CN112665658B - 一种折射率温度同时测量的光纤传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折射率温度同时测量的光纤传感器及制备方法，包括双包层光纤、输入光纤和输出光纤，输入光纤和输出光纤分别与双包层光纤两端焊接连接；所述双包层光纤由外至内依次为高折射率包层、低折射率包层和纤芯，双包层光纤端面具有高‑低‑高折射率分布，将双包层光纤中部通过熔融拉锥技术制成锥形光纤，锥形光纤表面沉积一层金膜且金膜厚度满足产生SPR现象；锥形光纤外层高折射率包层通道产生SPR现象，内层高折射率纤芯通道产生模间干涉。本发明制作简单，成本低，交叉串扰小，在折射率传感领域具有较大的竞争力和应用前景。

Description

一种折射率温度同时测量的光纤传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器及制备方法，特别是一种折射率温度同时测量的光纤传感器及制备方法，属于光纤传感技术领域。

背景技术

折射率作为一个基本的光学参量，它的测量在各个领域都有着巨大的用途。至今，已有许多技术应用于折射率传感。其中，基于光纤的折射率传感技术由于其结构紧凑，成本低，抗电磁干扰，可远程测量等优点，被广泛应用于生物、医药、化学等领域。2017年，ZhewenDing等人利用无芯光纤拉锥的方式(Z.W.Ding,et al.,Journal of LightwaveTechnology,2017,35(21):4734-4739.)，在光纤锥区同时激发SPR和模间干涉，实现了高动态范围折射率测量，当折射率在1.33-1.391内，SPR的灵敏度达到2238.4nm/RIU；当折射率大于1.391时，模间干涉取代SPR成为测量折射率的主要手段，灵敏度为866.1nm/RIU。然而折射率的测量往往伴随着外界温度的变化，温度改变导致折射率改变，因此需要实现折射率温度同时测量，消除温度干扰获得更精确的折射率测量。为了实现以上目的，Lecheng Li等人采用了马赫-泽德干涉的方案(L.Li,et al.,Sensors and Actuators A:Physical,2012,180:19-24.)，利用异质芯结构产生芯径不匹配，致使传输光沿细芯光纤包层和纤芯传输，并于输出端产生马赫-泽德干涉用于对外界温度和折射率同时测量。但该结构使用马赫-泽德干涉单通道多参量传感，容易引起温度和折射率交叉敏感，必须开发复杂的解调技术解决交叉串扰的问题，限制了此类传感器的应用。

为解决交叉串扰问题，引入了多通道光纤传感技术，通过多通道分离传感参量，实现通道间的独立传感测量，有效减小交叉串扰。2016年，Tao Hu等人将布拉格光栅(FBG)与SPR传感技术结合(T.Hu,Y.Zhao,et al.,Sensors and Actuators B:Chemical,2016,237:521-525.)，通过在FBG两端焊接多模光纤，产生芯径不匹配，并在FBG表面沉积金膜，利用包层模激发SPR，通过FBG测得温度灵敏度为172pm/℃，分辨率为0.01℃；通过SPR测得折射率灵敏度为2556.8nm/RIU，分辨率为0.2×10-⁶RIU，实现了对外界温度和折射率同时测量。虽然该结构具有较高的灵敏度和分辨率，但是FBG的加工制作较为复杂，增加了检测成本，而且FBG由单模光纤获得，具备单一波导无法分离传感参量和有效避免交叉串扰。因此，如何进一步解决交叉串扰问题以及降低检测成本，成为光纤SPR传感器领域亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种制作简单，结构紧凑，响应灵敏，避免多参量测量交叉串扰，可用于同时测量折射率温度的光纤传感器及制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种折射率温度同时测量的光纤传感器，包括双包层光纤、输入光纤和输出光纤，输入光纤和输出光纤分别与双包层光纤两端焊接连接；所述双包层光纤由外至内依次为高折射率包层、低折射率包层和纤芯，双包层光纤端面具有高-低-高折射率分布，将双包层光纤中部通过熔融拉锥技术制成锥形光纤，锥形光纤表面沉积一层金膜且金膜厚度满足产生SPR现象；锥形光纤外层高折射率包层通道产生SPR现象，内层高折射率纤芯通道产生模间干涉。

本发明还包括：

1.输入光纤采用阶跃多模光纤，采用对芯焊接。

2.输入光纤为双芯光纤，采用错芯焊接。

3.输入光纤为同轴双波导光纤，采用对芯焊接。

4.当光源信号由输入光纤经过焊点后分成两部分，一部分沿外层高折射率包层通道传输，并经过SPR传感区域，当传输模式满足共振条件时，产生SPR现象，用于外界折射率测量；另一部分沿内层高折射率纤芯通道传输，经过锥形光纤由聚焦效应产生模间干涉，用于外界温度测量。

上述任意一种折射率温度同时测量的光纤传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：截取一段双包层光纤去除涂覆层，并于其两端焊接输入光纤和输出光纤；

