CN103528609A - 复合干涉型的多参量光纤传感器 - Google Patents

Abstract

一种复合干涉型的多参量光纤传感器，本发明的光纤传感器依次包括输入端单模光纤、第一段多模光纤、中间段单模光纤、第二段多模光纤和输出端单模光纤；可看做传统单模-多模-单模（SMS）光纤传感结构和传统多模-单模-多模（MSM）光纤传感结构的级联，同时具有传统SMS光纤结构和传统MSM光纤结构的效果，根据两种传统光纤结构产生的干涉峰对温度、应变和湿度的不同敏感性，可实现对温度、应变和湿度的同时测量。本发明的光纤传感器比单独的传统SMS光纤结构或MSM光纤结构可同时测量的参量多，比直接将传统SMS光纤结构和MSM光纤结构级联，结构简单，操作简便，成本低。

Description

复合干涉型的多参量光纤传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及多参量（温度、应变、湿度）光纤干涉传感器。

背景技术

光纤传感技术是一种利用被测信号对光纤中传输的光波的各种参量进行调制，得出调制信号，并将这些信号通过探测器解调还原成原来的待测信号的一种技术。随着光源综合性能的提升，光纤多样化、多功能化、光无源器件性能优化以及光监测仪器精度提高等等，光纤传感技术发展十分迅速。近年来出现了多学科、多层次、多功能光纤传感技术方面的研究和应用。光纤传感器已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。

干涉型光纤传感器和传统光纤传感器相比，灵敏度高和分辨率高，动态响应范围大，成本低。

温度、应变和湿度在工业测量中至关重要，也是光纤传感领域中的研究热点，传统SMS光纤传感结构能够对温度和应变测量，但不能对湿度进行测量，而且在测量温度和应变过程中存在交叉敏感问题；传统MSM光纤传感结构对温度、应变、湿度皆敏感，但在测量中同样存在交叉敏感问题。实验中，一般要避免外界参量的影响，实现对温度、应变和湿度同时测量，可将传统SMS光纤结构和MSM光纤结构直接级联或者添加光纤光栅级联使用，但是操作难度增加，成本也很高。

发明内容

本发明目的是实现温度、应变和湿度同时测量，提供一种结构简单且容易制作的复合干涉型的多参量光纤传感器。该光纤传感器基于复合干涉型传感结构，输出信号中存在两类干涉模式的叠加，根据其对温度、应变和湿度的不同敏感性，可以实现同时测量。

本发明提供的复合干涉型的多参量光纤传感器，包括：输入端单模光纤（1）、第一段多模光纤（2）、中间段单模光纤（3）、第二段多模光纤（4）、输出端单模光纤（5）；所述的光纤传感器的连接关系为：传输光经输入端单模光纤（1）依次接入第一段多模光纤（2）、中间段单模光纤（3）和第二段多模光纤（4），之后经输出端单模光纤（5）输出。

本发明的光纤传感器结构可分为两部分，输入端单模光纤（1）和第一段多模光纤（2）及中间段单模光纤（3）构成传统SMS结构为第一部分；第一段多模光纤（2）和中间段单模光纤（3）及第二段多模光纤（4）构成传统MSM结构为第二部分，整个光纤传感结构看做是传统SMS结构和MSM结构的级联。

本发明输出信号为复合型干涉信号，包含SMS部分和MSM部分产生的两类干涉峰，根据光纤干涉理论可知，SMS结构对温度和应变敏感，而对湿度不敏感；MSM结构对温度、应变和湿度皆敏感，利用它们对温度、应变和湿度的不同灵敏度能够实现同时测量。

本发明所述的第一段多模光纤（2）和第二段多模光纤（4）芯径相同，取值范围可为50～105μm（芯径优选为105μm），中间段单模光纤（3）为标准单模光纤，并在其表面均匀涂抹聚丙烯酰胺（PAM）以增强湿度灵敏度。第一段多模光纤（2）和中间段单模光纤（3）长度取值范围可为20～40mm（长度皆优选20mm），共同作为传感区域，第二段多模光纤（4）长度取值范围可为1～8mm（长度优选5mm），作为模式耦合器。

本发明的优点和有益效果：

本发明提出了一种干涉型光纤传感器，结构简单且容易制作，只需要对多模光纤和单模光纤按照一定长度进行熔接即可。该传感器中输出信号包含SMS结构和MSM结构两类干涉模式的叠加，根据其对温度、应变和湿度的不同敏感性，可以实现同时测量。该发明的干涉型传感器，成本低，结构稳定，测量精度高，因而更适合实际的应用。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1为该光纤传感器干涉原理示意图。

