CN103323058A - 一种光纤折射率和温度传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤折射率和温度传感器及其测量方法，包括宽带光源（1）、光纤传感头（2）、光谱仪（3）、计算机（4），宽带光源（1）通过光纤连接到光纤传感头（2）第一输入端口，光纤传感头(2)第一输出端口通过光纤与光谱仪连接。测量方法中马赫曾德干涉仪内部分开的两光束发生干涉，干涉条纹谷值波长和布拉格波长的移动随光纤传感头所处的待测物质折射率或者温度的变化而变化，通过光谱仪测得干涉条纹谷值波长和布拉格波长的移动范围，再经计算机计算得到待测物质的折射率和温度。本发明可实现高精度、实时的折射率和温度的同时测量，结构简单、操作方便。

Description

一种光纤折射率和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和温度传感器，尤其涉及一种基于马赫曾德干涉仪和布拉格光栅的光纤折射率和温度传感器及其测量方法。

背景技术

折射率和温度在物理、生物、化学等学科领域是两个很重要的参数，对其精确测量在化工、医药、食品等相关工业部门有重要意义和用途。因此，许多的测量折射率和温度的方法应运而生。常规的测量折射率方法有掠入射法、衍射光栅法、激光照射法和CCD测量法，以及光声、SPR传感器和拉曼光谱等一些新技术。而测量温度的传统方法有高精度温度计法，SMS结构光纤法，布拉格光栅法和迈克尔逊干涉仪法等等。物质的温度对其折射率有很大的影响，在绝大多数的情况下，物质的温度会随着其所处温度的变化而变化，因此上述种种方法将这两种参量分开进行单独测量的精度就会有一定程度的偏差。在测量技术日益精密的科学研究中，这种偏差往往会对研究结果造成较大的影响。对于温度和折射率的双参数同时测量的研究中，涌现出了很多新的方法，如法布里泊罗腔镜法、拉锥光纤法、双模光纤法等，尽管这些方法的设计比较巧妙，在一定条件下能够实现温度和折射率的同时测量，但是这些方法价格昂贵并且不易操作，同时其稳定性较低，应用范围有限。

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，提供基于马赫曾德干涉仪和布拉格光栅的光纤折射率和温度传感器及其测量方法，具体技术方案如下。

一种基于马赫曾德干涉仪和布拉格光栅的光纤折射率和温度传感器，包括宽带光源、光纤传感头、光谱仪和计算机；所述光纤传感头的第一输入端口与宽带光源通过光纤连接，第一输出端口与光谱仪通过光纤连接；光纤传感头内部的马赫曾德干涉仪中的两光束传输时发生干涉，然后传输到光谱仪；所述光纤传感头由三段错位的普通光纤形成马赫曾德干涉仪结构，其中第一段普通光纤具有布拉格光栅，第二段普通光纤两端的第一段普通光纤和第三段普通光纤的中心轴重合。

上述的基于马赫曾德干涉仪和布拉格光栅的光纤折射率和温度传感器中，还包括用于接收光谱仪的输出数据并计算折射率和温度的计算机，光谱仪输出端与所述计算机通信连接。

上述的基于马赫曾德干涉仪和布拉格光栅的光纤折射率和温度传感器，测量光纤传感头内部的马赫曾德结构和布拉格光栅均为去除包层的普通光纤尾纤。

上述的基于马赫曾德干涉仪和布拉格光栅的光纤折射率和温度传感器，所用的布拉格光栅反射率为70%，布拉格波长为1539.52nm。

上述的基于马赫曾德干涉仪和布拉格光栅的光纤折射率和温度传感器中，所述的宽带光源为C波段（1520nm-1570nm）的光纤宽带光源，所述传输光纤均为普通单模光纤。

上述的基于马赫曾德干涉仪和布拉格光栅的光纤折射率和温度传感器中，计算机根据干涉条纹的谷值波长和布拉格波长随待测物质折射率和温度变化而变化的规律，计算出待测物质折射率和温度。

利用上述光纤折射率和温度传感器的折射率和温度测量方法，包括：将光纤传感头插入待测物质中，马赫曾德内部传输的两光束进行干涉，干涉条纹波谷的波长和布拉格波长随光纤传感头所处的待测物质折射率和温度的变化而变化，通过光谱仪和计算机测得干涉条纹谷值波长和布拉格波长的移动范围，再经计算机计算得到待测物质的折射率和温度。

