CN108279039A - 一种基于光纤错位结构和Sagnac环的温度和折射率双参数传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于光纤错位结构和Sagnac环的温度和折射率双参数传感装置，包括ASE宽带光源、导入单模光纤、无芯光纤轴向大错位结构、Sagnac环、光纤耦合器、导出单模光纤、光谱仪。宽带光源发出的光通过错位区时，被分成外界环境和无芯光纤包层两路传输，当外界环境的折射率发生微小变化，导致两路传输光的光程差发生改变，进而引起干涉光谱的移动。在折射率测量过程中存在着温度交叉敏感的问题，本发明通过级联Sagnac环来实现温度补偿。利用两种结构对温度和折射率具有不同的响应，解决了温度的串扰问题，实现了双参数测量。本发明能同时测量外界折射率和温度，具有很高的灵敏度和空间分辨率，且测量装置简单、实用性强，有望应用在高精度的生化测量上。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于光纤错位结构和Sagnac环的温度和折射率双参数传感装置。
背景技术
光纤折射率传感器具有小型化、抗电磁干扰以及生物化学相容性等特点，在生物分子检测、环境污染治理及化学过程控制等领域具有广泛应用。随着折射率测量要求的提高，光纤折射率传感器的灵敏度、分辨率等性能需要进一步提升。目前大多数的光纤折射率传感器通过拉锥或表面镀金属膜等方式提高传感性能，但这些方法存在着结构机械性能差，技术复杂以及成本高等缺点。
大多数的光纤折射率传感器在测量折射率时存在着与温度交叉敏感的问题。传统的温度补偿方法是在传感结构上嵌入或者级联光栅来实现温补，但光栅的温度灵敏度较低，不能精确的对温度进行补偿。温度和折射率串扰在实际测量中一直亟待解决，尤其在高精度折射率测量中。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提高折射率测量的灵敏度及分辨率，并解决测量过程中的温度串扰问题，提出一种级联无芯光纤轴向大错位结构和保偏光纤Sagnac环的温度和折射率传感器，具有灵敏度高、空间分辨率高、测量准确、制备简单，易于实现。
本发明的技术方案为：
一种基于光纤错位结构和Sagnac环的温度和折射率双参数传感装置，包括ASE宽带光源、导入单模光纤、传感器固定平台、无芯光纤轴向大错位结构、Sagnac环、光纤耦合器、导出单模光纤、光谱仪；ASE宽带光源与导入单模光纤一端连接，光谱仪与导出单模光纤一端连接；导入单模光纤的另一端和导出单模光纤的另一端同时通过光纤耦合器与Sagnac环相连。其中，无芯光纤轴向大错位结构是将两根单模-无芯光纤结构的无芯光纤端进行同轴向大错位熔接形成的结构，其包括顺次连接的入射端单模-无芯结构、同轴向大错位结构、出射端单模-无芯结构；无芯光纤轴向大错位结构位于导入单模光纤上或者导出单模光纤上；无芯光纤轴向大错位结构、Sagnac环、光纤耦合器拉直固定放置于传感器固定平台上。
上述无芯光纤轴向大错位结构(4)中入射端单模-无芯结构(4-1)与同轴向大错位结构(4-2)的错位量与同轴向大错位结构(4-2)和出射端单模-无芯结构(4-3)错位量相同，错位量为40～80μm。
上述Sagnac环(5)为在光纤耦合器(6)内熔接一段的保偏光纤。
上述光纤耦合器(6)为单模光纤耦合器。
由于单模光纤和无芯光纤纤芯模场不匹配，导致在入射单模光纤和无芯光纤在熔接点处单模光纤的纤芯模耦合到无芯光纤的包层中去，当光信号在经过第一个错位点时分成两路传输：无芯光纤包层中和外界环境，在第二个错位点中耦合到一起，这样便形成了马赫-泽德干涉仪。外界环境的折射率发生微小变化时，导致两路传输光的光程差发生改变，引起干涉波谷的移动，因此通过检测波长漂移量Δλm的变化，便可以实现折射率的传感检测。
