CN104655590A - 全光纤折射率和温度传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感和生物化学领域，为提供一种简单的能够对温度和折射率进行同时测量的全光纤传感器，其结构简单，不需要其他特殊的光纤或者特殊的熔接技术即可进行制作。为此，本发明采取的技术方案是，全光纤折射率和温度传感器，由FBG、水滴状的单模光纤弯曲结构、毛细管构成，FBG的一侧尾纤通过毛细管后再经毛细管折回，形成水滴状的弯曲结构，水滴状的弯曲结构的光纤的一部分涂覆层被去除，毛细管端部用胶水对通过的光纤予以固定。本发明主要应用于光纤传感的设计制造。

Description

全光纤折射率和温度传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及光纤传感和生物化学领域，特别是一种可以对液体的折射率和温度进行同时测量的光纤传感器。具体讲，本发明涉及一种在普通光纤布拉格光栅(FBG)旁串联一个水滴状弯曲结构(曲率半径为毫米量级)的全光纤折射率和温度传感器。

背景技术

光纤传感器因为具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、传感距离长等优点，近年来受到了广泛的关注和研究。折射率和温度作为液体的两个重要参量，对其进行实时、准确的测量在生物化学等领域具有重要的意义。利用FBG本身对外界折射率变化不敏感的特性，人们提出了将FBG与另一个光纤折射率传感器串联，同时对两个特征波长进行监测，来实现对温度和折射率同时测量的方法。基于此方法，至今已经有多种结构的传感器被提出，例如将FBG与一个单模-无芯-单模光纤结构、或者一个利用错位熔接技术形成的干涉仪结构、或者一个光纤型法布里-珀罗微腔结构进行串联。然而在这些现有的传感器的制作过程中，或者需要特殊的光纤或者需要特殊的光纤熔接技术，这些都增加了传感器的制作难度和成本，阻碍了此类传感器的实用化。因此，如何改进此类传感器的结构来降低成本和制作难度就显得尤为重要。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种简单的能够对对温度和折射率进行同时测量的全光纤传感器，其结构简单，不需要其他特殊的光纤或者特殊的熔接技术即可进行制作。为此，本发明采取的技术方案是，全光纤折射率和温度传感器，由FBG、水滴状的单模光纤弯曲结构、毛细管构成，FBG的一侧尾纤通过毛细管后再经毛细管折回，形成水滴状的弯曲结构，水滴状的弯曲结构的光纤的一部分涂覆层被去除，毛细管端部用胶水对通过的光纤予以固定。

弯曲结构的曲率半径为毫米量级；毛细管为内径500μm～800μm的玻璃管，长度为2mm～5mm；胶水为502胶、AB胶、或UV胶。

全光纤折射率和温度测量方法：首先用光纤钳将FBG附近的一部分光纤的涂覆层剥离并用酒精清洁干净；固定毛细管不动，使FBG一侧的尾纤穿过毛细管的内部，持续拉动尾纤使去涂覆层部分的光纤刚好穿过毛细管为止，然后将同一侧的尾纤折回并穿过毛细管，继续拉动尾纤直至在毛细管的一端出现水滴状的弯曲结构；通过拉动或者推送毛细管附近的光纤来调节弯曲结构的曲率，并且保证去涂覆层的光纤处于弯曲结构的部分；最后在毛细管的端口附近点胶以对弯曲结构进行固定，利用FBG和弯曲结构对外界温度和折射率的响应不同，便可对温度和折射率进行同时测量。

对于宽带宽的入射光，输出光的透射率谱线中会出现多个波谷，其中FBG形成一个透射率谱线波谷，弯曲结构形成其余波谷，通过监测FBG对应的波谷和另一个波谷的中心波长的漂移量，利用相应的解调矩阵来得到外界温度和折射率的变化量；在原有的温度和折射率值的基础上加上相应的变化量，便可得到外界温度和折射率的绝对值；其中解调公式表示为如下的矩阵形式：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔT}\\ \mathrm{\Δn}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ξ}}_{T,\mathrm{FBG}}& {\mathrm{\ξ}}_{R,\mathrm{FBG}}\\ {\mathrm{\ξ}}_{T,\mathrm{drop}}& {\mathrm{\ξ}}_{R,\mathrm{drop}}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBG}}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{drop}}\end{array}\right],$

其中ΔT和Δn表示外界温度和折射率的变化量；Δλ_FBG和Δλ_drop分别表示FBG和水滴状弯曲结构对应的波谷的中心波长的变化量；ξ_T,FBG和ξ_T,drop分别表示FBG和弯曲结构的温度灵敏度，ξ_R,FBG和ξ_R,drop分别表示FBG和弯曲结构的折射率灵敏度，此四个量可以直接通过实验标定来得到。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明中所提出的传感器可以看做是一个FBG和一个水滴状弯曲结构的串联结构，因此对于一个具有宽带宽且平坦的输入光信号，输出谱线的形式应该是FBG和弯曲结构的特征谱线的叠加。对于一个FBG结构，由于在布拉格波长处其前向传输的纤芯模式几乎被全部耦合进后向传输的纤芯模式中，因此其输出的特征谱线表现为在布拉格波长处会形成一个尖锐的波谷；对于一个水滴状的弯曲结构，由于光纤的弯曲导致了一部分纤芯模式进入包层从而形成回音壁模式，最终在输出光纤处纤芯模与回音壁模式之间发生干涉而输出，因此在某个波长处当两类模式之间满足干涉相消条件时就会形成波谷，即水滴状弯曲结构的输出特征谱线表现为一系列的波谷。综上所述，本发明中的传感器的输出谱线中会出现两类波谷，一类由FBG引起，一类由水滴状弯曲结构引起。另外，由于此两类波谷的中心波长会随着外界折射率或者温度的变化而发生变化，但是其灵敏度不同，因此我们可以通过同时监测两类波谷的变化情况来对外界折射率和温度进行同时测量。