上述的测量方法中，当待测物质的折射率或者温度发生变化时，通过光谱仪探测到干涉条纹谷值波长和布拉格波长的移动范围，经过计算机进行计算后，即得到待测的温度和折射率，计算矩阵为：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δn}}_x\\ \mathrm{\ΔT}\end{array}\right)=\frac{1}{K_{R1}{K}_{T2}-K_{T1}{K}_{R2}}\left(\begin{array}{cc}{K}_{T2}& -K_{T1}\\ -K_{R2}& K_{R1}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{MZI}}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{FBG}}\end{array}\right)$

其中K_R1和K_T1是马赫曾德干涉仪对于折射率和温度的灵敏度，K_R2和K_T2是布拉格光栅对于折射率和温度的灵敏度，Δn_x和ΔT分别为折射率和温度的变化，Δλ_MZI和Δλ_FBG分别为马赫曾德干涉仪中干涉条纹谷值波长的移动和布拉格波长的移动。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和技术效果：

（1）本发明的传感器可以很好地同时测量温度和折射率，消除单参数测量的不准确性以及传感系统内部光路分支中不同损耗引起的测量误差、降低了外界环境变化对测量带来的影响，提高了测量精度。

（2）本发明的传感器具有测量溶液浓度和温度范围大，分辨率高的优点。

（3）本发明的传感器结构简单，成本低，操作方便。

（4）本发明的传感器除了用于一般性液体检测外，还可用于微量、危险液体检测。此外，本发明也可以用于对折射率和温度发生变化的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基于马赫曾德干涉仪和布拉格光栅的光纤折射率和温度传感器结构示意图。

图2是测量光纤传感头结构以及与待测溶液物质交界面处的示意图。

图3是室温下光纤传感器在浓度为C=7.407%的氯化钠溶液中的传输谱。

图4a是马赫曾德干涉仪在氯化钠溶液浓度分别为7.407%，16.667%和24.242%时的传输谱。图4b是布拉格光栅在氯化钠溶液浓度分别为7.407%，16.667%和24.242%时的传输谱。图4c是在氯化钠溶液折射率从1.3232变化到1.3250时，传感器干涉条纹谷值波长的移动拟合规律。

图5a是氯化钠溶液浓度为10%时，传感器的干涉条纹谷值波长和布拉格波长随不同温度的变化；图5b为氯化钠溶液浓度是10%时，拟合的传感器中干涉条纹谷值波长和布拉格波长随温度的变化规律。

图6a表示布拉格波长在蒸馏水中随时间的变化。图6b表示干涉条纹的谷值波长在蒸馏水中随时间的变化。

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，基于马赫曾德干涉仪和布拉格光栅的光纤折射率和温度传感器包括宽带光源1、光纤传感头2、光谱仪3和计算机4。其中，宽带光源1连接到光纤传感头2的输入端口，光纤传感头2的输出端口连接光谱仪3，计算机4和光谱仪3通信连接，进行数据处理。具体测量是由光谱仪测量出光纤传感头插入待测溶液物质时的传输光谱，将其相应数据输入到计算机，通过计算获得干涉条纹谷值波长和布拉格波长的移动范围，根据拟合曲线获得被测溶液的折射率和温度。

图2是测量光纤传感头结构以及与待测溶液物质交界面处的示意图，整体是图1中的光纤传感头2。所述光纤传感头2由三段错位的普通光纤形成马赫曾德干涉仪结构，其中第一段普通光纤（202）具有布拉格光栅201，第二段普通光纤204两端的第一段普通光纤202和第三段普通光纤203的中心轴重合。其中5是容器，内部充满待测的溶液物质。

在发明中，所述的宽带光源1为C波段（1520nm～1570nm）宽带光源。马赫曾德干涉仪的分光比为50%～50%。传输光纤为单模光纤。

进行测量时，光纤传感头插入待测物质中（如溶液）中。干涉条纹谷值波长和布拉格波长随测量传感头所处的待测物质折射率和温度变化而变化的原理如下：

由于光纤错位，构成马赫曾德干涉仪，使得单模光纤中传输的光束分成两光束传播，一束在纤芯中，一束在包层中。两光束传输的路径不同，彼此之间会产生累积的相位差2πΔnL₁/λ，其中Δn是纤芯和包层之间传输的光束的折射率差，L₁是光纤错位的长度，λ是输入的波长。当光纤传感器所测的待测物质的温度或者折射率变化时，会使得包层中的光束传输的路径发生变化，两光束之间的相位差也会发生改变，使得他们之间的干涉条纹的谷值波长发生相应的移动。

