CN104316106A - 一种基于马赫增德尔干涉和光纤布拉格光栅的光纤传感器 - Google Patents

一种基于马赫增德尔干涉和光纤布拉格光栅的光纤传感器 Download PDF

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曹晔
赵晨
刘慧莹
童峥嵘
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Abstract

一种基于马赫增德尔干涉和光纤布拉格光栅的光纤传感器，由光纤布拉格光栅、花生锥结构和偏芯结构串联组成，光纤布拉格光栅的入射端与宽带光源连接，单模光纤纤芯直径为8.3μm、包层直径为125μm，光纤布拉格光栅的中心波长为1550.28nm；花生锥结构与偏芯结构的距离为2cm；偏芯结构一端与花生锥结构熔接，熔接的偏芯量为4μm；偏芯结构的输出端与光谱分析仪连接。本发明的优点是：该光纤传感器结构简单且容易制作，输出信号包含模间干涉峰和布拉格光栅的透射峰，根据其对温度和折射率的不同敏感性，可实现对温度和折射率的同时测量；该光纤传感器制作成本低、测量精度高，在化学和生物制药方面有着潜在的应用价值。

Description

一种基于马赫增德尔干涉和光纤布拉格光栅的光纤传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别是一种基于马赫增德尔干涉和光纤布拉格光栅的光纤传感器。
背景技术
光纤传感技术是伴随着光纤技术和光纤通信技术发展而兴起的新型传感技术。它以光纤为媒介感知和探测外界被测信号，在传感方式、传感原理和信号的探测及处理等方面都与传统的电学传感器有着明显的差异，尤其在某些特殊领域及恶劣工况下具有明显的技术优势。由于光纤本身为绝缘介质，易弯曲，抗电磁干扰、耐辐射性能好，使得光纤传感技术特别适用于高温高压高湿、强电磁干扰等传统电学传感器不易发挥作用的场所及恶劣环境。
现在光纤传感器已广泛应用于电力、冶金、航天、土木工程等领域中，用于测量温度、应变、折射率等物理量。另外由于光纤传感器的体积小、结构紧凑、灵敏度高等特性，使其在物理、化学和生物等方面也有广泛的应用。
发明内容
本发明提出并制作了一种基于马赫增德尔干涉和光纤布拉格光栅的光纤传感器，输出信号中存在光纤布拉格光栅(FBG)透射峰和模间干涉峰，根据其对温度和折射率的不同敏感性，可用其实现双参量同时测量。
本发明的技术方案为：
一种基于马赫增德尔干涉和光纤布拉格光栅的光纤传感器，由光纤布拉格光栅、花生锥结构和偏芯结构串联组成，光纤布拉格光栅(FBG)的入射端通过单模光纤与宽带光源连接，单模光纤纤芯直径为8.3μm、包层直径为125μm，光纤布拉格光栅(FBG) 在单模光纤上写制，光纤布拉格光栅(FBG)在室温条件下的中心波长为1550.28nm；花生锥结构与偏芯结构的距离为2cm；偏芯结构一端与花生锥结构熔接，熔接的偏芯量为4μm；偏芯结构的输出端通过单模光纤与光谱分析仪连接。
一种所述基于马赫增德尔干涉和光纤布拉格光栅的光纤传感器的应用，使用马赫增德尔(MZ)干涉结构级联光纤布拉格光栅的光纤传感器进行温度和折射率的同时测量，该光纤传感器在同时对温度和折射率进行传感时的光路传输为：宽带光源的光从单模光纤入射，经过光纤布拉格光栅(FBG)时满足布拉格条件的光反射，其余的光透射；之后经过花生锥结构和偏芯结构时发生模式耦合形成干涉，这些模式通过单模光纤传输至光谱分析仪中，监测环境温度和折射率的变化，步骤如下：
1）绘制光纤传感器的输出信号光谱图，当光纤布拉格光栅的透射峰dip1和模间干涉产生的干涉峰dip2发生波长漂移时，分别获取dip1的波长改变量                                                和dip2的波长改变量；
2）通过以下公式计算环境温度变化量和折射率的变化量：
式中：、分别为dip1对于温度和折射率的敏感系数，和是dip2对于温度和折射率的敏感系数；。
本发明的优点和有益效果是：
该光纤传感器结构简单且容易制作，只需要普通的单模光纤及刻写在单模光纤中的光纤布拉格光栅，该传感器中输出信号包含模间干涉峰和布拉格光栅的透射峰，根据其对温度和折射率的不同敏感性，可以实现对温度和折射率的同时测量；该光纤传感器制作成本低、测量精度高，在化学和生物制药方面有着潜在的应用价值。
附图说明
图1 为该光纤传感器结构示意图。
图2为该光纤传感器的输出信号光谱图。
图中：1.宽带光源、 2. 光纤布拉格光栅、3. 花生锥结构、4. 偏芯结构、5. 光谱分析仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的具体说明。
实施例：
一种基于马赫增德尔干涉和光纤布拉格光栅的光纤传感器，如图1所示，由光纤布拉格光栅2、花生锥结构3和偏芯结构4串联组成，光纤布拉格光栅(FBG)2的入射端通过单模光纤与宽带光源1连接，单模光纤纤芯直径为8.3μm、包层直径为125μm，光纤布拉格光栅(FBG) 2在单模光纤上写制，光纤布拉格光栅(FBG)2在室温条件下的中心波长为1550.28nm；花生锥结构3与偏芯结构4的距离为2cm；偏芯结构4一端与花生锥结构3熔接，熔接的偏芯量为4μm；偏芯结构4的输出端通过单模光纤与光谱分析仪5连接。
所述基于马赫增德尔干涉和光纤布拉格光栅的光纤传感器的应用，使用马赫增德尔(MZ)干涉结构级联光纤布拉格光栅的光纤传感器进行温度和折射率的同时测量，用于实现温度和折射率的同时测量，该光纤传感器在同时对温度和折射率进行传感时的光路传输为：宽带光源的光从单模光纤入射，经过光纤布拉格光栅(FBG)时满足布拉格条件的光反射，其余的光透射；之后经过花生锥结构和偏芯结构时发生模式耦合形成干涉，这些模式通过单模光纤传输至光谱分析仪中，监测环境温度和折射率的变化，步骤如下：
1）绘制该光纤传感器的输出信号光谱图：
图2为该光纤传感器的输出信号光谱图。当光纤布拉格光栅的透射峰dip1和模间干涉产生的干涉峰dip2发生波长漂移时，分别获取dip1的波长改变量和dip2的波长改变量；
2）通过以下公式计算环境温度变化量和折射率的变化量：
式中：、分别为dip1对于温度和折射率的敏感系数，和是dip2对于温度和折射率的敏感系数；。
该实施例中，首先将制作好的传感器固定于恒温板上，用所述传感器对温度进行测量，设置恒温板温度变化范围为20℃-75℃，每隔5℃记录一次数据，得到为0.01228和为0.08329。
然后用所述传感器对折射率进行测量，将传感器浸入不同折射率的Nacl溶液中，折射率范围从1.334到1.388，得到为0和为-26.965。
根据以上测量获得敏感矩阵。
在实际应用中，通过使用敏感矩阵和所测得的波长变化即可获得温度和折射率的变化：
其中=-0.3311，
带入所测数据后可得到
 。

