CN109974758A - 用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感器及制备方法。在偏移纤芯一侧通过飞秒激光刻蚀和化学腐蚀制作凹槽，之后通过旋转加工平台，利用飞秒激光改变光纤折射率的特性，在偏移纤芯的另一侧包层内写入一段弧形波导，波导两端均与纤芯连接，制作出双马赫曾德干涉仪(MZI)级联结构。将该传感结构封装后形成传感器。该双MZI级联传感器的透射光谱在1300nm‑1600nm波长范围内存在3个对比度不同的特征波长，且这3个特征波长对海水温度、盐度和深度的响应灵敏度不同，通过特征波长的变化值并结合灵敏度矩阵得出相应的海水温盐深信息。本发明提出的传感元件结构紧凑，机械强度和测量灵敏度较高，是实现海水多参数准确测量的有效手段。
Description
技术领域
本发明属于光纤多参数测量领域，提供一种用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感器及制备方法。
背景技术
海水参数测量在海洋资源开发、环境保护和气候监测等方面具有重要作用，其中最典型的参数为海水的温度、盐度和深度。电学传感器应用在海洋环境容易受到电力供应、海水腐蚀和电磁干扰等影响，而光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、重量轻、结构紧凑、灵敏度高、可实现远距离分布式测量等优点，在海水参数测量领域具有很大的优势。
基于马赫曾德干涉原理的全光纤干涉仪具有制作简单、灵敏度高、结构紧凑等优点，在盐度、应变、温度、振动和位移等物理量测量方面应用广泛。通过光栅级联、错位熔接、加工凹槽及刻写波导等方式可制作MZI。文献(10.3788/CO.20160903.0329)中提出在光纤的纤芯刻写平行的布拉格光栅和长周期光栅，该传感结构可以实现对温度和折射率的测量，但是灵敏度较低，且光纤光栅的加工过程比较复杂。湖北师范大学提出了一种基于毛细玻璃管封装的干涉型光纤温度传感器(申请号：201621222098.6)，该结构采用光纤错位熔接，机械强度较低，且结构尺寸较大。文献(10.1109/LPT.2016.2591983)中提出结合飞秒激光和化学腐蚀，在光纤径向加工V形槽制作MZI，实现对液体折射率的高灵敏度测量。但由于实际测量过程中存在环境温度变化的影响，将会在测量结果中引入误差，导致测量不准确。中国计量大学提出了一种基于飞秒激光刻写直线波导的光纤线内马赫曾德干涉仪(申请号：201810487679.X)，可用于高温及弯曲的测量，但是该干涉仪位于光纤内部，未与外界溶液接触，很难实现海水盐度的测量。
虽然在实验室环境下光纤传感结构可以测量应变，但是在应用于海水深度测量时，需要对传感结构进行封装才能将海水深度转化为作用于光纤的应力，进而使光纤产生应变才能实现测量。
发明内容
针对上述技术中存在的问题，本发明提供一种用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感器及制备方法。
本发明的具体技术方案为：
用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感结构，该传感结构将凹槽和弧形波导级联于一根光纤，所述光纤为偏芯光纤，纤芯偏移量20-40μm，凹槽在光纤偏芯一侧，沿纤轴方向宽度110-150μm，深度20-40μm，保证凹槽深度方向贯穿包层和部分纤芯；所述弧形波导在光纤偏芯的另一侧包层内，其折射率大于包层折射率，不大于纤芯折射率，弦长5-8mm，所在圆半径7-12cm；弧形波导的起点和终点皆处于纤芯和包层的交界处，凹槽距离弧形波导最近的一侧端面到弧形波导最近一侧起点的间距为500-2000μm。
进一步地，上述弧形波导的折射率与纤芯折射率相同。
用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：采用飞秒激光刻蚀掉光纤偏芯一侧的部分包层和纤芯形成凹槽，刻蚀过程中用氮气吹走碎屑，之后采用HF酸进行腐蚀得到光滑凹槽端面；
步骤二：将光纤固定在旋转加工平台，所述旋转加工平台由底部的旋转轴和两个对称固定在轴上的支撑臂组成，支撑臂顶端分别装有光纤夹持器用于固定光纤；该旋转加工平台由计算机控制，其旋转轴转动方向、转速和转角均可调，用于弧形波导的写制。飞秒激光聚焦于纤芯和包层交界处，旋转加工平台，在光纤偏芯的另一侧包层内写入一段弧形波导；调整写入次数，达到弧形波导的折射率与纤芯折射率相同。
