CN109752034B - 基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器 - Google Patents
基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，所述传感器包括输入传输光纤、第一锥形光纤、侧抛光纤、第二锥形光纤和输出传输光纤；所述输入传输光纤、所述第一锥形光纤、所述侧抛光纤、所述第二锥形光纤和所述输出传输光纤依次连接，所述输入传输光纤和宽带光源连接，所述输出传输光纤和光谱分析仪连接。所述输入传输光纤和所述输出传输光纤均为单模光纤，所述第一锥形光纤、所述第二锥形光纤和所述侧抛光纤均由单模光纤制备得到，所述第一锥形光纤和所述第二锥形光纤是通过采用熔接机多次放电形成的锥形，所述侧抛光纤是用轮式侧抛装置对所述第一锥形光纤和所述第二锥形光纤的中间部分进行抛磨形成的。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器。
背景技术
在过去的几十年里，随着光纤通信和光电技术的迅速发展，光纤传感技术也得到了比较全面的发展。光纤传感器以其体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、可弯曲扭曲、及进行点式和分布式测量等优点而在建筑工程、电力工业、航天航海、医学和化学等领域得到广泛的应用。美国最早研究出了光纤陀螺仪、水声器、磁强计等光纤传感系统和用于核辐射监测的光纤传感器。日本、英国、法国和德国等许多国家也纷纷积极参与了光纤传感器的研究竞争中。目前，光纤传感器已经从军事上到民用上都得到了广泛的应用。
基于光纤马赫曾德干涉仪(MZI)的传感器近年来在光纤传感领域引起了很大的研究兴趣，其体积小巧、结构牢固，灵敏度高，MZI原理，将一束光首先分离成两束，两束光分别经历不同的光路再合束，由于两束光经历的光路不同，就产生了光程差，当两束光再次合束时则会出现干涉现象。
侧抛光纤是在普通通信光纤上，利用光学微加工技术，将光纤的部分侧边包层去掉所制成的光纤。侧抛光纤器件是利用侧抛光纤中光通过倏势场泄露到光纤外部的性能，在其抛磨面上制作各种光学结构或淀积不同的薄膜材料而制作的各种光纤传感器及光纤通信器件。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，所述传感器包括输入传输光纤、第一锥形光纤、侧抛光纤、第二锥形光纤和输出传输光纤；所述输入传输光纤、所述第一锥形光纤、所述侧抛光纤、所述第二锥形光纤和所述输出传输光纤依次连接，所述输入传输光纤和宽带光源连接，所述输出传输光纤和光谱分析仪连接。
其中，所述输入传输光纤和所述输出传输光纤均为单模光纤。
其中，所述第一锥形光纤、所述第二锥形光纤和所述侧抛光纤均由单模光纤制备得到。
其中，所述第一锥形光纤和所述第二锥形光纤是通过采用熔接机多次放电形成的锥形。
其中，所述侧抛光纤是用轮式侧抛装置对所述第一锥形光纤和所述第二锥形光纤的中间部分进行抛磨形成的。
其中，所述第一锥形光纤的锥形熔点到所述第二锥形光纤的锥形熔点之间的总长度为5-40mm。
优选地，所述第一锥形光纤的锥形熔点到所述第二锥形光纤的锥形熔点之间的总长度为10mm，15mm，20mm，25mm，30mm，35mm。
其中，所述第一锥形光纤和所述第二锥形光纤的锥形区长度为100-600μm，腰椎径为50-85μm。
优选地，
所述第一锥形光纤和所述第二锥形光纤的锥形区长度为150μm，200μm，250μm，300μm，350μm，400μm，450μm，500μm，550μm；
所述第一锥形光纤和所述第二锥形光纤的腰椎径为55μm，60μm，65μm，70μm，75μm，80μm。
其中，所述侧抛光纤抛磨面的抛磨深度为5-50μm，抛磨长度为5-40μm。
优选地，
所述侧抛光纤抛磨面的抛磨深度为10μm，15μm，20μm，25μm，30μm，35μm，40μm，45μm；
所述侧抛光纤抛磨面的抛磨长度为10μm，15μm，20μm，25μm，30μm。
本发明提供的基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，取一段单模光纤在中间剥去5cm左右的涂覆层，用熔接机制成双锥结构，两锥之间的距离为5-40mm作为马赫曾德干涉仪的干涉臂，然后在两锥之间马赫曾德干涉仪的干涉臂沿单模光纤的轴向对包层进行抛磨，使单模光纤截面形成为侧抛的光纤；形成由光纤包层模、纤芯模进行干涉产生对折射率与温度的敏感特性，实现对折射率与温度的测量。
本发明是采用将普通单模光纤用熔接机制成双锥结构，把两锥之间的横截面抛去一部分加工成侧抛剖面结构，使普通光纤制成双锥结构的侧抛光纤结构；利用样品池中折射率或温度的变化引起透射谱的变化，从而实现对折射率和温度的测量。
本发明的有益效果：
