CN107270949B - 温度与应变双参量传感系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度与应变双参量传感系统及其测量方法，将宽带光源、输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤、光谱仪顺次连接，光子晶体光纤纤芯支持基模和高阶模，利用纤芯基模与纤芯高阶模之间的干涉和纤芯模与包层模之间的干涉，能够同时测量温度及应变。采用傅里叶变换，通过编程，选择特定稳定的模式进行傅里叶逆变换，从而分别得到不同模式对于温度及应变的响应透射谱。结合灵敏度矩阵并选择同一波峰或波谷，测得对不同温度及应变的漂移量，从而得到传感器对于温度、应变的响应曲线。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，尤其涉及一种温度与应变双参量传感系统及其测量方法。
背景技术
随着时代的发展，对传感器的要求也越来越高。光纤传感器因其本身的优点，在科研和工业应用中一直占有很重要的地位。
光子晶体光纤(PCF)是一种新颖的光纤，具有独特的光学性能。光子晶体光纤本身结构是带有缺陷的二位光波导阵列，其包层由折射率不同于纤芯的材料以沿光纤轴向伸展的圆孔周期性排列。这些规则排列的圆孔可以是空气孔，也可以是其他掺杂的材料组成。通过调节孔洞的大小、形状、位置分布，设计得到具有不同性质的PCF。由于光子晶体光纤具有很好的结构特性和模式特性，并且能方便得调控性能，可以用于对温度、应变、折射率等物理量的测量，因此，PCF的应用引起了研究者的广泛关注。目前已经实现了基于光子晶体光纤的温度或者应变光纤传感器。但是，目前的报道主要是单参量传感器，而实际中往往需要温度及应变同时测量。并且，已有的双参量传感器，测量方法较为简单，对外界环境的响应不够准确，限制了光纤传感器的应用范围。
专利CN201620421589.7、CN201620379742.4发明了一种应变和温度同时测量的光纤传感器，所述传感单元由输入腰椎多模光纤、传输光纤、输出腰椎多模光纤组成。该传感器利用光通过腰椎区域时耦合进包层，从而激发出包层模。在输出端腰椎多模光纤，光耦合进入单模光纤中，形成干涉。当外界应变、温度改变时，干涉衰减峰的波长位置会发生相应改变。但是，这个测量方法利用的是同一干涉图像上不同位置处干涉衰减峰的漂移量。利用的模式干涉均为纤芯基模与包层模干涉，这种测量方式容易混合了多种干涉模式，不能够很准确的得到传感器对于应变和温度的响应，并且难以控制耦合出的模式。而本专利采用的是纤芯基模与纤芯高阶模干涉、纤芯基模与包层模干涉，能够部分上设计控制模式的产生。利用两种干涉对应变和温度响应的极大不同，测量得到温度和应变的变化。本专利采用数值计算方法，能够区分不同干涉模式，这对于传感准确测量，具有很大的意义。
专利CN201410560810.2发明了温度不敏感型折射率传感器。该传感器利用光子晶体光纤与单模光纤错芯熔接，使光耦合进包层模。在另一端错芯部分，光耦合进单模光纤，形成干涉。干涉峰对温度灵敏度不高，对折射率灵敏度高。通过干涉峰或干涉谷的波长漂移得到折射率的变化。这种测量方式只能测量单一参量，而且选取单一波长或波谷，数据利用较少，误差较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种温度与应变双参量传感系统及其测量方法，基于光子晶体光纤的模式选择特性，利用模式间的马赫增德尔(Mach-Zehnder)干涉，采用傅里叶变换及傅里叶逆变换，根据其对不同温度及应变的漂移量，结合灵敏度矩阵测量温度及应变的灵敏度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种温度与应变双参量传感系统，包括宽带光源、输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤、光谱仪；输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤依次同心连接，从宽带光源发出的光经输入单模光纤入射到光子晶体光纤，激发起对外界温度、应变敏感的纤芯基模、纤芯高阶模和包层模模式，光通过光子晶体光纤与输出单模光纤的熔接处耦合到输出单模光纤并发生干涉,光谱仪采集干涉谱。