CN115597566A - 一种基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器,属于光纤传感领域;由一段抛磨一部分包层形成一个D型平台的中空光纤组成。其中在中空光纤的截面上有两个实芯光纤和一个空气孔。空气孔位于光纤截面的中心,两个实芯光纤对称分布在空气孔的两侧。对中空光纤的一段包层区域抛磨加工形成D型平台以提高传感灵敏度。不同的海水深度,作用在D型平台上的压力不同,通过检测输出端干涉光谱的变化来实现对海水深的传感测量。本发明提到的一种基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器可实现大量程范围内的高灵敏度传感,并且温度交叉灵敏度低,具有纤内集成、体积小、损耗低等优点,适合复杂环境下的海水深度测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器,属于光纤传感领域。
背景技术
深度作为海洋最基本物理参数,海水深度信息对出海捕捞作业者,海洋气象研究人员乃至地质工作者等尤为重要。
光纤在与外界环境直接接触时内部传导光的光学性质,例如波长、振幅、相位和偏振态等会发生明显的变化,根据这一特性可以将光纤应用在传感领域。根据应用的领域不同,光纤传感器可分为温度传感器、湿度传感器和压力传感器等。根据调制信号不同可分为波长调制型、光强调制型和相位调制型等类型的光纤传感器。光纤传感器以其良好的耐久性、稳定性、高灵敏度、高分辨率、极短的响应时间和抗电磁干扰性强等优点广泛应用于生产生活中。
传统的应力传感器主要可以分为光栅类传感结构(布拉格光栅、长周期光栅、啁啾光纤光栅)及干涉类传感结构,干涉类传感器利用干涉技术可将光的相位变化转换为强度变化,在光纤传感中常用的干涉仪有,法布里-珀罗干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪、萨尼亚克干涉仪。其中光纤光栅类传感结构具有良好的应力传感特性,但制备过程较为繁琐且体积较大。法布里-珀罗干涉仪在小范围内的应力传感灵敏度可达到60nm/MPa,但温度交叉灵敏度很高,极易受外界环境的影响。马赫-曾德尔干涉仪具有制备工艺简单,结构紧凑,温度交叉灵敏度低,并且可在较大的量程下可实现较大的传感灵敏度等特点
基于马赫-曾德尔干涉仪的光纤传感器是利用外界环境影响干涉谱特征波长的特点,通过测量干涉谱中特征波长的变化从而对外界环境参量进行传感。基本的马赫-曾德尔干涉仪结构是利用光纤分束器将宽带光源发出的光均分为两束功率相等的光,这两束光分别进入两个相同的单模光纤。其中一路对外界环境进行测量称为传感臂,另外一路受外界环境影响小作为对照称为参考臂。本发明所提出的D型平台使中空光纤承受非对称的静水压力,导致纤芯内非对称压力诱导的导光模式发生相位变化,从而使两路光束在传输过程中产生一定的相位差。经另一耦合器后可探测到两路光束的干涉光谱,通过观察特征波长所对应干涉谱线峰值的移动,从而对外界环境实现传感。
近年来对马赫-曾德尔干涉仪型光纤传感器研究越来越多,2015年Li等人提出了一种基于马赫-曾德尔干涉仪的气体压力传感器,在两根单模光纤之间熔接一段双芯光纤,利用飞秒激光钻穿双芯光纤的其中一个芯创建了一个微通道,待测气体注入这个微通道中从而形成干涉臂,而另外一个芯作为传感臂,作者所提出的气体压力传感器灵敏度达到了-9.6nm/MPa,但该气体压力传感器只能在0-2MPa的小范围内进行传感。
随着光纤传感器的应用日益广泛,许多学者投入到光纤传感器的研究中。在专利号为CN201720187055.7的“一种投弃式全光纤海水温深剖面传感器”其特征在于利用了LPG作为温度敏感单元和FBG作为深度敏感单元,实现了FBG-LPG的单光路级联的温深同步检测,加入了镀增敏膜的LPG和FBG其温度灵敏度可达到-370pm/℃,但是其应用FBG对深度的测量传感灵敏度仍然很低。
在专利号为CN211425427U的“一种海水深度传感器”,其特征在于采用陶瓷压力传感器将外界流体施加在陶瓷压阻膜片上的压力转化为相应的电压信号,对输出的电信号进行滤波除噪,从而提取海水深度信息。但对于此类电学的传感方法,其传感元件体积较大不利于集成,电平信号会受到外界电磁干扰导致传感结果不稳定。