本发明提供的基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，将制作好的传感器放入待测样品池中，待测样品与传感器表面接触，当光纤传感器周围折射率或温度发生变化时，通过检测干涉光谱变化就可以实现对待测样品折射率或温度变化的测定，该光纤传感器具有结构简单、快速、灵敏度高的优点。
本发明提供的基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，锥形光纤是通过用熔接机多次放电形成锥形结构，之后用轮式侧抛装置对两个锥形光纤的中部进行抛磨，抛磨深度为几微米至几十微米，形成双锥形侧抛光纤传感器，这样能激发出更强的倏逝波，本发明提供的折射率与温度传感器，其传感器放入待测样品池，通过检测光谱仪峰/谷的变化就可以实现对折射率或温度的测定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的传感器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的传感器中侧抛光纤的侧视图；
图3本发明实施实例1提供的传感器不同折射率下的实验结果图；
图4本发明实施实例1提供的传感器不同折射率下的实验拟合图；
图5本发明实施实例1提供的传感器不同温度下的实验结果图；
图6本发明实施实例1提供的传感器不同温度下的实验拟合图；
附图中附图标记所对应的名称为：1-宽带光源，2-输入传输光纤，3-第一锥形光纤，4-侧抛光纤，5-第二锥形光纤，6-输出传输光纤，7-光谱分析仪，8-待测样品池。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了了一种基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，所述传感器包括输入传输光纤2、第一锥形光纤3、侧抛光纤4、第二锥形光纤5和输出传输光纤6；所述输入传输光纤2、所述第一锥形光纤3、所述侧抛光纤4、所述第二锥形光纤5和所述输出传输光纤6依次连接，所述输入传输光纤2和宽带光源1连接，所述输出传输光纤6和光谱分析仪7连接。所述输入传输光纤2和所述输出传输光纤6均为单模光纤，所述第一锥形光纤3、所述第二锥形光纤5和所述侧抛光纤4均由单模光纤制备得到；所述第一锥形光纤3和所述第二锥形光纤5是通过采用熔接机多次放电形成的锥形，所述侧抛光纤4是用轮式侧抛装置对所述第一锥形光纤3和所述第二锥形光纤5的中间部分进行抛磨形成的。所述第一锥形光纤的锥形熔点到所述第二锥形光纤的锥形熔点之间的总长度为20mm；所述第一锥形光纤3和所述第二锥形光纤5的锥形区长度为300μm，腰椎径为60μm；所述侧抛光纤4的抛磨深度为10μm，抛磨长度为10μm。
本实施例提供的基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，将制作好的传感器放入待测样品池中，待测样品与传感器表面接触，当光纤传感器周围折射率或温度发生变化时，通过检测干涉光谱变化就可以实现对待测样品折射率或温度变化的测定。
为了验证本发明提供的传感器的实用效果，选取1532-1544nm附近的波谷，如图3所示，观察折射率响应特性。当传感器周围相对折射率变化时，导致透射谱发生蓝移，由此可知，本发明提供的传感器可以实现对折射率的测量。图4为不同折射率下的线性拟合图，拟合系数为0.99321。同样的选取1515-1523nm附近的波谷，如图5所示，观察温度响应特性。当传感器周围温度变化时，导致透射谱发生红移，由此可知，本发明提供的传感器可以实现对温度的测量。图4为不同温度下的线性拟合图，拟合系数为0.99907。
由此可知，本发明提供的传感器可以实现对折射率与温度的测定。
实施例2
本发明提供了基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，所述传感器包括输入传输光纤2、第一锥形光纤3、侧抛光纤4、第二锥形光纤5和输出传输光纤6；所述输入传输光纤2、所述第一锥形光纤3、所述侧抛光纤4、所述第二锥形光纤5和所述输出传输光纤6依次连接，所述输入传输光纤2和宽带光源1连接，所述输出传输光纤6和光谱分析仪7连接。所述输入传输光纤2和所述输出传输光纤6均为单模光纤，所述第一锥形光纤3、所述第二锥形光纤5和所述侧抛光纤4均由单模光纤制备得到；所述第一锥形光纤3和所述第二锥形光纤5是通过采用熔接机多次放电形成的锥形，所述侧抛光纤4是用轮式侧抛装置对所述第一锥形光纤3和所述第二锥形光纤5的中间部分进行抛磨形成的。所述第一锥形光纤的锥形熔点到所述第二锥形光纤的锥形熔点之间的总长度为25mm；所述第一锥形光纤3和所述第二锥形光纤5的锥形区长度为400μm，腰椎径为70μm；所述侧抛光纤4的抛磨深度为15μm，抛磨长度为15 μm。
实施例3