光子晶体光纤分别与两端的入射端单模光纤和出射端单模光纤大电流多次放电融塌连接；宽带光源出射的光经过入射端单模光纤进入融塌连接的光子晶体光纤，一部分光在纤芯中通过，另一部分光在融塌区耦合通过包层，再经过另一端融塌区形成干涉通过输出端单模光纤，最后接入到光谱分析仪。
按上述技术方案，纤芯材质为二氧化硅，光子晶体光纤的包层由空气包层与外包层组成，空气包层由空气孔堆积而成，呈圆形或者正六边形，空气孔的孔壁为二氧化硅材质，空气包层的等效折射率范围为1.2～1.45，优选1.2～1.4，光子晶体光纤中空气孔的层数为1～5层，包层直径为110～220μm，包层材料为二氧化硅；纤芯直径为2.7～19.4μm，单个空气孔直径为1～5μm，相邻空气孔间距为1.6～11.2μm。
按上述技术方案，光子晶体光纤的空气包层为3层空气孔，纤芯为实心，光子晶体光纤长度范围为1～5cm。
本发明还提供一种温度与应变双参量的测量方法，包括以下步骤，将宽带光源、输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤、光谱仪顺次连接，从宽带光源发出的光经输入单模光纤入射到光子晶体光纤后，激发起对外界温度、应变敏感的纤芯基模、纤芯高阶模和包层模模式；光通过光子晶体光纤与输出单模光纤的熔接处耦合到输出单模光纤并发生干涉，光子晶体光纤所处的温度、应变发生改变，干涉峰的波长位置发生改变，通过对干涉透射谱进行傅里叶变换及逆变换来检测不同模式干涉时干涉峰波长的移动，实现对外界应变、温度的同时测量。
按上述技术方案，对光谱仪中的干涉透射谱采取傅里叶变换，对纤芯基模和纤芯高阶模产生干涉的空间频谱、纤芯模和包层模产生干涉的空间频谱进行傅里叶逆变换分别得到对于温度及应变的干涉图像，结合灵敏度矩阵，计算得到对温度及应变的响应曲线。采用傅里叶变换，通过编程，选择稳定的模式进行傅里叶逆变换，从而分别得到不同模式对于温度及应变的响应透射谱。
按上述技术方案，包层模与纤芯基模、纤芯高阶模耦合进入输出单模光纤，选择光子晶体光纤的长度L为1～5cm，使得纤芯中的基模与高阶模之间存在相位差、纤芯模与包层模之间存在相位差，且相位差满足Φ＝2πΔnL/λ，从而纤芯中的基模与高阶模、纤芯模与包层模发生干涉，式中Δn为模式之间的折射率差，范围为0.01～0.2，λ为真空中的波长，L为干涉臂光子晶体光纤的长度。
按上述技术方案，在无应变条件下，环境温度变化时，测出包层模与纤芯模干涉峰、纤芯基模与纤芯高阶模干涉峰的特征波长随温度变化的拟合曲线，计算得到该传感系统温度灵敏度。
按上述技术方案，在环境温度恒定的条件下，对该系统施加应力，应变从0增加到一设定值，得到包层模与纤芯模干涉峰、纤芯基模与纤芯高阶模干涉谱的特征波长随应变变化的拟合曲线，计算得到该传感系统的应变灵敏度。
按上述技术方案，通过灵敏度矩阵，可以得到当温度及应变同时改变的时候，多模光纤的投射干涉光波长的变化为：
Δλ1为纤芯模之间干涉的透射光波长在温度、应变改变时的变化量，Δλ2为纤芯模与包层模之间干涉的透射光波长在温度、应变改变时的变化量，ΔT为光纤所处环境温度的变化量，Δε为光纤所受应变的变化量，k1,T为纤芯模之间干涉的透射光波长对温度变化的线性灵敏度系数,k1,ε为纤芯模之间干涉的透射光波长对应变变化的线性灵敏度系数,k2,T为纤芯模与包层模之间干涉的透射光波长对温度变化的线性灵敏度系数，k2,ε为纤芯模与包层模之间干涉的透射光波长对应变变化的线性灵敏度系数。