基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器测量的海水深度范围大,可装备在深潜器上,且最大可承受住328MPa的液体压力,这已远超目前所知的海底最深处压强大小,且在模拟仿真中表现出良好的传感灵敏度。
发明内容
本发明的目的是为了解决以上问题,提出一种基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器,该种海水深度传感器具有测量范围广、灵敏度高、抗干扰能力强、体积小、可集成在一根光纤中等优点。
本发明的目的是这样实现的:包括测量实芯光纤、空气孔、参考实芯光纤、包层,通过抛磨包层减小其厚度并形成一个D型平台;所述的空气孔直径D,两个实芯光纤直径相等为 d,两个对称的实芯光纤间距为h;当液体压力作用在平台上时,空气孔的存在测量实芯光纤和参考实芯光纤受到的压力不同,由于弹光效应的影响两者有效折射率的改变量不同,产生相位差,使干涉光谱发生变化,通过测量干涉光谱峰值所对应的特征波长的移动实现对海水深度的传感。
本发明还包括这样一些结构特征:
1.空气孔位于光纤环形包层中央,且空气孔设置在横截面上;平台位于测量实芯光纤上方。
2.光纤传感器敏感元件是单平台中空光纤或者是双平台中空光纤。
3.通过检测干涉谱线的移动从而实现对海水深度的测量。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明提出了一种基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器,这种海水深度传感器可集成到一根光纤内,发挥了纤内集成的优势。采用中空光纤,其中空结构提供了一个内在的传感机制,提高了液体压力传感灵敏度;D型平台改变了光纤的对称结构,使中空光纤受到非对称的液体压力,导致纤芯内非对称压力诱导的光传导模式发生相位变化。利用该结构测量海水深度,可以在0-100MPa内实现高灵敏度传感,最大波长灵敏度达到1.330nm/MPa。使用分辨率0 05nm的光谱仪,测得本发明的测量精度值达到37.6KPa,最大消光比达到219.85,自由谱宽度为155nm。
附图说明
图1a为本发明单平台中空光纤的二维截面示意图;
图1b为本发明双平台中空光纤的二维截面示意图;
图2为本发明在外界液体压强为100MPa时的应力分布图;
图3为本发明不同压强随波长变化的曲线图;
图4为改变测量实芯光纤1的位置时有效折射率的变化图;
图5为本发明工作在20MPa-100MPa时的传感灵敏度拟合结果图;
图6为本发明工作在不同温度下的传输谱线;
图7为本发明温度交叉灵敏度拟合结果图;
图8为本发明的压强转化为深度的结果图;
图9为单平台中空光纤与双平台中空光纤纤芯有效折射率对比图;
图10为双平台中空光纤不同压强随波长变化的曲线图。
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详细描述。
结合1a-图10,在测量时将该传感探头放置在待测液体中,外界环境的变化影响单模光纤的折射率。由于受到液体压力,两根实芯光纤的折射率差会发生变化,由于弹光效应的影响两者有效折射率的改变量不同,从而产生一定的相位差,因此所形成的干涉谱线会随着液体压力的变化而发生变化。通过在传感器末端检测光纤干涉图谱,提取特征波长的改变量从而实现传感。
一种基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器由测量实芯光纤1、平台2、空气孔3、参考实芯光纤4、光纤环形包层5组成,空气孔直径为D,两个实芯光纤直径相等为d。通过侧边抛磨技术,将完整的圆柱型包层抛磨一定的深度形成一个D型平台。
也即通过抛磨包层5减小其厚度并形成一个平台。所述的空气孔直径D=46μm纤芯直径 d=8μm两个对称的实芯光纤间距h=60μm。基于干涉理论,当液体压力作用在平台2上时,空气孔3的存在测量实芯光纤1和参考实芯光纤4受到的压力不同,由于弹光效应的影响两者有效折射率的改变量不同,从而产生一定的相位差,导致干涉光谱发生明显的变化,进而通过测量干涉光谱峰值所对应的特征波长的移动实现对海水深度的传感。所述的中空光纤具有非对称的D型包层结构。在横截面上有一个较大的空气孔3。通过检测干涉谱线的移动从而实现对海水深度的测量。光纤传感器敏感元件可以是单平台中空光纤或者是双平台中空光纤。