所述的Sagnac环干涉仪由光纤耦合器和保偏光纤构成。当外界温度变化时，保偏光纤的高双折射系数和几何形状都会随着变化。但热膨胀效应导致的光纤形状的变化非常微小，可以忽略，因此只需考虑光纤的高双折射系数变化引起光纤有效折射率的变化。
所述式中ΔB为高双折射系数随着温度的变化量，L为保偏光纤长度，k为常数。由式(1)可以看出Sagnac环干涉仪对外界折射率的变化并不敏感，对外界温度的变化敏感。通过检测温度变化引起Sagnac干涉谷波长漂移量Δλm的变化便可以实现温度的传感检测。
所述的两种结构对于外界折射率和温度的变化具有不同的响应波长，因此可以实现双参数测量。由光谱仪记录不同折射率和温度的波长的漂移量可以求得具体的灵敏度公式，带入灵敏度传输矩阵如下式所示：
所述式中，KTa和KTb分别为无芯光纤轴向大错位结构和Sagnac环干涉仪折射率灵敏度；KRa和KRb分别为无芯光纤轴向大错位结构和Sagnac环干涉仪温度灵敏度。由于Sagnac环干涉仪对外界折射率的变化不敏感，KTb的值为0。对上述矩阵进行变化，可以得到下式：
所述式中，D为传输矩阵的系数，可由D＝-KRaKTb计算可得。所有的矩阵系数可以通过实验测得。
本发明具有以下有益效果：
(1)采用光纤作为光波传输及传感器件，具有抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小等优点。
(2)利用两种结构对折射率和温度具有不同的响应曲线，解决了折射率和温度交叉敏感问题，实现了温度和折射率双参数测量。
(3)灵敏度高、空间分辨率高，可使用于高精度的生物化学测量，测量方式简单方便，实用性强。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明在不同折射率下的传输光谱图；
图3为本发明在1.3335～1.3348折射率范围内，传输谱线与折射率变化之间的关系图；
图4为本发明在不同温度下的传输光谱图；
图5为本发明在20～35℃温度范围内，传输谱线与折射率变化之间的关系图；
图中：1 ASE宽带光源；2导入单模光纤；3传感器固定平台；4无芯光纤轴向大错位结构；4-1入射端单模-无芯结构；4-2同轴向大错位结构；4-3出射端单模-无芯结构；5Sagnac环；6光纤耦合器；7导出单模光纤；8光谱仪。
具体实施方式
结合附图详细说明本发明的具体内容。
图1为基于光纤错位结构和Sagnac环的温度和折射率双参数传感装置示意图。包括ASE宽带光源1、导入单模光纤2、传感器固定平台3、无芯光纤轴向大错位结构4(入射端单模-无芯结构4-1、同轴向大错位结构4-2、出射端单模-无芯结构4-3)、Sagnac环5、光纤耦合器6、导出单模光纤7、光谱仪8。单模与单模光纤的熔接为无错位熔接。所述的单模光纤直径均为125μm，其纤芯和包层的直径分别为9μm和125μm，无芯光纤轴向大错位结构4所用的无芯光纤直径为125μm，Sagnac环5所采用的保偏光纤直径为125μm。
传感器的制备过程中，使用古河FITEL S326型光纤切割刀和古河FITEL S178型光纤熔接机对光纤进行切割和熔接处理。在制备无芯光纤轴向大错位结构时，切割光纤来保证端面平整光洁；使用熔接机自带的单模-多模熔接程序对单模和无芯光纤熔接；切割熔接好的光纤，确定无芯光纤到熔接点的距离为2mm；采用手动熔接的方式进行无芯光纤的错位熔接，保证X轴(Y轴)方向不变，在Y轴(X轴)上错位50μm；切割错位后的无芯光纤，保证中间无芯光纤的长度为500μm；在按照上述步骤将另一段单模-无芯光纤熔接一起，便完成了无芯光纤轴向大错位结构的制备。制备Sagnac环干涉仪时，将10cm的保偏光纤熔接到3dB光纤耦合器中，采用熔接机自带的单模-单模熔接程序便可以完成。
