CN114544554A - 一种基于fbg的毛细玻璃管和多模光纤组合结构的双参量测量传感器 - Google Patents

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CN114544554A CN202210300781.0A CN202210300781A CN114544554A CN 114544554 A CN114544554 A CN 114544554A CN 202210300781 A CN202210300781 A CN 202210300781A CN 114544554 A CN114544554 A CN 114544554A
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刘依婷
卢校
秦浩嘉
赵春柳
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    • G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering

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Abstract

本发明涉及一种基于FBG的毛细玻璃管和多模光纤组合结构的双参量测量传感器，它由宽带光源、单模光纤、输入多模光纤、毛细玻璃管、FBG、银膜、输出多模光纤、光谱仪构成。输入多模光纤使来自单模光纤的光场得到发散，在毛细玻璃管中传输的光会分成在空芯和玻璃壁中的两部分，两束光在输出多模光纤中形成干涉，毛细玻璃管空芯上的银膜具有高反射率，在空芯中传输的光损耗很小，使干涉对比度增强，由于毛细玻璃管上刻有FBG，在光谱仪上可以看到均匀的双光束干涉谱和FBG透射谱，改变折射率和温度，通过光谱仪获得双光束干涉谱和FBG透射谱的波长移动距离，可以实现对温度和折射率的同时测量；该传感器具有灵敏度高、结构简单，成本低和等优点。