图2为该光纤传感器结构示意图。

图3为该光纤传感器的输出信号谱。

图中：1.输入端单模光纤、2.第一段多模光纤、3.中间段单模光纤、4.第二段多模光纤、5.输出端单模光纤、6.宽带光源、7.光谱分析仪。

具体实施方式

实施例

如图1、图2所示，一种复合干涉型的多参量光纤传感器，采用多模-单模-多模光纤结构，由输入端单模光纤（1），第一段多模光纤（2）、中间段单模光纤（3）、第二段多模光纤（4）、输出端单模光纤（5）、宽带光源（6）和光谱分析仪（7）组成。宽带光源（6）经输入端单模光纤（1）依次接入第一段多模光纤（2）、中间段单模光纤（3）和第二段多模光纤（4），之后经输出端单模光纤（5）接入到光谱分析仪（7）。

所述的第一段多模光纤（2）和第二段多模光纤（4）芯径相同，选取105μm，中间段单模光纤（3）为标准单模光纤，并在其表面均匀涂抹PAM以增强湿度灵敏度。第一段多模光纤（2）和中间段单模光纤（3）长度皆选取20mm，共同作为传感区域，第二段多模光纤（4）长度选取5mm，作为模式耦合器。

如图1、图2所示，本发明的光路传输为：宽带光源（6）的光经输入端单模光纤（1）进入第一段多模光纤（2），激励起其基模和各阶高阶模式，满足相位匹配条件的纤芯模式之间发生干涉，继而耦合到中间段单模光纤（3），由于纤芯失配，激励起中间段单模光纤（3）中的纤芯和包层的各种模式。满足相位匹配条件的纤芯模式和包层模式发生干涉，干涉信号经第二段多模光纤（4）耦合到输出端单模光纤（5）中进行输出。根据光谱分析仪（7）可以观测不同干涉峰的特征波长随温度、应变和湿度的变化。

根据纤芯-纤芯干涉峰波长和纤芯-包层干涉峰波长的漂移量，再结合敏感矩阵方程 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Dip}1}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{Dip}2}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{Dip}3}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{K}_{\mathrm{Dip}1}^T& K_{\mathrm{Dip}1}^{\mathrm{\ϵ}}& K_{\mathrm{Dip}1}^{\mathrm{RH}}\\ K_{\mathrm{Dip}2}^T& K_{\mathrm{Dip}2}^{\mathrm{\ϵ}}& K_{\mathrm{Dip}2}^{\mathrm{RH}}\\ K_{\mathrm{Dip}3}^T& K_{\mathrm{Dip}3}^{\mathrm{\ϵ}}& K_{\mathrm{Dip}3}^{\mathrm{RH}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔT}\\ \mathrm{\Δ\ϵ}\\ \mathrm{\ΔRH}\end{array}\right],$ 即可得到温度、应变和湿度的变化量ΔT、Δε和ΔRH， $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔT}\\ \mathrm{\Δ\ϵ}\\ \mathrm{\ΔRH}\end{array}\right]=\frac{1}{D}\left[\begin{array}{ccc}{K}_{\mathrm{Dip}2}^{\mathrm{\ϵ}}{K}_{\mathrm{Dip}3}^{\mathrm{RH}}-K_{\mathrm{Dip}2}^{\mathrm{RH}}{K}_{\mathrm{Dip}3}^{\mathrm{\ϵ}}& K_{\mathrm{Dip}1}^{\mathrm{RH}}{K}_{\mathrm{Dip}3}^{\mathrm{\ϵ}}-K_{\mathrm{Dip}1}^{\mathrm{\ϵ}}{K}_{\mathrm{Dip}3}^{\mathrm{RH}}& K_{\mathrm{Dip}1}^{\mathrm{\ϵ}}{K}_{\mathrm{Dip}2}^{\mathrm{RH}}-K_{\mathrm{Dip}1}^{\mathrm{RH}}{K}_{\mathrm{Dip}2}^{\mathrm{\ϵ}}\\ K_{\mathrm{Dip}2}^{\mathrm{RH}}{K}_{\mathrm{Dip}3}^T-K_{\mathrm{Dip}2}^T{K}_{\mathrm{Dip}3}^{\mathrm{RH}}& K_{\mathrm{Dip}1}^T{K}_{\mathrm{Dip}3}^{\mathrm{RH}}-K_{\mathrm{Dip}1}^{\mathrm{RH}}{K}_{\mathrm{Dip}3}^T& K_{\mathrm{Dip}1}^{\mathrm{RH}}{K}_{\mathrm{Dip}2}^T-K_{\mathrm{Dip}1}^T{K}_{\mathrm{Dip}2}^{\mathrm{RH}}\\ K_{\mathrm{Dip}2}^T{K}_{\mathrm{Dip}3}^{\mathrm{\ϵ}}-K_{\mathrm{Dip}2}^{\mathrm{\ϵ}}{K}_{\mathrm{Dip}3}^T& K_{\mathrm{Dip}1}^{\mathrm{\ϵ}}{K}_{\mathrm{Dip}3}^T-K_{\mathrm{Dip}1}^T{K}_{\mathrm{Dip}3}^{\mathrm{\ϵ}}& K_{\mathrm{Dip}1}^T{K}_{\mathrm{Dip}2}^{\mathrm{\ϵ}}-K_{\mathrm{Dip}1}^{\mathrm{\ϵ}}{K}_{\mathrm{Dip}2}^T\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{Dip}1}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{Dip}2}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{Dip}3}\end{array}\right]$ 其中，D是敏感矩阵系数的行列式，Δλ_Dip1、Δλ_Dip2和Δλ_Dip3分别为本发明的光纤传感器透射谱的干涉峰特征波长，