使用波长范围为1520～1610nm的ASE宽带光源以及分辨率为0.02nm的横河AQ6370D型光谱仪对传感器的性能进行检测。如图1所示，光从ASE宽带光源1发出，经导入单模光纤2传输到无芯光纤轴向大错位结构4、Sagnac环5、光纤耦合器6，导出单模光纤7一端与光纤耦合器相连，另一端连接光谱仪8；传输的光信号经过上述传感结构后被光谱仪8处理、记录。通过在传感器固定平台3上滴加不同折射率溶液，保证实验环境温度恒定，便可以得到不同折射率下对应的传输光谱，如图2所示。同理，保证溶液的折射率不变，温度变化对应的透射光谱，如图4所示。
从图2和图4可以看出轴向大错位结构和Sagnac环干涉仪对于折射率和温度的变化具有不同的响应特性，可实现温度和折射率的双参数同时测量。从图3和图5可知，传感器可检测折射率和温度灵敏度分别为-7961.86nm/RIU和-1.05nm/℃，可以看出本发明的传感器对折射率和温度的变化都是非常敏感的。由于设定的光谱仪分辨率为0.02nm，其对应的折射率和温度的分辨率分别为2.51×10-6RIU和0.02℃。因此，本发明的传感器具有较高的灵敏度和空间分辨率，可以应用于高精度的生物、化学量检测。
在具体检测的过程中，折射率和温度同时测量可由矩阵(3)得到方程式(4)：
由光谱仪上可读出具体波长漂移量，带入传输矩阵(4)，可得到温度和折射率的具体变化值，即可实现温度和折射率的双参数测量。
Claims (5)
1.一种基于光纤错位结构和Sagnac环的温度和折射率双参数传感装置，其特征在于，包括ASE宽带光源(1)、导入单模光纤(2)、传感器固定平台(3)、无芯光纤轴向大错位结构(4)、Sagnac环(5)、光纤耦合器(6)、导出单模光纤(7)、光谱仪(8)；ASE宽带光源与导入单模光纤一端连接，光谱仪与导出单模光纤一端连接；导入单模光纤的另一端和导出单模光纤的另一端同时通过光纤耦合器与Sagnac环相连；其中，无芯光纤轴向大错位结构(4)是将两根单模-无芯光纤结构的无芯光纤端进行同轴向大错位熔接形成的结构，其包括顺次连接的入射端单模-无芯结构(4-1)、同轴向大错位结构(4-2)、出射端单模-无芯结构(4-3)；无芯光纤轴向大错位结构(4)位于导入单模光纤上或者导出单模光纤上；无芯光纤轴向大错位结构(4)、Sagnac环(5)、光纤耦合器(6)拉直固定放置于传感器固定平台(3)上。
2.根据权利要求1所述的基于光纤错位结构和Sagnac环的温度和折射率双参数传感装置，其特征在于，无芯光纤轴向大错位结构(4)中入射端单模-无芯结构(4-1)与同轴向大错位结构(4-2)的错位量和同轴向大错位结构(4-2)和出射端单模-无芯结构(4-3)错位量相同，错位量为40～80μm。
3.根据权利要求1或2所述的基于光纤错位结构和Sagnac环的温度和折射率双参数传感装置，其特征在于，Sagnac环(5)为在光纤耦合器(6)内熔接一段的保偏光纤。
4.根据权利要求1或2所述的基于光纤错位结构和Sagnac环的温度和折射率双参数传感装置，其特征在于，光纤耦合器(6)为单模光纤耦合器。
5.根据权利要求3所述的基于光纤错位结构和Sagnac环的温度和折射率双参数传感装置，其特征在于，光纤耦合器(6)为单模光纤耦合器。
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