本发明产生的有益效果是：基于光子晶体光纤的模式选择特性，利用模式间的马赫增德尔(Mach-Zehnder)干涉，采用傅里叶变换及傅里叶逆变换，根据其对不同温度及应变的漂移量，结合灵敏度矩阵可以测得温度及应变的灵敏度，本发明对温度及应变的灵敏度测量更为准确。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例温度与应变双参量传感系统结构示意图；
图2为本发明实施例中采用的光子晶体光纤截面图；
图3为本发明实施例温度与应变双参量传感系统的输出信号谱；
图4为输出信号谱的傅里叶变换得到的空间频谱图；
图5为对空间频谱进行傅里叶逆变换得到的纤芯模模式干涉图；
图6为对空间频谱进行傅里叶逆变换得到的纤芯模与包层模模式干涉图；
图7为本发明实施例温度与应变双参量传感系统干涉峰的特征波长随应变变化的拟合曲线图；
图8为本发明实施例温度与应变双参量传感系统干涉峰的特征波长随温度变化的拟合曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，首先提供一种温度与应变双参量传感系统，包括宽带光源、输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤、光谱仪；输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤依次同心连接，从宽带光源发出的光经输入单模光纤入射到光子晶体光纤，激发起对外界温度、应变敏感的纤芯基模、纤芯高阶模和包层模模式，光通过光子晶体光纤与输出单模光纤的熔接处耦合到输出单模光纤并发生干涉,光谱仪采集干涉谱。光子晶体光纤分别与两端的入射端单模光纤和出射端单模光纤大电流多次放电融塌连接；宽带光源出射的光经过入射端单模光纤进入融塌连接的光子晶体光纤，一部分光在纤芯中通过，另一部分光在融塌区耦合通过包层，再经过另一端融塌区形成干涉通过输出端单模光纤，最后接入到光谱分析仪。
进一步的，纤芯材质为二氧化硅，光子晶体光纤的包层由空气包层与外包层组成，空气包层由空气孔堆积而成，呈圆形或者正六边形，空气孔的孔壁为二氧化硅材质，空气包层的等效折射率范围为1.2～1.45，优选1.2～1.4，光子晶体光纤中空气孔的层数为1～5层，包层直径为110～220μm，包层材料为二氧化硅；纤芯直径为2.7～19.4μm，单个空气孔直径为1～5μm，相邻空气孔间距为1.6～11.2μm。
进一步地，按上述技术方案，光子晶体光纤的空气包层为3层空气孔，纤芯为实心，光子晶体光纤长度范围为1～5cm。
光子晶体光纤纤芯支持基模和高阶模，利用纤芯基模与纤芯高阶模之间的干涉和纤芯模与包层模之间的干涉，能够同时测量温度及应变。采用傅里叶变换，通过编程，选择特定稳定的模式进行傅里叶逆变换，从而分别得到不同模式对于温度及应变的响应透射谱。结合灵敏度矩阵并选择同一波峰或波谷，测得对不同温度及应变的漂移量，从而得到传感器对于温度、应变的响应曲线。
本发明的一个较佳实施例中，光子晶体光纤为自制的三圈空气包层实心光子晶体光纤，光子晶体光纤为少模光子晶体光纤，外包层直径为190μm，纤芯直径为5.2μm，空气孔间距为5.15μm，空气孔直径为3μm，由三圈空气孔呈六边形组成，光纤长度为3.2cm；光子晶体光纤两端与入射端单模光纤和出射端单模光纤径向多次大电流融塌焊接。
本发明还提供一种温度与应变双参量的测量方法，包括以下步骤，将宽带光源、输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤、光谱仪顺次连接，从宽带光源发出的光经输入单模光纤入射到光子晶体光纤后，激发起对外界温度、应变敏感的纤芯基模、纤芯高阶模和包层模模式；光通过光子晶体光纤与输出单模光纤的熔接处耦合到输出单模光纤并发生干涉，光子晶体光纤所处的温度、应变发生改变，干涉峰的波长位置发生改变，通过对干涉透射谱进行傅里叶变换及逆变换来检测不同模式干涉时干涉峰波长的移动，实现对外界应变、温度的同时测量。
进一步的，对光谱仪中的干涉透射谱采取傅里叶变换，对纤芯基模和纤芯高阶模产生干涉的空间频谱、纤芯模和包层模产生干涉的空间频谱进行傅里叶逆变换分别得到对于温度及应变的干涉图像，结合灵敏度矩阵，计算得到对温度及应变的响应曲线。采用傅里叶变换，通过编程，选择稳定的模式进行傅里叶逆变换，从而分别得到不同模式对于温度及应变的响应透射谱。
