CN110793938A - 同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器及其测量方法 - Google Patents

同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器及其测量方法 Download PDF

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王双
江俊峰
齐晓光
刘铁根
刘琨
吕致超
王润东
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Abstract

本发明公开了一种同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器及其测量方法，包括硅片(1)、玻璃管(2)、陶瓷插芯(3)、金属尾柄(4)、光纤(5)、不锈钢外壳(7)以及密封圈(8)，其中：硅片(1)被固定在玻璃管(2)的一端，光纤(5)通过陶瓷插芯(3)和金属尾柄(4)固定后从玻璃管(2)的另一端穿入，形成法珀硅腔(10)，所述法珀硅腔作为传感器的单一光学结构产生测量干涉信号；首先利用具有单一光学结构法珀硅腔的光纤法珀传感器获得测量干涉信号，然后对干涉信号进行解调，根据干涉谱的波谷位置漂移获得温度测量，同时根据干涉谱的条纹对比度变化获得折射率测量。本发明具有结构简单、操作简单以及耐高压的优点，具有较高商业前景。

Description

同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器及其测量方法
技术领域
本发明专利涉及深海环境观测和化工生产过程领域的光纤同时测量温度和折射率传感器，特别涉及一种高压深海环境温度和折射率长期连续实时观测和化学反应过程中环境温度和折射率测量。
背景技术
对光纤温度和折射率实现同时测量的传感器常用于深海观测、化工生产过程检测领域。
现有技术中，温度和折射率的同时测量的光学传感器结构往往通过两种或两种以上的光学结构实现，这些结构虽然具有一定的优势，但由于复杂的光学结构会增加了解调算法或系统的复杂性，难以实现深海环境观测和化工生产过程监测以及复杂流体环境温度和折射率监测，且不可靠传感结构在复杂环境下容易失效而引发重大安全事故。
传统的电学传感器往往很难实现温度和折射率的同时测量需求，且电学传感器因敏感元件易受到测量环境的化学腐蚀、传输信号易受电磁干扰等因素影响，所以不能满足在强腐蚀环境、不确定磁场环境下的温度和折射率的需求，难以实现长距离传输和多路复用。光纤温度和折射率同时测量传感器，例如马赫泽德串联光纤布拉格光栅(MZ-FBG)、单模-多模-单模光纤结构结合发生拼接结构、表面等离子体结合部分涂覆聚二甲基硅氧烷(SPR-PDMS)、超细光纤结合双马赫泽德干涉结构，因其材料本身耐腐蚀、抗电磁干扰，且易于实现长距离传输和多路复用等特点逐渐得到应用和发展。
上述方案限于敏感单元为光纤裸纤，当测量环境发生波动(如海洋浪涌、化工原料流动等)或测量环境具有很高的压力时，往往会失效。
发明内容
本发明旨在提出一种同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器及其测量方法，采用硅片构成的传感器结构实现在30MPa的压力环境下温度和折射率的同时测量。
本发明的一种同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器，该传感器包括硅片1、玻璃管2、陶瓷插芯3、金属尾柄4、光纤5、不锈钢外壳7以及密封圈8，其中：
硅片1被固定在玻璃管2的一端，光纤5通过陶瓷插芯3和金属尾柄4固定后从玻璃管2的另一端穿入，形成法珀硅腔10，所述法珀硅腔作为传感器的单一光学结构产生测量干涉信号。
本发明的一种利用同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器实现环境温度和折射率同时测量的方法，首先利用具有单一光学结构法珀硅腔的光纤法珀传感器获得测量干涉信号，然后对所述测量干涉信号的解调，解调过程具体包括以下步骤：
获得传感器的干涉信号光谱I(λ)，表达式如公式(1)所示：
Figure BDA0002193056600000021
其中，Er为反射光的光振幅，Ei为入射光的光振幅，R1为光纤纤芯的反射系数，A1为硅片介质的透射系数，α为法珀硅腔的损耗系数，R2为硅片介质的反射系数，L1为硅片厚度，nC为法珀硅腔的折射率，λ为光源的中心波长；R1＝(nf-nc)2/(nf+nC)2，R2＝(nC-nM)2/(nC+nM)2，其中nf、nM分别为光纤纤芯和硅片介质的折射率；
获得传感器干涉信号光谱中波峰和波谷的位置，如公式(2)所示：
Figure BDA0002193056600000031
其中，m为法珀硅腔干涉级次；
获得传感器干涉信号光谱中波峰光强值I(λP)和波谷光强值I(λV)，如公式(3)所示：
Figure BDA0002193056600000032
其中，λP、λV分别为干涉谱中波峰和波谷的位置，K＝(1-A1)(1-α)为传感器干涉信号的损耗系数；当温度升高或降低时传感器的波谷位置发生漂移，通过波谷移动的位置来确定外界温度的变化；
获得干涉条纹对比度C，如公式(4)所示：
当外界折射率发生变化时，传感器的条纹对比度将发生改变，并与外界折射率成三次曲线关系，从而实现折射率测量。
与现有技术相比，本发明的同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器具有结构简单、操作简单的优点，并且能够在30MPa的压力环境正常工作(耐高压)，具有较高的商业化前景。
附图说明
图1为本发明的同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器结构示意图，(a)结构示意图，(b)工作装配示意图；
图2为本发明的同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器的干涉信号曲线图；
图3为本发明的同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器的温度响应曲线图，(a)干涉谱的波谷随温度漂移曲线，(b)传感器温度拟合曲线；