由上述的用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感结构制备的传感器，将该光纤传感结构封装于封装装置中，所述封装装置包括金属管、弹性膜片及标准大气压气体；传感结构封装于金属管中，光纤垂直穿过膜片中心，膜片固定于金属管内部，膜片与金属管壁之间填充有标准大气压气体，实现海水深度—应力—光纤应变的转化，用于海水深度测量；管壁一侧有细密小孔便于海水流入实现盐度测量，且防止杂物进入破坏传感结构。
用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感器的测试系统，该系统包括按照以下顺序连接的光源—单模光纤—光纤传感器—单模光纤—光谱仪，其中单模光纤与光纤传感器中传感结构所在偏芯光纤采用错位熔接的方式连接。
级联的两个MZI分别由凹槽和写入弧形波导结构构成，将两结构集成于一根偏芯光纤，传感结构紧凑，其中凹槽结构靠近偏芯一侧，对光纤损伤很小，弧形波导结构为光纤内部局域改性，对光纤没有产生结构损伤，因此具有较高的机械强度。结合封装装置，可以测量海水深度，另外凹槽结构可以与外部被测液体直接接触，方便海水盐度测量，且具有很高的灵敏度。
所述光纤为偏芯光纤，纤芯直径为8.2um，包层直径为125um，纤芯偏移量为30um。
上述用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感结构及其制备方法，包括第一MZI和第二MZI两部分，通过飞秒激光刻蚀和HF酸腐蚀在偏芯光纤的偏芯一侧径向处理掉部分包层和纤芯制作出凹槽，入射光在经过凹槽前端时分光，分别沿剩余纤芯和凹槽传播，并在凹槽后端合光，形成第一个MZI；通过飞秒激光脉冲直接在偏芯光纤的偏芯另一侧包层内写入一段弧形波导，波导两端与纤芯相连，入射光在经过写入波导前端时分光，分别沿纤芯和写入波导传播，并在写入波导后端合光，形成第二个MZI。两个MZI以500-2000μm的间距级联于一根光纤。
将两不同类型MZI级联，其透射光谱为两单独MZI对应光谱的耦合，在1300nm-1600nm波长范围内存在3个对比度不同的特征波长，且这3个特征波长对外界温度、盐度和应变的敏感程度不同，通过封装装置的转化，结合矩阵解耦，可以实现对海水温盐深的准确测量。
用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感器的传感原理
当海水温度发生变化时，光纤的热光效应引起其纤芯和包层有效折射率改变，热膨胀效应使光纤长度发生改变，两个效果叠加引起干涉结构的相位差变化，因此特征波长位置移动；当海水盐度发生变化时，光纤凹槽内折射率改变会引起干涉结构的相位差变化，因此特征波长位置移动；当海水深度发生变化时，海水的压力转化为作用于弹性膜片的应力，引起膜片形变，带动光纤使光纤产生应变，由于弹光效应和应变效应会引起干涉结构的相位差变化，因此特征波长位置移动。根据特征波长在不同海水温度、盐度和深度下的漂移变化量，结合灵敏度系数矩阵实现对海水温盐深的同时测量。
相较于现有传感器，本发明中的级联结构传感器可以实现对温度、盐度和应变的同时测量，结合所设计的海水深度—应力—光纤应变转化的封装装置，实现对海水深度的测量，且封装结构稳定可长期使用。该级联结构的制作主要采用飞秒激光微加工技术，加工过程完全由计算机控制，制作过程比较简单重复性好。借助所设计的旋转加工平台，可以在光纤包层内写入弧形波导结构。通过改变凹槽及写入弧形波导的结构参数，可以有效的控制其传输谱的波谷位置。
附图说明
图1为本发明中用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感器的结构示意图。
图2为本发明中写入弧形波导的加工平台示意图。
图3为本发明中用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感器的透射光谱图。
图4为本发明中传感结构的封装示意图。
图5为本发明对应的传感实验系统示意图。
图中，1偏芯光纤；2包层；3纤芯；4凹槽；5凹槽第一端面；6凹槽底面；7凹槽第二端面；8弧形波导；9旋转轴；10支撑臂；11光纤夹持器；12封装金属管；13圆孔；14弹性膜片；15标准大气压气体；16光源；17单模光纤；18错位熔接A；19传感结构；20错位熔接B；21光谱仪。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合本发明具体实施例，并参照附图，对本发明得具体结构、原理以及功能作进一步的详细说明。
图1为传感结构19的结构示意图，该传感结构由偏芯光纤1、凹槽结构4、弧形波导8构成。其中偏芯光纤包括包层2和纤芯3，凹槽结构包括凹槽第一端面5、凹槽底面6和凹槽第二端面7，弧形波导为8。