空气孔位于光纤环形包层中央,平台2位于测量实芯光纤1上方,平台与测量实芯光纤距离可做出适当的调整以获取更高的传感灵敏度。当液体压力作用在平台2上时,空气孔3 的存在测量实芯光纤1和参考实芯光纤4受到的压力不同,由于弹光效应的影响两者有效折射率的改变量不同,从而产生一定的相位差,导致干涉光谱发生明显的变化,进而通过测量干涉光谱峰值所对应的特征波长的移动实现对海水深度的传感。
所述的测量实芯光纤1和参考实芯光纤4的相对位置可以改变。
所述的基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器的压力敏感元件可以是单平台中空光纤或者是双平台中空光纤。
所述平台2是通过抛磨加工包层5形成的。
所述空气孔3是封闭的,其内部压强约为1kpa。
所述实芯光纤为直径约8μm的单模光纤。
基于干涉原理,使作用在传感器上的液体压强变化转换为透射谱线的平移,通过观察透射谱线峰值所对应的特征波长的变化,从而实现对海水深度的测量。在制作过程中,通过侧边抛磨技术将中空光纤的包层区域抛磨掉一部分,形成D型截面。双芯的直径均为8μm,两个纤芯被光纤中心的一个大空气孔隔开,空气孔的直径为46μm,空气孔是封闭的,其内部压强约为1kpa。为了获得一个最佳的压力传感灵敏度。可以改变本发明中测量实芯光纤1与参考实芯光纤4的相对位置。本发明具有纤内集成、体积小、损耗低、传感灵敏度高等优点,适合复杂环境下的海水深度测量。
上述基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器,是基于干涉原理来实现传感的,输入光的光强可以由以下公式计算:
其中:分别为在测量实芯光纤1和参考实芯光纤4中导光的强度,由于存在空气孔3,两个纤芯之间的模式耦合效应可以忽略,即光束在两个纤芯中独立传输。
通过改变两根实芯光纤的位置、传感器长度,外界液体压强等参数时,透射谱会发生平移;当外界液体压强改变时,观察检测透射谱的偏移量,可以解调出本产品的液体压强传感灵敏度,进而达到实时监测的功能。并且通过对结构参数的优化,便可以得到一个最高的灵敏度。计算灵敏度的公式为:
其中Δλ是随着外界液体压强的增加,干涉峰值所对应的特征波长的变化量,ΔP是外界液体压强的变化量。
实施例1:
一种基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器,光纤传感器敏感元件使用的是单平台中空光纤,包括测量实芯光纤1、平台2、空气孔3、参考实芯光纤4、包层5。
在图2中显示了光纤压力分布图,我们使用有限元分析软件对传感器敏感单元内的压强分布进行了模拟分析,液体压力作用在中空光纤的外表面,方向指向圆心在外界液体压强大小为100MPa时,传感器中心最大压强为143MPa,并且从图中可知测量实芯光纤1与参考实芯光纤4分别受到大小不同的压力,这就导致了两个实芯光纤的压力诱导的折射率变化不同,从而产生相位差。
由图3可以看出,当外界液体压强增大时,传输谱线发生明显的红移。在外界液体压强范围为20MPa-100MPa时,随着外界液体压强的增加,透射谱线的峰值所对应的特征波长发生明显的红移。
为了提高本发明的液体压力传感灵敏度,我们需要设计一个折射率差较大的中空光纤,通过仔细调整测量实芯光纤1的位置,如图4所示,当测量实芯光纤1的位置固定,参考实芯光纤4相对于光纤中心的位置不同时,两根纤芯的折射率差由图4可知,随着间距h增大,两根实芯光纤之间的有效折射率差随着逐渐增大,因此想获得更大的传感灵敏度,测量实芯光纤1与参考实芯光纤4之间的间距h越大越好。
当外界液体压强为20MPa,40MPa,60MPa,80MPa和100MPa时,透射谱线的峰值所对应的特征波长分别为1369nm,1412nm,1439nm,1460nm和1478nm。对特征波长的变化进行线性拟合,最大压强传感灵敏度可达到1.330nm/MPa,使用分辨率0.05nm的光谱仪,测得本发明的测量精度值可达到37.6KPa。
相邻两个干涉峰之间的距离我们称为自由谱宽(FSR)。马赫-曾德尔干涉仪的自由谱宽与工作波长成正比,和传感臂与参考臂的之间的有效折射率的差成反比。本发明的自由谱宽度可达到155nm。
图7是本产品传输谱线中特征波长随温度变化的情况,当光纤周围环境的温度发生变化时,由于二氧化硅的热光效应,光纤的特征波长、折射率、直径等会随着温度的变化而改变,当外界环境温度为30℃,35℃,40℃,45℃,50℃,55℃和60℃时,透射谱线的谷值所对应的特征波长分别为1421.5nm,1420.0nm,1419.6nm,1419.2nm,1418.7nm,1418.3nm,1417.8nm 对特征波长的变化进行线性拟合,最大温度交叉灵敏度为-88.6pm/℃。