Claims (2)

1.一种基于马赫增德尔干涉和光纤布拉格光栅的光纤传感器，其特征在于：由光纤布拉格光栅、花生锥结构和偏芯结构串联组成，光纤布拉格光栅(FBG)的入射端通过单模光纤与宽带光源连接，单模光纤纤芯直径为8.3μm、包层直径为125μm，光纤布拉格光栅(FBG) 在单模光纤上写制，光纤布拉格光栅(FBG)在室温条件下的中心波长为1550.28nm；花生锥结构与偏芯结构的距离为2cm；偏芯结构一端与花生锥结构熔接，熔接的偏芯量为4μm；偏芯结构的输出端通过单模光纤与光谱分析仪连接。
2.一种如权利要求1所述基于马赫增德尔干涉和光纤布拉格光栅的光纤传感器的应用，其特征在于：使用马赫增德尔(MZ)干涉结构级联光纤布拉格光栅的光纤传感器进行温度和折射率的同时测量，该光纤传感器在同时对温度和折射率进行传感时的光路传输为：宽带光源的光从单模光纤入射，经过光纤布拉格光栅(FBG)时满足布拉格条件的光反射，其余的光透射；之后经过花生锥结构和偏芯结构时发生模式耦合形成干涉，这些模式通过单模光纤传输至光谱分析仪中，监测环境温度和折射率的变化，步骤如下：
1）绘制光纤传感器的输出信号光谱图，当光纤布拉格光栅的透射峰dip1和模间干涉产生的干涉峰dip2发生波长漂移时，分别获取dip1的波长改变量                                                和dip2的波长改变量；
2）通过以下公式计算环境温度变化量和折射率的变化量：
式中：、分别为dip1对于温度和折射率的敏感系数，和是dip2对于温度和折射率的敏感系数；。
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