布拉格光栅的主要组成材料为硅，其为纤芯折射率被周期性调制的单模光纤，其布拉格波长为λ_B=2n_effΛ，其中Λ为折射率调制周期，n_eff为有效折射率。布拉格波长对温度的灵敏性来源于硅的热膨胀效应和热光现象，其相互关系如下式

Δλ_B=(α_th+ξ)·λ_B·ΔT                 （1）

其中α_th是硅的热膨胀系数，ξ是热光系数，Δλ_B是布拉格波长的移动值，ΔT为温度的变化值。

对于硅，α_th和ξ分别为0.55×10^-6/°C和8.0×10^-6/°C，所以布拉格光栅在1550nm时随着温度的变化规律为0.01nm/°C，这主要是由于热依赖性造成的。所以当外界折射率变化时，布拉格波长不发生移动。

当待测物质的折射率或者温度发生变化时，通过光谱仪可以探测到干涉条纹谷值波长和布拉格波长的移动范围，经过计算机进行计算后，即可得到待测的温度和折射率。其计算矩阵如下：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δn}}_x\\ \mathrm{\ΔT}\end{array}\right)=\frac{1}{K_{R1}{K}_{T2}-K_{T1}{K}_{R2}}\left(\begin{array}{cc}{K}_{T2}& -K_{T1}\\ -K_{R2}& K_{R1}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{MZI}}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{FBG}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中K_R1和K_T1是马赫曾德干涉仪对于折射率和温度的灵敏度，K_R2和K_T2是布拉格光栅对于折射率和温度的灵敏度，Δn_x和ΔT分别为折射率和温度的变化，Δλ_MZI和Δλ_FBG分别为马赫曾德干涉仪中干涉条纹谷值波长的移动和布拉格波长的移动，这两者可以通过光谱仪探测得到。光谱仪将探测的数据输入计算机，经过拟合后，得到上述的4个灵敏度的数值，相应的计算即可得到最终测量的折射率Δn_x和温度ΔT。

图3是室温下光纤传感器在浓度为C=7.407%的氯化钠溶液中的传输谱。从上图中，我们可以清晰地看到条纹的干涉图形以及布拉格光栅形成的局部凹陷。

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溶液的传输光谱图，如图4a所示，图中三条曲线分别对应光纤传感头放置于7.407%，16.667%和24.242%质量百分比氯化钠溶液中的传输谱。其中，马赫曾德干涉仪错位的光纤纵向长度约为3.6cm，横向长度为8.1μm。布拉格光栅距离马赫曾德干涉仪的纵向光纤长度为7.1cm。从图4a和b可以看出，马赫曾德干涉仪中的干涉条纹谷值波长随光纤传感头所置溶液折射率的增大而增大；而布拉格波长并未发生移动。

表1为干涉条纹谷值波长移动与不同质量百分比浓度的同一液体（氯化钠溶液）折射率的变化关系。

表1

图4c是应用本发明的光纤传感器对不同浓度氯化钠溶液折射率测量的数据结果与拟合结果。图中曲线A和B分别为测量结果和拟合结果。从图4c可以看出，在待测溶液折射率由1.3232至1.3520变化范围内，拟合曲线能够精确地匹配测量结果，线性度为0.99。从拟合曲线可以得到马赫曾德干涉仪和布拉格光栅对于折射率的探测灵敏度K_R1和K_R2分别为13.7592nm/RI和0。在一般的科研范围中，此灵敏度可以达到相应的要求。

实验2：

为了验证本传感器对于探测温度的可行性，我们在氯化钠溶液浓度为10%的情况下，通过变化温度，测试了本传感器对于温度的灵敏度。图5a即为测得的传感器的传输谱。其中，布拉格波长和干涉条纹的谷值波长随着温度的增加均发生红移。布拉格光栅的条纹对比度随着温度的增加在减小，而马赫曾德干涉仪的干涉条纹的对比度先增大再减小。