传感结构19的制作方法和步骤如下：步骤一：将光纤固定于加工平台，调整平台位置并设置移动方向、速度及循环次数等参数，设置飞秒激光功率、波长及频率等参数，打开激光器并启动位移平台运动程序，在光纤的径向刻蚀掉部分纤芯和包层形成凹槽4，刻蚀过程中用氮气吹走碎屑；之后采用HF酸进行腐蚀，清理掉残余碎屑并得到平滑端面5、6、7，制作出第一个马赫曾德干涉结构。具体地，凹槽宽度为129μm，凹槽深度为33.2μm。
步骤二：将光纤固定在图2的旋转加工平台上，旋转平台由旋转轴9、支撑臂10、光纤夹持器11组成，调整平台位置，将激光焦点聚焦到距离第一MZI 1000μm处的纤芯与包层交界处，设置旋转加工平台的旋转方向、转速及转角等参数，设置飞秒激光功率、波长及频率等参数，打开激光器并启动位移平台运动程序，旋转加工平台，在光纤的包层扫描一段弧形波导，当激光再次聚焦于纤芯与包层交界处，改变平台旋转方向进行重复扫描，逐渐在包层内写入折射率与纤芯相同的弧形波导8，波导两端与纤芯相连，制作出第二个马赫曾德干涉结构。具体地，弧形波导的弦长为6500μm，该弧形波导所在圆的半径为92682μm。
图4为传感结构的封装示意图，该结构包括封装金属管12，微孔13，弹性膜片14，填充气体15。其中封装金属管环绕光纤传感结构，起到保护作用，金属管一侧管壁上有微孔，方便海水流入并防止杂物进入破坏传感结构；金属管内部固定有弹性膜片，光纤垂直穿过膜片中心，膜片与金属管壁之间填充有标准大气压气体，可将海水深度转化为作用于光纤的应变并实现测量。
图5为本发明的传感实验系统示意图，包括光源16、单模光纤17，单模光纤与偏芯光纤错位熔接点18、20，传感结构19及光谱仪21，其中单模光纤与传感结构采用错位熔接的方式连接。
结合实验系统示意图5和结构图1，介绍具体的工作原理：光源16发出的光束经单模光纤17入射到传感结构19，经过凹槽结构4始端后分为两束，一束在凹槽中传输(测量臂)，另一束在剩余纤芯中传输(参考臂)，两者在凹槽结构末端重新汇合，形成干涉并在纤芯中继续传播；该出射光作为第二个干涉结构的入射光，经过写入弧形波导8始端后分为两束，一束在写入波导中传输(测量臂)，另一束在纤芯中传输(参考臂)，两者在写入波导末端重新汇合，形成干涉后传输到光谱仪21，得到双MZI级联结构的透射光谱如图3所示，可以看出光谱中存在三个特征波长，分别为记为λm、λm+1和λm+2。
本发明中用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感结构的相关公式：
Io＝[1+2k1k2cos(θ4-θ5)+2ξ1ξ2cos(θ1-θ2)+ (1)
4k1k2ξ1ξ2cos(θ4-θ5)cos(θ1-θ2)]Ii
式中，Ii和Io分别为输入和输出光强，θ1,θ2,θ4,θ5是两个MZI对应传输臂的传输相位，且θ＝2πneffL/λ，neff和L分别为传输臂的有效折射率和长度，λ为入射光波长；ξ1和ξ2为第一个MZI的耦合系数，k1和k2为第二个MZI的耦合系数，且不同MZI对应测量臂与参考臂的相位差可以表示为：
式中，neff1为第一MZI参考臂有效折射率，neff2为第一MZI测量臂有效折射率，L1为凹槽宽度；neff4为第二MZI参考臂有效折射率，neff5为第二MZI测量臂有效折射率，L4为第二MZI参考臂长度，L5为第二MZI测量臂长度。本发明中用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感结构的测量原理如下：
外界参数变化，会导致光纤参考臂和测量臂的有效折射率和长度发生改变，因此两传输臂的相位差发生改变，这将引起特征波长位置发生移动。
当海水温度变化时，光纤的热光效应和热膨胀效应会导致光纤的有效折射率和长度改变，因此两传输臂的相位差发生改变，这将引起特征波长位置发生移动。
当海水盐度变化时，凹槽内折射率改变，因此两传输臂的相位差发生改变，导致特征波长位置发生移动。
当海水深度变化时，通过海水深度—应力—光纤应变转化装置，相当于光纤产生不同应变，光纤的弹光效应和应变效应导致光纤有效折射率和长度发生改变，因此两传输臂的相位差发生改变，这将引起特征波长位置发生移动。
由图3可知，双MZI级联结构的输出光谱中在1300-1600nm波长范围内存在3个特征波长，利用不同波长的灵敏度差异，结合灵敏度矩阵实现对海水温盐深的同时测量。
采用BPM算法对本发明中用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感结构进行仿真。
传感结构的温度特性
改变温度-5-45℃，每次增加5℃，利用光谱仪21记录传感结构在不同温度下的透射光谱，光谱中三个特征波长均发生红移，对各波长移动量进行线性拟合，得到灵敏度分别为97.11pm/℃，133.61pm/℃，105.75pm/℃。