进一步地，包层模与纤芯基模、纤芯高阶模耦合进入输出单模光纤，选择光子晶体光纤的长度L为1～5cm，使得纤芯中的基模与高阶模之间存在相位差、纤芯模与包层模之间存在相位差，且相位差满足Φ＝2πΔnL/λ，从而纤芯中的基模与高阶模、纤芯模与包层模发生干涉，式中Δn为模式之间的折射率差，范围为0.01～0.2，λ为真空中的波长，L为干涉臂光子晶体光纤的长度。
进一步地，在无应变条件下，环境温度变化时，测出包层模与纤芯模干涉峰、纤芯基模与纤芯高阶模干涉峰的特征波长随温度变化的拟合曲线，计算得到该传感系统温度灵敏度。
进一步地，在环境温度恒定的条件下，对该系统施加应力，应变从0增加到一设定值，得到包层模与纤芯模干涉峰、纤芯基模与纤芯高阶模干涉谱的特征波长随应变变化的拟合曲线，计算得到该传感器的应变灵敏度。
对光谱仪OSA采集的透射谱数据采取傅里叶变化，得到不同温度和应变条件下空间频谱图。选择特定稳定的模式进行傅里叶逆变换，分别得到两种干涉模式的透射谱。根据干涉谱波峰或波谷的漂移量，结合灵敏度矩阵方程可以计算出温度及应变的灵敏度。
如图1所示，本发明测量温度及应变的光路传输过程为：宽带光源1发射的光从输入端单模光纤2进入到融塌区；在融塌区一部分光耦合进光子晶体光纤3包层，激发包层模，另一部分耦合进纤芯，激发纤芯基模和高阶模；包层模和纤芯模之间满足相位匹配条件时，在第二个融塌区，包层和纤芯中的光被耦合会输出端单模光纤4的纤芯中发生干涉，并接入光谱仪5。对透射光谱进行傅里叶变换及逆变换，得到不同干涉模式独立的传感透射谱。根据干涉峰的特征波长随温度、应变的变化，计算出每种干涉对温度及应变的灵敏度。结合灵敏度矩阵，可以同时测量温度及应变。
图2为光子晶体光纤端面图，纤芯直径为5.2μm，包层直径为190μm，由三圈空气孔呈六边形排列组成，空气孔间距为5.15μm，光纤长度为3.2cm。
图3为无应变条件下，环境温度为35℃时，在光谱仪5中观察到的干涉谱。图4所示为对图3进行傅里叶变换得到的空间频谱图像，其中横坐标为0.04的峰为纤芯基模与纤芯高阶模干涉得到，横坐标为0.38的峰为纤芯基模与包层模干涉得到。
图5为对图4空间频谱图选取0.04位置处的峰进行傅里叶逆变换得到的纤芯模与纤芯高阶模干涉图像。图6为对图4空间频谱图选取0.38位置处的峰进行傅里叶逆变换得到的纤芯模与包层模干涉图像。
图6为对空间频谱进行傅里叶逆变换得到的纤芯模与包层模模式干涉图。图7所示为在环境温度为22℃的条件下，应变从0变化到541.2με时，纤芯模与包层模干涉谱的特征波长随应变变化的拟合曲线，可以计算得到该传感器的应变灵敏度为3.24pm/με。图8为无应变条件下，环境温度从20℃变化到60℃时，包层模与纤芯基模干涉峰的特征波长随温度变化的拟合曲线，可以计算得到该传感器温度灵敏度为9.85pm/℃。
通过灵敏度矩阵并结合实验测得的数据，可以知道当温度及应变同时改变的时候，多模光纤的投射干涉光波长的变化为
式中Δλ1、Δλ2分别为纤芯模透射干涉光波长和纤芯模与包层模透射干涉光波长的变化量，k1，T、k1，ε、k2，T、k2，ε分别为纤芯模透射干涉光和纤芯模与包层模透射干涉光对温度及应变的灵敏度，ΔT、Δε为环境温度及应变变化量。通过灵敏度矩阵，可得：
本发明将光子晶体光纤的两端与单模光纤多次放电融塌焊接，对透射谱进行数据处理得到不同模式干涉谱，根据特征波长的漂移量及灵敏度矩阵，便可同时测量温度及应变。该发明能同时测量温度及应变，灵敏度高，体积小。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种温度与应变双参量传感系统，其特征在于，包括宽带光源、输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤、光谱仪；输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤依次同心连接，从宽带光源发出的光经输入单模光纤入射到光子晶体光纤，激发起对外界温度、应变敏感的纤芯基模、纤芯高阶模和包层模模式，光通过光子晶体光纤与输出单模光纤的熔接处耦合到输出单模光纤并发生干涉,光谱仪采集干涉谱，光子晶体光纤的包层由空气包层与外包层组成，空气包层由空气孔堆积而成，呈圆形或者正六边形；纤芯直径为2.7～19.4μm，单个空气孔直径为1～5μm，相邻空气孔间距为1.6～11.2μm。