步骤2：将输入光纤一端与光源连接，将输出光纤与光谱仪连接，采集实时光谱；

步骤3：打开光纤熔融拉锥设备，使用夹具固定光纤，将氢氧焰缓慢移动至双包层光纤上方，待光纤加热至熔融状态，启动控制程序，缓慢拉伸光纤；

步骤4：将锥形光纤拉长至设定长度，观察光谱仪输出信号，出现干涉谱线，结束拉锥过程；

步骤5：将拉锥后的光纤固定在载玻片上，打开离子溅射仪，将光纤置于密闭气室中，调整光纤位置，打开气泵抽真空，调整气室内真空度、电流和沉积时间，使金膜沉积于锥形光纤表面，形成SPR传感区域。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：

1、本发明的锥形光纤传感器，采用双通道传感技术，结合模间干涉和SPR传感技术，可以同时进行外界折射率和温度传感测量，

2、本发明的锥形光纤传感器，采用端面具有高-低-高折射率分布规律的双包层光纤作为传感光纤，光纤中间低折射率包层使各通道独立工作互不干扰，避免了温度和折射率测量时的交叉敏感问题。

3、本发明的锥形光纤传感器，传感区域采用熔融拉锥技术获得，制作工艺简单，成本低，镀膜方便，且该传感器结构紧凑，易与各种光学器件级联，实现分布式传感测量，且器件集成度较高，在折射率传感领域具有较大的竞争力和应用前景。

附图说明

图1(a)为双包层光纤端面结构；

图1(b)为端面虚线处折射率分布；

图2为锥形光纤示意图；

图3为锥形光纤传感器连接示意图，输入光纤为纤芯直径105微米的阶跃多模光纤，采用对芯焊接；

图4为锥形光纤传感器连接示意图，输入光纤为双芯光纤，采用错芯焊接；

图5为锥形光纤传感器连接示意图，输入光纤为同轴双波导光纤，采用对芯焊接；

图6为实验装置连接示意图；

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明技术方案具体为：

本发明的一种折射率温度同时测量的光纤传感器，包括双包层光纤，锥形光纤，输入光纤，输出光纤和金膜，双包层光纤端面具有高-低-高折射率分布，通过熔融拉锥技术制成锥形光纤，在光纤锥区表面沉积一层金膜，作为SPR传感区域，当光源信号由输入光纤经过焊点后分成两部分，一部分沿外层高折射率包层通道传输，并经过双包层光纤熔融拉锥制成锥区表面沉积金膜5的SPR传感区域的锥形光纤，当传输模式满足共振条件时，产生SPR现象，用于外界折射率测量；另一部分沿内层高折射率纤芯通道传输，经过光纤锥区由聚焦效应产生模间干涉，可以实现外界温度测量。最终两路传输信号通过输出光纤被探测器收集，实现双通道同时测量折射率和温度。

双包层光纤具有高-低-高折射率分布规律，构成两个光传输通道。

双包层光纤内外双通道通过中间低折射率包层分隔得到，构成两个光传输通道，确保折射率测量和温度测量彼此独立进行。

输入光纤能够实现光束分路，并传输到高-低-高折射率分布规律的双包层多模光纤中，其可以是阶跃多模光纤，同轴双波导光纤或双芯光纤等。

光纤锥区表面镀金膜，且金膜厚度应满足产生SPR现象。

锥形光纤锥区应满足外通道产生SPR现象，内通道产生模间干涉。

输出光纤为SPR和模间干涉信号的接收光纤，并传输信号到探测器。

本发明采用端面具有高-低-高折射率分布的双包层光纤1作为传感光纤，如图1(a)和图1(b)所示，其中图1(a)为该双包层光纤端面结构，图1(b)为端面虚线处折射率分布。该光纤中间环形区域为低折射率包层1-2，将高折射率包层1-3和纤芯1-1分隔开，形成两个光传输通道。

一种折射率温度同时测量的光纤传感器，通过采用熔融拉锥技术将双包层光纤1拉锥制成锥形光纤，包括如下步骤：

(1)截取一段双包层光纤1去除涂覆层，保留长度为2厘米，并于其两端焊接纤芯直径105微米的阶跃多模光纤作为输入光纤3和输出光纤4；

(2)将输入光纤3一端与光源6连接，将输出光纤4与光谱仪8连接，采集实时光谱；

(3)打开光纤熔融拉锥设备，使用夹具固定光纤，将氢氧焰缓慢移动至双包层光纤1上方，待光纤加热至熔融状态，启动控制程序，缓慢拉伸光纤；

(4)将锥形光纤2拉长至5毫米左右，观察光谱仪输出信号，出现干涉谱线，结束拉锥过程，并取下光纤，此时锥形光纤束腰区2-3直径为30微米。

如图2所示，拉锥后的双包层光纤1包括锥形光纤2，锥形光纤2包括左侧过渡区域2-1，右侧过渡区域2-2，束腰区2-3。

本发明的一种折射率温度同时测量的光纤传感器如图3，图4，图5所示，包括双包层光纤1，锥形光纤2，输入光纤3采用纤芯直径105微米的阶跃多模光纤(双芯光纤3-1，同轴双波导光纤3-2)，输出光纤4以及金膜5。将拉锥后的光纤固定在载玻片上，打开离子溅射仪，将光纤置于密闭气室中，调整光纤位置，使金能够沉积在锥形光纤2表面，打开气泵抽真空，调整气室内真空度稳定在约2毫巴，电流大小6毫安，沉积时间2分30秒，约50纳米厚度的金膜5沉积于锥形光纤2的束腰区表面，形成SPR传感区域。