与现有技术相比,本发明具有测量范围大,传感灵敏度高且温度交叉灵敏度低有优势,能够完成在恶劣条件下的液体压力传感。
实施例2:
进一步地可将参考实芯光纤4移动到空气孔3的右侧,具体结构如图1(b)所示,同样利用抛磨加工法,将参考实芯光纤4去除,抛磨深度为25.5μm,参考实芯光纤4处剩余的包层厚度为3μm,与测量实芯光纤1处一致。此时纤芯B所受到的横向压强较大,而纤芯A所受到的纵向压强较大,在这种情况下两纤芯所受主应力的方向不同且相互垂直,为了评估不同结构对传感灵敏度的影响。我们分别计算了两种结构中双芯的有效折射率。图9对比了以上两个不同结构的传感器在外界压强为20MPa时,两个纤芯的折射率变化情况。我们发现在改变结构之后,两纤芯间折射率差进一步增大。
图10可以看出,当外界液体压强增大时,传输谱线发生明显的红移。在外界液体压强范围为5MPa-10MPa时,随着外界液体压强的增加,透射谱线的峰值所对应的特征波长发生明显的红移。
当外界液体压强为5MPa,6MPa,7MPa,8MPa,9MPa和10MPa时,透射谱线的峰值所对应的特征波长分别为1345nm,1355nm,1362.5nm,1370nm,1390nm和1400nm。对特征波长的变化进行线性拟合,最大压强传感灵敏度可达到9.23nm/MPa,用分辨率0.05nm的光谱仪,本发明的测量精度值达到5.42KPa。
综上,本发明公开一种基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器,属于光纤传感领域。本发明专利由一段抛磨一部分包层形成一个D型平台的中空光纤组成。其中在中空光纤的截面上有两个实芯光纤和一个空气孔。空气孔位于光纤截面的中心,两个实芯光纤对称分布在空气孔的两侧。对中空光纤的一段包层区域抛磨加工形成D型平台以提高传感灵敏度。基于干涉理论,当外界液体压力作用于D型平台时,由于弹光效应的影响,离其较近的纤芯部分有效折射率会发生明显的变化,但两个实芯光纤中间存在一个较大的封闭空气孔,远离 D型平台一侧的纤芯受压力影响较小,有效折射率变化不明显。不同的海水深度,作用在D 型平台上的压力不同,通过检测输出端干涉光谱的变化来实现对海水深的传感测量。本发明提到的一种基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器可实现大量程范围内的高灵敏度传感,并且温度交叉灵敏度低,具有纤内集成、体积小、损耗低等优点,适合复杂环境下的海水深度测量。
Claims (4)
1.一种基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器,其特征在于:包括测量实芯光纤、空气孔、参考实芯光纤、包层,通过抛磨包层减小其厚度并形成一个D型平台;所述的空气孔直径D,两个实芯光纤直径相等为d,两个对称的实芯光纤间距为h;当液体压力作用在平台上时,空气孔的存在测量实芯光纤和参考实芯光纤受到的压力不同,由于弹光效应的影响两者有效折射率的改变量不同,产生相位差,使干涉光谱发生变化,通过测量干涉光谱峰值所对应的特征波长的移动实现对海水深度的传感。
2.根据权利要求1所述的一种基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器,其特征在于:空气孔位于光纤环形包层中央,且空气孔设置在横截面上;平台位于测量实芯光纤上方。
3.根据权利要求1所述的一种基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器,其特征在于:光纤传感器敏感元件是单平台中空光纤或者是双平台中空光纤。
4.根据权利要求1所述的一种基于纤内集成马赫泽德干涉仪海水深度传感器,其特征在于:通过检测干涉谱线的移动从而实现对海水深度的测量。
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2022
- 2022-09-16 CN CN202211130101.1A patent/CN115597566A/zh active Pending
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