传感结构的液体盐度特性
改变海水盐度0‰-45‰，每次增加4.5‰，利用光谱仪21记录传感结构在不同海水盐度下的透射光谱，光谱中三个特征波长均发生蓝移，对各波长移动量进行线性拟合，得到灵敏度分别为-2.192nm/‰，-2.185nm/‰，-2.301nm/‰。
传感结构的应变特性
改变应变0-200με，每次增加50με，利用光谱仪21记录传感结构在不同应变下的透射光谱，光谱中一个特征波长发生红移，两个特征波长发生蓝移，对各波长移动量进行线性拟合，得到灵敏度分别为17.66pm/με，-5.54pm/με，-15.2pm/με。
根据以上内容，单独某一参数发生变化时，各特征波长发生移动，对波长移动量进行线性拟合，得到不同特征波长对每个参数变化的灵敏度。当外界温度、液体盐度及光纤应变参数均发生变化时，由于不同参数对应的特征波长移动量是不同的，因此结合矩阵解耦，便可以计算出海水温度、盐度与光纤应变的变化值。
特征波长的波长漂移量与海水温度、盐度及光纤应变的变化量之间存在如下关系：
式中，Δss、Δt和Δs分别代表海水盐度变化量、温度变化量和应变变化量；Δλm、Δλm+1和Δλm+2分别代表不同阶次的特征波长。即图3中所标记的三个波长。
结合封装结构，得到海水深度和光纤应变的转换关系
式中，ΔL/L为光纤应变，F为光纤所受应力，S为弹性膜片面积，E为光纤和膜片的整体杨氏模量，ρ为海水平均密度，g平均重力加速度，h为海水深度。得到海水深度测量灵敏度分别为2.83pm/m，-0.89pm/m，-2.43pm/m。
可将公式(1)替换为
对上式求逆，可得
式中，Δh为海水深度变化量，由上式可知，通过光谱仪监测透射谱中特征波长的变化，代入公式计算求解，实现海水温度、盐度和深度的同时测量。
本发明中，以偏芯光纤为研究对象，采用飞秒激光作为主要加工手段，结合HF酸腐蚀制作凹槽，运用旋转加工平台写入弧形波导。制作双MZI级联的传感结构，并结合所设计的封装结构，实现海水深度到光纤应变的转化，利用不同外界物理量对特征波长的灵敏度差异，结合灵敏度系数矩阵实现对海水温盐深的同时测量，在复杂的海洋环境中具有较好的应用前景。
Claims (5)
1.用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感结构，其特征在于，该传感结构将凹槽和弧形波导级联于一根光纤，所述光纤为偏芯光纤，纤芯偏移量20-40μm，凹槽在光纤偏芯一侧，沿纤轴方向宽度110-150μm，深度20-40μm，保证凹槽深度方向贯穿包层和部分纤芯；所述弧形波导在光纤偏芯的另一侧包层内，其折射率大于包层折射率，不大于纤芯折射率，对应弦长5-8mm，所在圆半径7-12cm；弧形波导的起点和终点皆处于纤芯和包层的交界处，凹槽距离弧形波导最近的一侧端面到弧形波导最近一侧起点的间距为500-2000μm。
2.根据权利要求1所述的用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感结构，其特征在于，弧形波导的折射率与纤芯折射率相同。
3.权利要求1或2所述用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：采用飞秒激光刻蚀掉光纤偏芯一侧的部分包层和纤芯形成凹槽，刻蚀过程中用氮气吹走碎屑，之后采用HF酸进行腐蚀得到光滑凹槽端面；
步骤二：将光纤固定在旋转加工平台，所述旋转加工平台由底部的旋转轴和两个对称固定在轴上的支撑臂组成，支撑臂顶端分别装有光纤夹持器用于固定光纤；飞秒激光聚焦于纤芯和包层交界处，旋转加工平台，在光纤偏芯的另一侧包层内写入一段弧形波导。
4.由权利要求1或2所述的用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感结构制备的传感器，其特征在于：将该光纤传感结构封装于封装装置中，所述封装装置包括金属管、弹性膜片及标准大气压气体；传感结构封装于金属管中，光纤垂直穿过膜片中心，膜片固定于金属管内部，膜片与金属管壁之间填充有标准大气压气体，实现海水深度—应力—光纤应变的转化，用于海水深度测量；管壁一侧有细密小孔便于海水流入实现盐度测量，且防止杂物进入破坏传感结构。
5.权利要求4用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感器的测试系统，其特征在于，该系统包括按照以下顺序连接的光源—单模光纤—光纤传感器—单模光纤—光谱仪，其中单模光纤与光纤传感器中传感结构所在偏芯光纤采用错位熔接的方式连接。
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