图4为本发明的同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器的折射率响应曲线图，(a)干涉谱的波峰/谷随折射率变化波动，(b)传感器折射率拟合曲线；
图5为本发明的同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器的折射率测量结果曲线图；
图6为本发明的同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器的折射率重复测量结果曲线图；
图7为本发明的同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器的实验用传感解调系统结构示意图；
附图标记：
1、硅片(单晶硅片)，2、玻璃管，3、陶瓷插芯，4、金属尾柄，5、光纤，6、法珀硅腔，6、不锈钢外壳，7、密封圈，8、干涉谱波谷，9、温度拟合曲线，10、传感器折射率干涉谱，11、传感器1的折射率-条纹对比度拟合曲线，12、传感器2的折射率-条纹对比度拟合曲线，13、条纹对比度随压力变化曲线，14、折射率重复测量数据，15、ASE光源，16、环形器，17、光谱仪，18、传感器，19、甘油溶液，20、液压油，21、油压机，22、恒温箱，23、传感器干涉谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
如图1所示，本发明的一种同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器结构示意图。该传感器的结构包括硅片1、玻璃管2、陶瓷插芯3、金属尾柄4、光纤5、不锈钢外壳6以及密封圈7。其中硅片1与光纤5构成法珀硅腔10，同时解调环境温度和折射率。其中：50-200微米厚的硅片1被固定在玻璃管2的一端，光纤5通过陶瓷插芯3和金属尾柄4固定后从玻璃管2的另一端穿入，形成法珀硅腔10，使得传感器可以耐受30MPa的压力(30MPa是传感器可以承受的最大压力值)。该传感器实现了单一光学结构(法珀硅腔)在高压条件下对折射率和温度的同时测量，即法珀硅腔的干涉条纹的漂移测量温度，条纹对比度测量折射率。
利用本发明的高压环境下同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器，使用单一光学结构(法珀硅腔)完成对环境温度和折射率的同时测量，是本发明区别于其他温度、折射率双参量测量的光纤传感器的重要特征。该测量方法首先利用具有单一光学结构法珀硅腔的光纤法珀传感器获得测量干涉信号，然后对所述测量干涉信号的解调，解调过程具体包括以下步骤：
根据法珀干涉原理，获得传感器的干涉信号光谱I(λ)，表达式如公式(1)所示：
Figure BDA0002193056600000051
其中，Er为反射光的光振幅，Ei为入射光的光振幅，R1为光纤纤芯的反射系数，A1为硅片介质的透射系数，α为法珀硅腔的损耗系数，R2为硅片介质的反射系数，L1为硅片厚度(50-300μm)，nC为法珀硅腔的折射率，λ为光源的中心波长；R1＝(nf-nc)2/(nf+nC)2，R2＝(nC-nM)2/(nC+nM)2，其中nf、nM分别为光纤纤芯和硅片介质的折射率；
如图2所示，为本发明的一种同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器的干涉信号曲线图。获得传感器干涉信号光谱中波峰和波谷的位置，如公式(2)所示：
Figure BDA0002193056600000052
其中，m为法珀硅腔干涉级次。
获得传感器干涉信号光谱中波峰光强值I(λP)和波谷光强值I(λV)，如公式(3)所示：
Figure BDA0002193056600000061
其中，λP、λV分别为干涉谱中波峰和波谷的位置，K＝(1-A1)(1-α)为传感器干涉信号的损耗系数；当温度升高或降低时传感器的波谷位置发生漂移，通过波谷移动的位置来确定外界温度的变化；
获得干涉条纹对比度C，如公式(4)所示：
Figure BDA0002193056600000062
当外界折射率发生变化时，传感器的条纹对比度将发生改变，并与外界折射率成三次曲线关系，从而实现折射率测量。
如图3所示，为本发明的一种同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器的温度响应曲线图。由于硅片在λ＝1.55μm波段具有较高的热光系数βSi＝(dn/dT)Si＝+1.84×10-4K-1，所以当温度升高(降低)时传感器的波谷会发生红移(蓝移)，通过波谷移动的位置来确定外界温度的变化。
如图4所示，本发明的一种同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器的折射率响应曲线图。当外界折射率发生变化时，传感器的条纹对比度将发生改变，并与外界折射率成三次曲线关系，
搭建如图7所示的为实验用的传感解调系统。依据本发明的一种同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器结构(如图1所示)，ASE光源16发出的光通过环形器进入传感器19，传感器19的干涉谱通过环形器进入到光谱仪18，对两只传感器在甘油溶液20内进行折射率传感实验，其反射谱11如图4(a)所示，两只传感器的折射率拟合曲线12、13，如图4(b)所示；将传感器19与油压机22连接并将传感器19置于恒温箱23，在常温下进变压(2-30MPa)实验，得到液压油21的条纹对比度随压力变化曲线14如图5所示，并对传感器在常温下进行20次重复实验结果15如图6所示；设定油压机压力为20Mpa，温箱温度变化范围-10～60℃，得到传感器19在高压环境下的光谱漂移9如图3(a)所示，传感器的温度响应曲线10如图3(b)所示。通过实验结果可知，本发明的一种同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器在折射率范围1.333～1.473内折射率灵敏度优于SN＝0.1224/URI。在-10～60℃的温度范围内温度灵敏度为ST＝0.0804nm/℃，在室温20MPa压力环境下，系统重复性精度优于0.684‰。可以满足高压环境下，同时测量折射率和温度的需求。

