和n 2、n 3分别为干涉计1、干涉计2和干涉计3的腔内介质折射率。光谱仪接收的干涉谱是三个干涉谱叠加的复杂干涉谱，可近似表示为：
干涉计1、干涉计2与干涉计3的自由光谱范围可以表示为：
由于干涉计1和2的自由光谱范围接近但不相等，因此，干涉计1和2之间将产生游标效应，由此呈现的干涉谱包络Ien-12可表示为：
其中，E12为干涉谱包络幅值；M12为干涉计1和2之间游标效应的放大倍率，即干涉谱包络Ien-12的温度和盐度灵敏度为单个干涉计2的M13倍。
由于干涉计1和3的自由光谱范围接近但不相等，因此，干涉计1和3之间将产生游标效应，由此呈现的干涉谱包络Ien-13可表示为：
其中，E13为干涉谱包络幅值；M13为干涉计1和3之间游标效应的放大倍率，即干涉谱包络Ien-13的温度灵敏度为单个干涉计3的M13倍。
由于光谱仪获得的是光源经三个干涉计串并联结构后的复杂干涉谱，为了获得干涉谱包络Ien-12和Ien-13，需要对复杂干涉谱进行频谱分析，获得三个干涉计的各自的干涉谱，然后通过干涉谱叠加的方式获得干涉谱包络Ien-12和Ien-13。
当温度和盐度发生变化时，干涉谱包络Ien-12和Ien-13的平移量Δλ12和Δλ13分别可表示为：
对应的矩阵方程可表示为：
其中，ΔT和ΔS分别表示温度和盐度相对于标定点(T0, S0)的变化量，标定点指传感器的参考点，该参考点对应的特定的温度、盐度、第一干涉谱包络和第二干涉谱包络，第一和第二平移量都是相对于此参考点对应的干涉谱谱包络的峰值（或波谷）波长而言的；Δλ12和Δλ13分别为干涉谱包络Ien-12和Ien-13相对于标定点干涉谱包络的平移量；α1和β1分别为干涉谱包络Ien-12的温度和盐度灵敏度，为常数，可由实验测得；α2和β2分别为干涉谱包络Ien-13的温度和盐度灵敏度，为常数，可由实验测得。通过求解矩阵方程即可求得待测温度T和盐度S，分别为：
由于接收的是多腔耦合后的复杂干涉谱如图3所示，所以可以利用傅里叶变换将复杂干涉谱进行频谱分析，提取出各腔干涉谱I1(λ)、I2(λ)、I3(λ)，如图4，三个干涉计的自由光谱范围非常接近且不相等，可以级联产生游标效应；其中，图4的（a）为干涉计1的干涉谱，图4的（b）为干涉计2的干涉谱，图4的（c）为干涉计3的干涉谱。
图5为本实施例的干涉谱包络Ien-12的标定温度和标定盐度以及待测温度和待测盐度示意图；其中，图5的（a）为干涉谱包络Ien-12的标定温度和标定盐度，图5的（b）为待测温度和待测盐度；
图6为本实施例的干涉谱包络Ien-13的标定温度和标定盐度以及待测温度和待测盐度示意图；其中，图6的（a）为干涉谱包络Ien-13的标定温度和标定盐度，图6的（b）为待测温度和待测盐度。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种温盐同步测量的光纤传感***，其特征在于，包括：宽谱光源、光纤环形器、耦合器、第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计和光谱仪；
所述第一干涉计与所述光纤环形器、耦合器依次串联，所述耦合器分别与所述第二干涉计、第三干涉计、光谱仪连接，所述第二干涉计与所述第三干涉计并联；
所述第一干涉计对温度和盐度均不敏感，所述第二干涉计对温度和盐度均敏感，所述第三干涉计仅对温度敏感；
所述宽谱光源发出光经过所述光纤环形器，进入所述第一干涉计，所述第一干涉计的反射光依次经过所述光纤环形器和所述耦合器后，分别进入所述第二干涉计和第三干涉计，所述第二干涉计和第三干涉计的反射光经过所述耦合器后，进入所述光谱仪；通过对进入所述光谱仪的反射光进行频谱分析，同时获取待测温度和待测盐度；
对进入所述光谱仪的反射光进行频谱分析包括：
基于进入所述光谱仪的反射光，分别获取所述第一干涉计、第二干涉计和第三干涉计的干涉谱；
基于所述第一干涉计的干涉谱和所述第二干涉计的干涉谱，获取所述第一干涉计和第二干涉计之间的第一干涉谱包络；基于所述第一干涉计的干涉谱和所述第三干涉计的干涉谱，获取所述第一干涉计和第三干涉计之间的第二干涉谱包络；
基于所述第一干涉谱包络和第二干涉谱包络，获取所述待测温度和所述待测盐度；
获取所述温度和所述盐度包括：
在温度和盐度发生变化时，获取所述第一干涉谱包络的第一平移量，获取所述第二干涉谱包络的第二平移量；
基于所述第一平移量和第二平移量，获取所述待测温度和所述待测盐度。
2.根据权利要求1所述的温盐同步测量的光纤传感***，其特征在于，所述第一干涉计包括：依次对心熔接的单模光纤、空芯光纤和单模光纤。
3.根据权利要求1所述的温盐同步测量的光纤传感***，其特征在于，所述第二干涉计包括：依次错位熔接的三根单模光纤；其中，中间的单模光纤与两端的单模光纤错位熔接。
4.根据权利要求1所述的温盐同步测量的光纤传感***，其特征在于，所述第三干涉计包括：对心熔接的单模光纤和空芯光纤；其中，空芯光纤中包括：注入聚二甲基硅氧烷后形成的空气腔；所述空气腔的光程为所述第一干涉计的光程的预设倍数，使所述第一干涉计和第三干涉计之间产生游标效应。
5.根据权利要求1所述的温盐同步测量的光纤传感***，其特征在于，所述第一干涉计、第二干涉计和第三干涉计的干涉谱为：
6.根据权利要求1所述的温盐同步测量的光纤传感***，其特征在于，所述第一干涉谱包络为：
所述第二干涉谱包络为：
7.根据权利要求1所述的温盐同步测量的光纤传感***，其特征在于，所述第一平移量和第二平移量分别为：
所述待测温度和所述待测盐度分别为：
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