附图说明

图1是传感器的结构示意图。

图2是传感器处于外界折射率为1.0和温度为20℃的环境下的透射谱。

图3是波谷1和波谷2的中心波长随外界温度的变化情况。图中，y为应变量，表示波谷的中心波长的变化量；x为自变量，表示外界折射率的大小；R表示线性相关系数。

图4是传感器的透射谱随外界折射率的变化情况。

图5是波谷1和波谷2的中心波长随外界折射率的变化情况。图中，X为自变量，表示温度的大小。

图1中：

1.输入光纤，2.输出光纤，3.FBG，4.毛细管，5.胶，6.水滴状弯曲结构。

具体实施方式

本发明提出了一种简单的能够对对温度和折射率进行同时测量的全光纤传感器，此传感器由一个FBG和串联在其后方的一个水滴状弯曲结构构成。这种传感器结构简单，不需要其他特殊的光纤或者特殊的熔接技术即可进行制作。

本发明采用的技术方案是：

一种能够对液体折射率和温度进行同时测量的全光纤传感器，传感器构成为：FBG、水滴状的单模光纤弯曲结构、毛细管。水滴状的弯曲结构位于FBG的一侧尾纤上，构成弯曲结构的光纤的一部分涂覆层被去除。该传感器可通过对FBG的尾纤进行机械式的弯曲来得到，具体制作过程可分为以下几个步骤：首先用光纤钳将FBG附近的一部分光纤的涂覆层剥离并用酒精清洁干净；固定毛细管不动，使FBG一侧的尾纤穿过毛细管的内部，持续拉动尾纤使去涂覆层部分的光纤刚好穿过毛细管为止，然后将同一侧的尾纤折回并穿过毛细管，继续拉动尾纤直至在毛细管的一端出现水滴状的弯曲结构；通过拉动或者推送毛细管附近的光纤来调节弯曲结构的曲率，并且保证去涂覆层的光纤处于弯曲结构的部分；最后在毛细管的端口附近点胶以对弯曲结构进行固定。该传感器可以看做是FBG和水滴状弯曲结构的串联结构，利用FBG和弯曲结构对外界温度和折射率的响应不同，便可对温度和折射率进行同时测量。

在本方案中，FBG为带尾纤的商品化的普通的FBG；水滴状弯曲结构的一部分光纤的涂覆层需被去除，以便得到易于分析的谱线；弯曲部分的曲率半径为毫米量级；毛细管的内径为500μm～800μm，长度为2mm～5mm；胶水为502胶、AB胶、或UV胶。

为了实现对液体折射率和温度的同时测量，本发明采用在FBG的后方串联一个水滴状弯曲结构的方法，通过监测透射谱中两个波谷的变化情况来对外界折射率和温度进行同时测量，此传感器具有制作简单、成本低、灵敏度高等优点。

本发明主要由输入光纤、输出光纤、FBG、毛细管、固化胶和一个水滴状弯曲结构构成。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：(1)在距离FBG的栅区10mm～20mm的位置串联一个水滴状的弯曲结构，弯曲结构的一部分光纤的涂覆层是被去除的。(2)水滴状的弯曲结构实际上是处于FBG的尾纤上面，可通过对FBG的尾纤进行机械的弯曲来得到，具体的制作过程可描述为：首先在距离栅区10mm～20mm的尾纤上，用光纤钳将一部分光纤的涂覆层剥离掉；固定毛细管不动，使FBG一侧的尾纤穿过毛细管的内部，持续拉动尾纤使去涂覆层部分的光纤刚好穿过毛细管为止，然后将同一侧的尾纤折回并穿过毛细管，继续拉动尾纤直至在毛细管的一端出现水滴状的弯曲结构；通过拉动或者推送毛细管附近的光纤来调节弯曲结构的曲率，并且保证去涂覆层的光纤处于弯曲结构的部分；最后在毛细管的端口附近点胶(紫外胶、502胶、或AB胶)以对弯曲结构进行固定。(3)对于宽带宽的输入信号光，输出光谱上面会出现两类波谷，一类是由FBG引起的，一类是由水滴状弯曲结构引起的。(4)一方面，这两类波谷的中心波长都会随着外界温度的变化而变化，但是具有不同的灵敏度；另一方面，由水滴状弯曲结构引起的波谷的中心波长会随着外界折射率的变化而变化，由FBG引起的波谷的中心波长与外界折射率无关。(5)在实验上对两类波长的温度和折射率灵敏度进行标定后，便可通过监测两类波谷的中心波长的变化，利用解调矩阵来同时得到外界折射率和温度的信息。