2.根据权利要求1所述的温度与应变双参量传感系统，其特征在于，纤芯材质为二氧化硅，空气孔的孔壁为二氧化硅材质，空气包层的等效折射率范围为1.2～1.45，光子晶体光纤中空气孔的层数为1～5层，包层直径为110～220μm，包层材料为二氧化硅。
3.根据权利要求2所述的温度与应变双参量传感系统，其特征在于，光子晶体光纤的空气包层为3层空气孔，纤芯为实心，光子晶体光纤长度范围为1～5cm。
4.一种温度与应变双参量的测量方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一系统，包括以下步骤，将宽带光源、输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤、光谱仪顺次连接，从宽带光源发出的光经输入单模光纤入射到光子晶体光纤后，激发起对外界温度、应变敏感的纤芯基模、纤芯高阶模和包层模模式；光通过光子晶体光纤与输出单模光纤的熔接处耦合到输出单模光纤并发生干涉，光子晶体光纤所处的温度、应变发生改变，干涉峰的波长位置发生改变，通过对干涉透射谱进行傅里叶变换及逆变换来检测不同模式干涉时干涉峰波长的移动，实现对外界应变、温度的同时测量。
5.根据权利要求4所述的温度与应变双参量的测量方法，其特征在于，对光谱仪中的干涉透射谱采取傅里叶变换，对纤芯基模和纤芯高阶模产生干涉的空间频谱、纤芯模和包层模产生干涉的空间频谱进行傅里叶逆变换分别得到对于温度及应变的干涉图像，结合灵敏度矩阵，计算得到对温度及应变的响应曲线。
6.根据权利要求4或5所述的温度与应变双参量的测量方法，其特征在于，包层模与纤芯基模、纤芯高阶模耦合进入输出单模光纤，选择光子晶体光纤的长度L为1～5cm，使得纤芯中的基模与高阶模之间存在相位差、纤芯模与包层模之间存在相位差，且相位差满足Φ＝2πΔnL/λ，从而纤芯中的基模与高阶模、纤芯模与包层模发生干涉，式中Δn为模式之间的折射率差，范围为0.01～0.2，λ为真空中的波长，L为干涉臂光子晶体光纤的长度。
7.根据权利要求4或5所述的温度与应变双参量的测量方法，其特征在于，在无应变条件下，环境温度变化时，测出包层模与纤芯模干涉峰、纤芯基模与纤芯高阶模干涉峰的特征波长随温度变化的拟合曲线，计算得到该传感系统温度灵敏度。
8.根据权利要求4或5所述的温度与应变双参量的测量方法，其特征在于，在环境温度恒定的条件下，对该系统施加应力，应变从0增加到一设定值，得到包层模与纤芯模干涉峰、纤芯基模与纤芯高阶模干涉谱的特征波长随应变变化的拟合曲线，计算得到该传感系统的应变灵敏度。
9.根据权利要求5所述的温度与应变双参量的测量方法，其特征在于，通过灵敏度矩阵，可以得到当温度及应变同时改变的时候，多模光纤的投射干涉光波长的变化为：
Δλ1为纤芯模之间干涉的透射光波长在温度、应变改变时的变化量，Δλ2为纤芯模与包层模之间干涉的透射光波长在温度、应变改变时的变化量，ΔT为光纤所处环境温度的变化量，Δε为光纤所受应变的变化量，k1,T为纤芯模之间干涉的透射光波长对温度变化的线性灵敏度系数,k1,ε为纤芯模之间干涉的透射光波长对应变变化的线性灵敏度系数,k2,T为纤芯模与包层模之间干涉的透射光波长对温度变化的线性灵敏度系数，k2,ε为纤芯模与包层模之间干涉的透射光波长对应变变化的线性灵敏度系数。
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