本发明提供了基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，所述传感器包括输入传输光纤2、第一锥形光纤3、侧抛光纤4、第二锥形光纤5和输出传输光纤6；所述输入传输光纤2、所述第一锥形光纤3、所述侧抛光纤4、所述第二锥形光纤5和所述输出传输光纤6依次连接，所述输入传输光纤2和宽带光源1连接，所述输出传输光纤6和光谱分析仪7连接。所述输入传输光纤2和所述输出传输光纤6均为单模光纤，所述第一锥形光纤3、所述第二锥形光纤5和所述侧抛光纤4均由单模光纤制备得到；所述第一锥形光纤3和所述第二锥形光纤5是通过采用熔接机多次放电形成的锥形，所述侧抛光纤4是用轮式侧抛装置对所述第一锥形光纤3和所述第二锥形光纤5的中间部分进行抛磨形成的。所述第一锥形光纤的锥形熔点到所述第二锥形光纤的锥形熔点之间的总长度为30mm；所述第一锥形光纤3和所述第二锥形光纤5的锥形区长度为500μm，腰椎径为80μm；所述侧抛光纤4的抛磨深度为20μm，抛磨长度为20μm。
实施例4
本发明提供了基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，所述传感器包括输入传输光纤2、第一锥形光纤3、侧抛光纤4、第二锥形光纤5和输出传输光纤6；所述输入传输光纤2、所述第一锥形光纤3、所述侧抛光纤4、所述第二锥形光纤5和所述输出传输光纤6依次连接，所述输入传输光纤2和宽带光源1连接，所述输出传输光纤6和光谱分析仪7连接。所述输入传输光纤2和所述输出传输光纤6均为单模光纤，所述第一锥形光纤3、所述第二锥形光纤5和所述侧抛光纤4均由单模光纤制备得到；所述第一锥形光纤3和所述第二锥形光纤5是通过采用熔接机多次放电形成的锥形，所述侧抛光纤4是用轮式侧抛装置对所述第一锥形光纤3和所述第二锥形光纤5的中间部分进行抛磨形成的。所述第一锥形光纤的锥形熔点到所述第二锥形光纤的锥形熔点之间的总长度为15mm；所述第一锥形光纤3和所述第二锥形光纤5的锥形区长度为300μm，腰椎径为80μm；所述侧抛光纤4的抛磨深度为25μm，抛磨长度25μm。
实施例5
本发明提供了基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，所述传感器包括输入传输光纤2、第一锥形光纤3、侧抛光纤4、第二锥形光纤5和输出传输光纤6；所述输入传输光纤2、所述第一锥形光纤3、所述侧抛光纤4、所述第二锥形光纤5和所述输出传输光纤6依次连接，所述输入传输光纤2和宽带光源1连接，所述输出传输光纤6和光谱分析仪7连接。所述输入传输光纤2和所述输出传输光纤6均为单模光纤，所述第一锥形光纤3、所述第二锥形光纤5和所述侧抛光纤4均由单模光纤制备得到；所述第一锥形光纤3和所述第二锥形光纤5是通过采用熔接机多次放电形成的锥形，所述侧抛光纤4是用轮式侧抛装置对所述第一锥形光纤3和所述第二锥形光纤5的中间部分进行抛磨形成的。所述第一锥形光纤的锥形熔点到所述第二锥形光纤的锥形熔点之间的总长度为15mm；所述第一锥形光纤3和所述第二锥形光纤5的锥形区长度为400μm，腰椎径为80μm；所述侧抛光纤4的抛磨深度为30μm，抛磨长度为30μm。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，其特征在于：所述传感器包括输入传输光纤、第一锥形光纤、侧抛光纤、第二锥形光纤和输出传输光纤；所述输入传输光纤、所述第一锥形光纤、所述侧抛光纤、所述第二锥形光纤和所述输出传输光纤依次连接，所述输入传输光纤和宽带光源连接，所述输出传输光纤和光谱分析仪连接；所述第一锥形光纤的锥形熔点到所述第二锥形光纤的锥形熔点之间的总长度为5-40mm；所述第一锥形光纤和所述第二锥形光纤的锥形区长度为100-600μm，腰椎径为50-85μm；所述侧抛光纤抛磨面的抛磨深度为5-50μm，抛磨长度为5-40μm。
2.根据权利要求1所述的基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，其特征在于：所述输入传输光纤和所述输出传输光纤均为单模光纤。
3.根据权利要求1所述的基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，其特征在于：所述第一锥形光纤、所述第二锥形光纤和所述侧抛光纤均由单模光纤制备得到。
4.根据权利要求1所述的基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，其特征在于：所述第一锥形光纤和所述第二锥形光纤是通过采用熔接机多次放电形成的锥形。
5.根据权利要求4所述的基于侧抛光纤马赫曾德干涉仪的折射率与温度传感器，其特征在于：所述侧抛光纤是用轮式侧抛装置对所述第一锥形光纤和所述第二锥形光纤的中间部分进行抛磨形成的。
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