CN104713660A - 光纤传感器及制作方法、液体温度和折射率同时测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤传感器及制作方法、液体温度和折射率同时测量方法，其中光纤传感器包括单模-无芯-单模光纤结构，所述单模-无芯-单模光纤结构由输入光纤(1)和输出光纤(3)、以及两者之间设置的无芯光纤(2)组成，无芯光纤(2)和输入光纤(1)和输出光纤(3)的连接处均为无偏心熔接；并利用新型单模-无芯-单模结构的光纤传感器本身具有的对液体折射率的波长相关灵敏度的特性，通过同时监测光纤传感器透射率谱线中两个波谷处的漂移量来对外界的折射率和温度实现同时测量。与现有技术相比，本发明具有结构简单、易于制作；在不增加制作成本和难度的基础上，又能保证对温度和折射率进行同时的准确的测量。
Description
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及其解调方法。具体讲，本发明涉及一种基于单模-无芯-单模全光纤结构的光纤传感器，以及利用双波长法对其进行解调的方法。
背景技术
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。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。在传统的单模-多模-单模光纤结构的基础上，人们提出了将多模光纤部分进行化学腐蚀或者直接用无芯光纤来替代多模光纤的方法，实现了对外界折射率的测量。然而由于二氧化硅材料本身的热光效应和热膨胀效应，在进行折射率测量时其准确度极易受外界温度干扰，对此人们又提出了在单模-无芯(或腐蚀的多模)-单模结构的之后再串联一个FBG的方法来进行对温度和折射率的同时和准确的测量。但是，这样不仅增大了传感器的体积，还增加了传感器的制作难度和成本。
发明内容
针对上述的现有技术及存在的问题，本发明提出了一种光纤传感器及制作方法、液体温度和折射率同时测量方法，利用新型单模-无芯-单模结构的光纤传感器本身具有的对液体折射率的波长相关灵敏度的特性，通过同时监测两个波谷处的漂移量来对外界的折射率和温度实现同时测量。
本发明提出了一种光纤传感器，包括单模-无芯-单模光纤结构，所述单模-无芯-单模光纤结构由输入光纤1和输出光纤3、以及两者之间设置的无芯光纤2组成，无芯光纤2与输入光纤1、输出光纤3的连接处均为无偏心熔接。
本发明还提出了一种光纤传感器的制作方法，该方法包括以下步骤：将一段无芯光纤2无偏心熔接入一段单模光纤中，构成一个单模-无芯-单模光纤结构，从而实现光纤传感器的制作。
本发明再提出了一种利用该光纤传感器实现的液体温度和折射率同时测量的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、在光纤传感器的透射谱曲线中确定两个波谷作为监测对象；
步骤二、通过实验分别测量该两个波谷对外界不同折射率的灵敏度和不同温度范围的灵敏度；进行传感器标定，分别得到折射率灵敏度标定值和温度灵敏度标定值；
折射率灵敏度标定值n标定为：
温度灵敏度标定值T标定为：
步骤三、利用所述折射率灵敏度标定值和温度灵敏度标定值来构建用于解调的矩阵，得到：
其中：Δλdip1和Δλdip2分别为实时监测到的两个波谷的漂移量，Δn和ΔT为外界折射率和温度的变化量，n标定1、n标定2分别为两个波谷的折射率灵敏度标定值，T标定1、T标定2分别为两个波谷的温度灵敏度标定值。
在实时测量到两个波谷的中心波长的漂移量后，通过上述解调矩阵来同时得到外界折射率和温度的信息。
与现有技术相比，本发明所提出的基于单模-无芯-单模光纤结构的光纤传感器具有结构简单、易于制作；在不增加制作成本和难度的基础上，又能保证对温度和折射率进行同时的准确的测量。
附图说明
图1为本发明的单模-无芯-单模光纤结构的光纤传感器结构示意图；1、输入单模光纤，2、无芯光纤，3、输出单模光纤；
图2为本发明的利用光纤传感器实现液体温度和折射率同时测量的解调方法的流程图；
图3为本发明的光纤传感器在空气中的透射率谱线示意图；
图4为本发明在不同折射率下的波谷1和波谷3的中心波长漂移量与外界折射率的关系曲线图；
图5中是在不同温度范围内的波谷1和波谷3的中心波长漂移量与温度的关系曲线图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式，进一步详述本发明的技术方案。
如图1所示，为本发明的新型光纤传感器结构示意图，所采用的单模-无芯-单模光纤结构包括输入光纤1和输出光纤3、以及两者之间设置的无芯光纤2。该光纤传感器的制作方法概述为：通过直接将一段无芯光纤2熔接入一段单模光纤中构成一个单模-无芯-单模光纤结构来得到；无芯光纤和单模光纤之间为无偏心熔接；其中，无芯光纤为对外界折射率敏感的多模光波导，是商品化的无芯光纤，或者将普通多模光纤去掉包层后来充当。
具体实施时，单模光纤(输入光纤1和输出光纤3)为标准单模光纤(CorningSMF-28)；无芯光纤2为台湾卓越公司生产的商品化无芯光纤(NCF61.5)，为纯石英材料制成，直径61.5μm、长度为5.7cm。