表2为干涉条纹谷值波长移动和布拉格波长移动与不同温度的同一液体（氯化钠溶液浓度为10%）的变化关系。

表2

图5b为氯化钠溶液浓度是10%时，拟合的传感器中干涉条纹谷值波长和布拉格波长随温度的变化规律。其中A为布拉格波长的探测数据，B为干涉条纹谷值波长的探测数据，C为拟合曲线。我们发现拟合值和测量值的线性度为0.99，拟合度非常高。此外通过拟合曲线，得到马赫曾德干涉仪和布拉格光栅对于温度的灵敏度分别为K_T1=0.0440nm/°C和K_T2=0.0106nm/°C，再次验证了本发明传感器的高精度探测本领。

实验3：

为了进一步验证本传感器的可行性，我们进行了本传感器的稳定性实验。在本实验中，将本发明的光纤传感器放置在蒸馏水中，测量不同时间其波长的偏移量，如表3所示。

表2

图6a和b为应用本光纤传感器测量的布拉格波长和干涉条纹谷值波长随时间的变化关系。其中我们可以观察到马赫曾德干涉条纹的谷值波长在55min内的最大偏移量为0.04nm，而布拉格波长一直稳定在1539.51nm。因为马赫曾德干涉仪对于温度的灵敏度要比布拉格波长高，所以前者较易受到外界环境的影响。造成这种影响的因素很多，如光源的稳定性，测量过程中传感头的抖动，温度的变化等等。此外传感头的弯曲也会对谷值波长的偏移造成较大影响。

从上面的实验可知，尽管传输光谱干涉条纹谷值波长和布拉格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。

Claims (8)

1.一种光纤折射率和温度传感器，其特征在于包括宽带光源（1）、光纤传感头（2）、光谱仪（3）和计算机（4）；所述光纤传感头（2）的输入端口与宽带光源（1）通过光纤连接，光纤传感头（2）的输出端口与光谱仪（3）通过光纤连接，光纤传感头中马赫曾德干涉仪内部的两光束传输时发生干涉，然后传输到光谱仪（3）；所述光纤传感头（2）由三段错位的普通光纤形成马赫曾德干涉仪结构，其中第一段普通光纤（202）具有布拉格光栅（201），第二段普通光纤（204）两端的第一段普通光纤（202）和第三段普通光纤（203）的中心轴重合。

2.根据权利要求1所述的光纤折射率和温度传感器，其特征在于光谱仪（3）的输出端与用于接收光谱仪的输出数据并计算折射率和温度的所述计算机（4）通信连接。

3.根据权利要求1所述的光纤折射率和温度传感器，其特征在于所述的光纤传感头（2）内部的马赫曾德干涉仪结构和布拉格光栅均为去除包层的普通光纤尾纤。

4.如权利要求1所述的光纤折射率和温度传感器，其特征在于所述的宽带光源为C波段的宽带光源。

5.如权利要求1所述的光纤折射率和温度传感器，其特征在于：布拉格光栅反射率为70%，布拉格波长为1539.52nm。

6.如权利要求1～5任一项所述的光纤折射率和温度传感器，其特征在于所使用的光纤均为普通单模光纤。

7.利用权利要求1所述光纤折射率和温度传感器的测量方法，其特征在于包括：将光纤传感头插入待测物质中，马赫曾德干涉仪内部传输的两光束进行干涉，干涉条纹谷值波长和布拉格波长随光纤传感头所处的待测物质折射率和温度的变化而变化，通过光谱仪和计算机测得干涉条纹谷值波长和布拉格波长的移动范围，再经计算机计算得到待测物质的折射率和温度。

8.根据权利要求7所述测量方法，其特征在于当待测物质的折射率或者温度发生变化时，通过光谱仪探测到干涉条纹谷值波长和布拉格波长的移动范围，经过计算机进行计算后，即得到待测的温度和折射率，计算矩阵为：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δn}}_x\\ \mathrm{\ΔT}\end{array}\right)=\frac{1}{K_{R1}{K}_{T2}-K_{T1}{K}_{R2}}\left(\begin{array}{cc}{K}_{T2}& -K_{T1}\\ -K_{R2}& K_{R1}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{MZI}}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{FBG}}\end{array}\right)$

其中K_R1和K_T1是马赫曾德干涉仪对于折射率和温度的灵敏度，K_R2和K_T2是布拉格光栅对于折射率和温度的灵敏度，Δn_x和ΔT分别为折射率和温度的变化，Δλ_MZI和Δλ_FBG分别为马赫曾德干涉仪中干涉条纹谷值波长的移动和布拉格波长的移动。

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