下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明：

如图1为传感器的原理示意图。本实例中所用的FBG的谐振波长位于1540.5nm处，其两端的尾纤为标准单模光纤(Corning SMF-28)；毛细管4为内径为0.5mm长度为3mm的玻璃管；胶水5为紫外固化胶；水滴状弯曲结构6中被去除涂覆层的光纤的长度为27mm，垂直方向上两个顶点之间的距离为10mm。

图2所示的是外界温度为20℃折射率为1.0时传感器的透射率谱线。除了在1540.5nm处的波谷是由FBG引起的之外，其它的波谷均由水滴状单模弯曲结构引起。选取图中所示的波谷1和波谷2作为监测对象。

图3所示为在外界折射率保持为1.0时，波谷1和波谷2的中心波长随外界温度的变化情况。拟合结果表明FBG和水滴状弯曲结构对外界温度的灵敏度分别为9.4pm/℃和10.6pm/℃。

图4所示的是外界温度保持为20℃时，传感器的透射谱随外界折射率的变化情况。波谷1的中心波长保持不变，而波谷2的中心波长向长波方向移动。

图5所示为外界温度保持为20℃时，波谷1和波谷2的中心波长随外界折射率的变化情况。拟合结果表明在1.333～1.373的折射率范围内，FBG和水滴状弯曲结构对外界折射率的灵敏度分别为0nm/RIU和149.2712nm/RIU(RIU为单位折射率)。

在对此传感器进行标定后，通过监测波谷1和波谷2的中心波长的漂移量，便可利用相应的解调矩阵来得到外界温度和折射率的变化量。在原有的温度和折射率值的基础上加上相应的变化量，便可得到外界温度和折射率的绝对值。其中解调公式可表示为如下的矩阵形式：

其中ΔT和Δn表示外界温度和折射率的变化量，Δλ₁和Δλ₂分别表示波谷1和波谷2的中心波长的变化量。

综上可以看出，本发明中的传感器具有同时对折射率和温度测量的能力，且此传感器具有制作成本低、结构简单、灵敏度高等优点。

Claims (4)

1.一种全光纤折射率和温度传感器，其特征是,由FBG、水滴状的单模光纤弯曲结构、毛细管构成，FBG的一侧尾纤通过毛细管后再经毛细管折回，形成水滴状的弯曲结构，水滴状的弯曲结构的光纤的一部分涂覆层被去除，毛细管端部用胶水对通过的光纤予以固定。

2.如权利要求1所述的一种全光纤折射率和温度传感器，其特征是，弯曲结构的曲率半径为毫米量级；毛细管为内径500μm～800μm的玻璃管，长度为2mm～5mm；胶水为502胶、AB胶、或UV胶。

3.一种全光纤折射率和温度测量方法，其特征是，首先用光纤钳将FBG附近的一部分光纤的涂覆层剥离并用酒精清洁干净；固定毛细管不动，使FBG一侧的尾纤穿过毛细管的内部，持续拉动尾纤使去涂覆层部分的光纤刚好穿过毛细管为止，然后将同一侧的尾纤折回并穿过毛细管，继续拉动尾纤直至在毛细管的一端出现水滴状的弯曲结构；通过拉动或者推送毛细管附近的光纤来调节弯曲结构的曲率，并且保证去涂覆层的光纤处于弯曲结构的部分；最后在毛细管的端口附近点胶以对弯曲结构进行固定，利用FBG和弯曲结构对外界温度和折射率的响应不同，便可对温度和折射率进行同时测量。

4.如权利要求3所述的全光纤折射率和温度测量方法，其特征是，利用FBG和弯曲结构对外界温度和折射率的响应不同的特性，对于宽带宽的入射光，输出光的透射率谱线中会出现多个波谷，其中FBG形成一个透射率谱线波谷，弯曲结构形成其余波谷，通过监测FBG对应的波谷和另一个波谷的中心波长的漂移量，利用相应的解调矩阵来得到外界温度和折射率的变化量；在原有的温度和折射率值的基础上加上相应的变化量，便可得到外界温度和折射率的绝对值；其中解调公式表示为如下的矩阵形式：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔT}\\ \mathrm{\Δn}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ξ}}_{T,\mathrm{FBG}}& {\mathrm{\ξ}}_{R,\mathrm{FBG}}\\ {\mathrm{\ξ}}_{T,\mathrm{drop}}& {\mathrm{\ξ}}_{R,\mathrm{drop}}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBG}}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{drop}}\end{array}\right],$

其中ΔT和Δn表示外界温度和折射率的变化量；Δλ_FBG和Δλ_drop分别表示FBG和水滴状弯曲结构对应的波谷的中心波长的变化量；ξ_T,FBG和ξ_T,drop分别表示FBG和弯曲结构的温度灵敏度，ξ_R,FBG和ξ_R,drop分别表示FBG和弯曲结构的折射率灵敏度，此四个量可以直接通过实验标定来得到。