如图2所示，解调过程概述为：首先在传感器的透射谱曲线中确定两个波谷作为监测对象；通过实验分别测量该两个波谷对外界折射率和温度的灵敏度，即进行传感器标定；利用标定的结果来构建用于解调的矩阵；最后，在测量两个波谷的中心波长的漂移量后，便可通过解调矩阵来同时得到外界折射率和温度的信息。
当无芯光纤长度为5.7cm时，获得透射率谱线图如图3所示，该谱线中共有5个明显的波谷，分别位于1463.3nm、1507.8nm、1552.1nm、1589.9nm和1597.5nm处。由于后两个波谷会随着外界折射率的增大而移出光源的波长范围，在余下的三个波谷中处于1463.3nm和1552.1nm处的波谷之间具有最大的波长差，因此选择此两个波谷作为标定和监测对象，并将其标记为波谷1和波谷3。通过透射率谱线来选择波谷的时应选择间距最大的两个波谷，因为间距越大，其折射率灵敏度的差别越大，有助于测量分辨率的提高。
如图4所示，为该传感器处于具有不同折射率(在折射率1.333～1.381的范围内)的液体中时，波谷1和波谷3的中心波长漂移量与折射率的关系图。从图中可知，在折射率1.333～1.381范围内，波谷1和波谷3的折射率灵敏度分别为236.5nm/RIU和259.8nm/RIU(RIU表示单位折射率)。标定结果表明此两个波谷对外界折射率的灵敏度不同。
如图5所示，为该光纤传感器处于不同温度的环境(本例为32℃～95℃范围内)时，波谷1和波谷3的中心波长漂移量与温度的关系。结果表明此两个波谷的温度灵敏度极为接近，可统一取0.01nm/℃。通过对此两个波谷的折射率和温度灵敏度的标定，得到解调矩阵：
在实际测量中，只需实时监测波谷1和波谷3的漂移量即Δλdip1和Δλdip3便可通过以上的解调矩阵得到外界折射率和温度的变化量即Δn和ΔT。在原有折射率和温度的基准上再加上相应的变化量，便可得到外界折射率和温度的绝对值。该漂移量Δλdip1和Δλdip3均包含有两部分，即：与折射率相关的漂移量，与温度相关的漂移量。
由输入光纤进入的光信号首先耦合入无芯光纤，无芯光纤对信号光而言是一多模光波导，信号光在无芯光纤中传输的过程中激发起多个模式并产生模式干涉，因此对于一平坦且宽带宽的输入光，在输出端用光谱仪接收到的是一条包含有多个波谷的干涉谱。在无芯光纤中的模式干涉会受到外界折射率和温度的影响，导致干涉谱中的波谷随着折射率和温度的变化而发生红/蓝移。这些位于不同波长处的波谷对外界折射率的灵敏度不同，因此选择两个波谷作为测量对象，在对其进行标定并建立解调方程组后，便可通过对此两个波谷的监测来实现对外界温度和折射率的同时测量。该发明中所提出的基于单模-无芯-单模光纤结构的传感器具有结构简单、易于制作等优点，特别是利用本发明中所描述的解调方法，可以实现在不增加传感器的制作成本和难度的前提下实现温度和折射率的同时测量。
Claims (7)
1.一种光纤传感器，包括单模-无芯-单模光纤结构，其特征在于，所述单模-无芯-单模光纤结构由输入光纤(1)和输出光纤(3)、以及两者之间设置的无芯光纤(2)组成，无芯光纤(2)与输入光纤(1)、输出光纤(3)的连接处均为无偏心熔接。
2.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述输入光纤(1)和输出光纤(3)采用单模光纤。
3.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述无芯光纤(2)采用多模光波导或去掉包层的普通多模光纤。
4.如权利要求1所述的光纤传感器的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
将一段无芯光纤(2)无偏心熔接入一段单模光纤中，构成一个单模-无芯-单模光纤结构，从而实现光纤传感器的制作。
5.如权利要求1所述的光纤传感器的制作方法，其特征在于，所述无芯光纤2采用多模光波导或去掉包层的普通多模光纤。
6.利用权利要求1所述的光纤传感器实现的液体温度和折射率同时测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、在光纤传感器的透射谱曲线中确定两个波谷作为监测对象；
步骤二、通过实验分别测量该两个波谷对外界不同折射率的灵敏度和不同温度范围的灵敏度；进行传感器标定，分别得到折射率灵敏度标定值和温度灵敏度标定值；
折射率灵敏度标定值n标定为：
温度灵敏度标定值T标定为：
步骤三、利用所述折射率灵敏度标定值和温度灵敏度标定值来构建用于解调的矩阵，得到：
其中：Δλdip1和Δλdip2分别为两个波谷的漂移量，Δn和ΔT为外界折射率和温度的变化量，n标定1、n标定2分别为两个波谷的折射率灵敏度标定值，T标定1、T标定2分别为两个波谷的温度灵敏度标定值。
在实时测量到两个波谷的中心波长的漂移量后，通过上述解调矩阵来同时得到外界折射率和温度的信息。
7.如权利要求6所述的液体温度和折射率同时测量的方法，其特征在于，所述步骤一中所述的两个波谷选择透射谱曲线中的间距最大的两个波谷。
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