Claims (2)

1.一种同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器，其特征在于，该传感器包括硅片(1)、玻璃管(2)、陶瓷插芯(3)、金属尾柄(4)、光纤(5)、不锈钢外壳(7)以及密封圈(8)，其中：
硅片(1)被固定在玻璃管(2)的一端，光纤(5)通过陶瓷插芯(3)和金属尾柄(4)固定后从玻璃管(2)的另一端穿入，形成法珀硅腔(10)，所述法珀硅腔作为传感器的单一光学结构产生测量干涉信号。
2.一种利用如权利要求1所述的同时测量折射率和温度的光纤法珀传感器实现环境温度和折射率同时测量的方法，其特征在于，首先利用具有单一光学结构法珀硅腔的光纤法珀传感器获得测量干涉信号，然后对所述测量干涉信号的解调，解调过程具体包括以下步骤：
获得传感器的干涉信号光谱I(λ)，表达式如公式(1)所示：
Figure FDA0002193056590000011
其中，Er为反射光的光振幅，Ei为入射光的光振幅，R1为光纤纤芯的反射系数，A1为硅片介质的透射系数，α为法珀硅腔的损耗系数，R2为硅片介质的反射系数，L1为硅片厚度，nC为法珀硅腔的折射率，λ为光源的中心波长；R1＝(nf-nc)2/(nf+nC)2，R2＝(nC-nM)2/(nC+nM)2，其中nf、nM分别为光纤纤芯和硅片介质的折射率；
获得传感器干涉信号光谱中波峰和波谷的位置，如公式(2)所示：
Figure FDA0002193056590000012
其中，m为法珀硅腔干涉级次；
获得传感器干涉信号光谱中波峰光强值I(λP)和波谷光强值I(λV)，如公式(3)所示：
Figure FDA0002193056590000021
其中，λP、λV分别为干涉谱中波峰和波谷的位置，K＝(1-A1)(1-α)为传感器干涉信号的损耗系数；当温度升高或降低时传感器的波谷位置发生漂移，通过波谷移动的位置来确定外界温度的变化；
获得干涉条纹对比度C，如公式(4)所示：
Figure FDA0002193056590000022
当外界折射率发生变化时，传感器的条纹对比度将发生改变，并与外界折射率成三次曲线关系，从而实现折射率测量。
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