一种折射率温度同时测量的光纤传感器，其工作原理是：当光源信号由输入光纤经过第一个焊点后分成两部分，一部分沿双包层光纤外层高折射率包层通道传输，并经过SPR传感区域，由于传感区域暴露于空气中，引起较强的倏逝场，与金膜相互作用，当传输模式满足共振条件时，产生SPR现象，用于测量外界折射率变化；另一部分沿双包层光纤内层高折射率纤芯通道传输，经过光纤锥区，在左侧过渡区域2-1发生聚焦效应，使纤芯传输光的高阶模式与低阶模式产生模间干涉，当外界温度变化时，纤芯折射率发生变化，从而改变光纤纤芯中高阶模式的有效折射率，基模折射率几乎不受影响，导致相干模式间的光程差发生改变，使干涉峰产生偏移，达到传感温度变化的目的。最终两路传输信号通过输出光纤输出，中间低折射率包层不通光，仅用于隔离双通道，并约束纤芯内传输模场，使各通道独立工作，实现双通道同时测量外界折射率和温度。

如图6所示，为该系统实验装置。超连续谱光源6出射光信号通过输入光纤3进入传感区域，其中传感区域置于一密闭空气腔体7内，以方便注液。输出光纤4采用纤芯直径105微米的阶跃多模光纤，光谱仪8进行数据信号收集。实验中，使用酒精溶液作为实验样品，并采用水浴加热的方式控制样品温度。随着温度的改变，样品折射率随之改变，引起SPR共振波长偏移，被光谱仪收集，通过解调得到样品折射率变化量；同时由于纤芯折射率易受外界温度影响，导致模间干涉发生改变，干涉谱线随温度变化而偏移，被光谱仪收集，通过解调得到外界温度变化量，实现酒精溶液折射率随温度变化测量。

Claims (4)

1.一种折射率温度同时测量的光纤传感器，其特征在于：包括双包层光纤、输入光纤和输出光纤，输入光纤和输出光纤分别与双包层光纤两端焊接连接；所述双包层光纤由外至内依次为高折射率包层、低折射率包层和纤芯，双包层光纤端面具有高-低-高折射率分布，将双包层光纤中部通过熔融拉锥技术制成锥形光纤，锥形光纤表面沉积一层金膜且金膜厚度满足产生SPR现象；锥形光纤外层高折射率包层通道产生SPR现象，内层高折射率纤芯通道产生模间干涉；当光源信号由输入光纤经过焊点后分成两部分，一部分沿外层高折射率包层通道传输，并经过SPR传感区域，当传输模式满足共振条件时，产生SPR现象，用于外界折射率测量；另一部分沿内层高折射率纤芯通道传输，经过锥形光纤由聚焦效应产生模间干涉，用于外界温度测量；所述光纤传感器的制备方法包括：

步骤1：截取一段双包层光纤去除涂覆层，保留长度为2厘米，并于其两端焊接纤芯直径105微米的阶跃多模光纤作为输入光纤和输出光纤；

步骤2：将输入光纤一端与光源连接，将输出光纤与光谱仪连接，采集实时光谱；

步骤3：打开光纤熔融拉锥设备，使用夹具固定光纤，将氢氧焰缓慢移动至双包层光纤上方，待光纤加热至熔融状态，启动控制程序，缓慢拉伸光纤；

步骤4：将锥形光纤拉长至5mm，观察光谱仪输出信号，出现干涉谱线，结束拉锥过程,锥形光纤束腰区直径为30微米；

步骤5：将拉锥后的光纤固定在载玻片上，打开离子溅射仪，将光纤置于密闭气室中，调整光纤位置，打开气泵抽真空，调整气室内真空度、电流和沉积时间，使金膜沉积于锥形光纤表面，形成SPR传感区域。

2.根据权利要求1所述的一种折射率温度同时测量的光纤传感器，其特征在于：输入光纤采用阶跃多模光纤，采用对芯焊接。

3.根据权利要求1所述的一种折射率温度同时测量的光纤传感器，其特征在于：输入光纤为双芯光纤，采用错芯焊接。

4.根据权利要求1所述的一种折射率温度同时测量的光纤传感器，其特征在于：输入光纤为同轴双波导光纤，采用对芯焊接。

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