Description

一种基于FBG的毛细玻璃管和多模光纤组合结构的双参量测 量传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于FBG的毛细玻璃管和多模光纤的组合结构的双参量测量传感器。
背景技术
在过去的几十年里，光纤传感器以其独特的特性，如具有绝缘性好、抗电磁干扰、成本低、重量轻、化学性能稳定、结构紧凑、能在恶劣环境下工作等优点，在传感测量中得到了广泛的研究。到目前为止，已经基于不同的传感原理开发了各种光纤传感器，近年来的光纤传感器，如马赫-曾德干涉仪、迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗干涉仪(FPI)和光纤布拉格光栅(FBG)在监测各种物理量的应用中吸引了大量关注。其中，基于光纤光栅的传感器由于其成熟的制造工艺和复用能力，是最具代表性和最有前途的光纤传感技术之一，集成化、微型化和多参数测量是光纤传感器技术发展的主要方向。
折射率和温度作为重要的传感参数，在工业生产、环境监测、临床试验和食品检验等领域都已经得到了广泛的应用。折射率测量不可避免地受到温度变化的影响，因此实现对折射率和温度的同时测量意义重大。专利公开号为CN205940607U提出的双参量测量传感器，存在制作工艺复杂、测量灵敏度不高等缺陷，在实际使用中受到限制。
发明内容
本发明的目的在于设计一种基于FBG的毛细玻璃管和多模光纤组合结构的双参量测量传感器，可用于同时测量温度和折射率，具有结构简单、灵敏度高等优点。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本发明包括宽带光源(1)、单模光纤(2)、输入多模光纤(3)、毛细玻璃管(4)、FBG(5)、银膜(6)、输出多模光纤(7)、光谱仪(8)；宽带光源(1)与单模光纤(2)的左端连接，单模光纤(2)的右端与输入多模光纤(3)的左端连接，输入多模光纤(3)的右端与毛细玻璃管(4)的左端连接，毛细玻璃管上刻有FBG(5)，毛细玻璃管的内壁上镀有银膜(6)，毛细玻璃管(4)的右端与输出多模光纤(7)的左端连接，输出多模光纤(7)的右端连接光谱仪(8)。
本发明所述的宽带光源(1)，波长范围为1500nm-1620nm。
本发明所述的输入多模光纤(3)，纤芯直径为62.5um，包层直径为125um，长度为2～10mm。
本发明所述的毛细玻璃管(4)，内径为20um，外径为125um，长度为10mm。
本发明所述的FBG(5)，采用飞秒激光和相位掩模板法刻写在毛细玻璃管(4)上，长度为10mm。
本发明所述的输出多模光纤(7)，纤芯直径为62.5um，包层直径为125um。
一种基于FBG的毛细玻璃管和多模光纤组合结构的双参量测量传感器，其工作方式为：宽带光源(1)发出的光经过单模光纤(2)进入输入多模光纤(3)中，由于多模光纤较大的模场直径，光场在输入多模光纤(3)中得到发散，由于毛细玻璃管(4)的内径为20um，外径为125um，一部分光会在毛细玻璃管(4)的空芯中传输，另一部分光会在玻璃壁中传输，当光束到达输出多模光纤(7)中时，由于两束光的光程差不同，两束光会在输出多模光纤(7)中形成干涉，因为毛细玻璃管的内壁上镀有银膜，由于银膜的高反射率，在空芯里传输的光损耗非常小，会在空芯里形成高反射，使干涉的对比度更好，在光谱仪(8)上可以看到均匀的双光束干涉谱和FBG的透射谱。当外界液体折射率变化时，双光束干涉谱会发生移动，FBG透射谱的位置不变；当外界温度变化时，双光束干涉谱和FBG的透射谱都会发生移动，记录双光束干涉谱和FBG透射谱不同的波长变化，根据下面的公式，可以实现对温度和折射率的同时测量：
Figure BDA0003562817800000021
Figure BDA0003562817800000022
Δλ1表示双光束干涉谱的波长变化，Δλ2表示FBG透射谱的波长变化，
Figure BDA0003562817800000023
表示双光束干涉的温度灵敏度系数，
Figure BDA0003562817800000024
表示FBG的温度灵敏度系数，
Figure BDA0003562817800000025
表示双光束干涉的折射率灵敏度系数，
Figure BDA0003562817800000026
表示FBG的折射率灵敏度系数，ΔT表示温度变化，Δn表示折射率变化。
把上面两个方程写成矩阵形式可以得到：
Figure BDA0003562817800000027
于是可得到温度和折射率为：
Figure BDA0003562817800000028
通过预先标定的灵敏度系数矩阵，从光谱仪上获得双光束干涉谱和FBG透射谱的波长变化，就可以实现对温度和折射率的同时测量。
本发明的有益效果为：传感结构仅需在光纤熔接机上制作，结构简单、成本低；利用毛细玻璃管与多模光纤组合结构，构成双光束干涉仪，所以测量的灵敏度高。
附图说明
图1为发明的系统结构示意图。
1为宽带光源，2为单模光纤，3为输入多模光纤，4为毛细玻璃管，5为FBG，6为银膜，7为输出多模光纤，8为光谱仪。
具体实施方式
下面将结合图1，对本发明的具体实施方式作进一步说明。
图1中，一种基于FBG的毛细玻璃管和多模光纤组合结构的双参量测量传感器，其特征在于，包括宽带光源(1)、单模光纤(2)、输入多模光纤(3)、毛细玻璃管(4)、FBG(5)、银膜(6)、输出多模光纤(7)、光谱仪(8)；宽带光源(1)与单模光纤(2)的左端连接，单模光纤(2)的右端与输入多模光纤(3)的左端连接，输入多模光纤(3)的右端与毛细玻璃管(4)的左端连接，毛细玻璃管(4)上刻有FBG(5)，长度为10mm，毛细玻璃管(4)的内壁上镀有银膜(6)，毛细玻璃管(4)的右端与输出多模光纤(7)的左端连接，输出多模光纤(7)的右端连接光谱仪(8)；输入多模光纤将来自单模光纤的光场进行发散，当光传输到毛细玻璃管中时，在毛细玻璃管中传输的光分为在空芯和玻璃壁中传输的两部分，由于两束光的光程差不同，可以在输出多模光纤中形成干涉，因为毛细玻璃管的空芯上镀有一层银膜，银膜具有高反射率，在空芯里传输的光会在空芯里形成高反射，传输的损耗很小，所以干涉的对比度更好，并且毛细玻璃管上刻有FBG，在光谱仪上可以看到均匀的双光束干涉谱和FBG透射谱，当外界液体折射率变化时，双光束干涉谱会发生移动，FBG透射谱的位置不变；当外界温度变化时，双光束干涉谱和FBG的透射谱都会发生移动，记录双光束干涉谱和FBG透射谱不同的波长变化，可以实现对温度和折射率的同时测量。
在本发明的一个具体实验中：双光束干涉谱的一个波峰位置为1550nm，FBG透射谱的位置为1552.5nm；首先保持温度不变，将折射率为1.33～1.38的液体分别滴到毛细玻璃管上，得到不同折射率下的双光束干涉谱和FBG透射谱的波长移动距离，通过数据拟合得到双光束干涉的折射率灵敏度系数
Figure BDA0003562817800000031
为800nm/RIU，FBG的折射率灵敏度系数
Figure BDA0003562817800000032
为10nm/RIU；然后，保持折射率不变，只改变温度，在温度为30℃～70℃范围内，测得不同温度下的双光束干涉谱和FBG透射谱的波长移动距离，通过数据拟合得到双光束干涉的温度灵敏度系数
Figure BDA0003562817800000033
为0.05nm/℃，FBG的温度灵敏度系数
Figure BDA0003562817800000034
为0.01nm/℃，可以得到灵敏度系数矩阵，然后根据前面的公式可以得到温度和折射率与波长变化的关系：
Figure BDA0003562817800000035
当温度变化和折射率变化都未知的时候，通过观测光谱仪上双光束干涉谱的波峰位置为1560nm，得到波长变化Δλ1为10nm；通过观测光谱仪上FBG透射谱的位置为1553nm，得到波长变化Δλ2为0.5nm，将Δλ1和Δλ2的值代入上述公式，可以计算得到温度变化ΔT为40℃，折射率变化Δn为0.01。

Claims (2)

1.一种基于FBG的毛细玻璃管和多模光纤组合结构的双参量测量传感器，其特征在于，包括宽带光源(1)、单模光纤(2)、输入多模光纤(3)、毛细玻璃管(4)、FBG(5)、银膜(6)、输出多模光纤(7)、光谱仪(8)；宽带光源(1)与单模光纤(2)的左端连接，单模光纤(2)的右端与输入多模光纤(3)的左端连接，输入多模光纤(3)的右端与毛细玻璃管(4)的左端连接，毛细玻璃管(4)上刻有FBG(5)，长度为10mm，毛细玻璃管(4)的内壁上镀有银膜(6)，毛细玻璃管(4)的右端与输出多模光纤(7)的左端连接，输出多模光纤(7)的右端连接光谱仪(8)。
2.根据权利要求1所述的一种基于FBG的毛细玻璃管和多模光纤组合结构的双参量测量传感器，其特征在于，所述的毛细玻璃管(4)长度为10mm，内径为20um，外径125um。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116608891A (zh) * 2023-07-20 2023-08-18 山东省科学院激光研究所 一种光纤f-p腔传感器及其制造方法
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