分别是透射中选定三个干涉峰的温度、应变和湿度灵敏度。

本发明提出的这种干涉型光纤传感器，仅仅将单模光纤和多模光纤按照一定长度进行熔接，构造了一种多参量光纤传感器，根据传输谱图中干涉峰波长的漂移量就可得知温度、应变和湿度的量值，并可实现温度、应变和湿度的同时测量，该传感器具有体积小，结构简单，制作容易，成本低等优点，可广泛应用于国防、工业生产以及民用领域、生物化学等传感领域。

Claims (7)

1.复合干涉型的多参量光纤传感器，其特征在于该传感器包括：输入端单模光纤（1）、第一段多模光纤（2）、中间段单模光纤（3）、第二段多模光纤（4）和输出端单模光纤（5）；其连接关系为：传输光经输入端单模光纤（1）依次接入第一段多模光纤（2）、中间段单模光纤（3）和第二段多模光纤（4），之后经输出端单模光纤（5）输出。

2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述的光纤传感器结构分为两部分，输入端单模光纤（1）和第一段多模光纤（2）及中间段单模光纤（3）构成传统SMS结构为第一部分；第一段多模光纤（2）和中间段单模光纤（3）及第二段多模光纤（4）构成传统MSM结构为第二部分，整个光纤传感器的结构看做是传统SMS结构和MSM结构的级联。

3.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：中间段单模光纤（3）均匀涂抹聚丙烯酰胺（PAM），PAM通过吸收空气中的水蒸气而引起自身折射率发生改变，从而导致MSM结构部分产生的干涉峰波长的漂移，实现对湿度的测量。

4.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述的第一段多模光纤（2）和第二段多模光纤（4）芯径相同，取值范围为50～105μm，中间段单模光纤（3）为标准单模光纤；第一段多模光纤（2）和中间段单模光纤（3）的长度取值范围为20～30mm，共同作为传感区域，第二段多模光纤（4）长度取值范围为1～8mm，作为模式耦合器。

5.根据权利要求4所述的光纤传感器，其特征在于：所述的第一段多模光纤（2）和第二段多模光纤（4）优选芯径为105μm，而且，第一段多模光纤（2）和中间段单模光纤（3）优选长度皆为20mm，第二段多模光纤（4）优选长度5mm。

6.根据权利要求1至5任一项所述的光纤传感器，其特征在于：输出信号为复合型干涉信号，包含SMS部分和MSM部分产生的两类干涉峰，根据光纤干涉理论，SMS结构对温度和应变敏感，而对湿度不敏感；MSM结构对温度、应变和湿度皆敏感，利用它们对温度、应变和湿度的不同灵敏度能够实现同时测量。

7.根据权利要求1至5任一项所述的光纤传感器，其特征在于：根据干涉峰波长的漂移量，再结合敏感矩阵方程 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Dip}1}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{Dip}2}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{Dip}3}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{K}_{\mathrm{Dip}1}^T& K_{\mathrm{Dip}1}^{\mathrm{\ϵ}}& K_{\mathrm{Dip}1}^{\mathrm{RH}}\\ K_{\mathrm{Dip}2}^T& K_{\mathrm{Dip}2}^{\mathrm{\ϵ}}& K_{\mathrm{Dip}2}^{\mathrm{RH}}\\ K_{\mathrm{Dip}3}^T& K_{\mathrm{Dip}3}^{\mathrm{\ϵ}}& K_{\mathrm{Dip}3}^{\mathrm{RH}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔT}\\ \mathrm{\Δ\ϵ}\\ \mathrm{\ΔRH}\end{array}\right],$ 即得到温度、应变和湿度的变化量，其中，Δλ_Dip1、Δλ_Dip2和Δλ_Dip3分别为本发明的光纤传感器透射谱的干涉峰特征波长，ΔT、Δε和ΔRH分别为温度、应变和湿度的变化量，

分别是透射中选定三个干涉峰的温度、应变和湿度灵敏度。

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