CN116147676B - 一种温盐深同步测量光纤传感器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温盐深同步测量光纤传感器及测量方法，传感器包括：宽谱光源、光纤环形器、耦合器、光谱仪、第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计和第四干涉计，所述宽谱光源发出入射光经过所述光纤环形器进入所述第一干涉计，由所述第一干涉计反射后，经过所述光纤环形器和所述耦合器，分别进入所述第二干涉计、所述第三干涉计和所述第四干涉计进行反射，经过所述耦合器，被所述光谱仪接收；其中，所述第一干涉计、所述第二干涉计、所述第三干涉计和所述第四干涉计串联，所述第二干涉计、所述第三干涉计和所述第四干涉计并联。本发明不但可以产生游标效应，而且可实现温盐深多参数测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种温盐深同步测量光纤传感器及测量方法。
背景技术
光纤传感器具有结构紧凑、抗电磁干扰、成本低、体积小、易复用等优点，被广泛应用于各个领域。其中光纤法布里——珀罗传感器在众多传感器中脱颖而出，具有制作简单，灵敏度高，抗外界振动干扰等优点，可实现对环境参量实时、高效、大规模连续监测，应用于海洋环境监测领域。
然而，单个法布里-珀罗干涉计的灵敏度有限，为了提高光纤传感器的灵敏度，本专利拟采用自由光谱范围接近但不相等的两个干涉计串联或并联的方式，使其产生光学游标效应，利用游标效应的放大作用提高灵敏度。为了实现温度、盐度和深度同时测量，本发明设计了四个法布里-珀罗干涉计串并联结构，该结构不但可以产生游标效应，而且可实现温盐深多参数测量。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种温盐深同步测量光纤传感器及测量方法，采用自由光谱范围接近但不相等的两个干涉计串联或并联的方式，使其产生光学游标效应，利用游标效应的放大作用提高灵敏度。
为实现上述目的，本发明提供了一种温盐深同步测量光纤传感器，包括：宽谱光源、光纤环形器、耦合器、光谱仪、第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计和第四干涉计，所述宽谱光源发出入射光经过所述光纤环形器进入所述第一干涉计，由所述第一干涉计反射后，经过所述光纤环形器和所述耦合器，分别进入所述第二干涉计、所述第三干涉计和所述第四干涉计进行反射，经过所述耦合器，被所述光谱仪接收；
其中，所述第一干涉计分别与所述第二干涉计、所述第三干涉计和所述第四干涉计串联，所述第二干涉计、所述第三干涉计和所述第四干涉计并联。
优选地，所述第一干涉计包括单模光纤和空芯光纤，所述第一干涉计由所述单模光纤、空芯光纤、单模光纤依次熔接而成；其中，所述单模光纤直径为125微米，纤芯直径为8-10微米；所述空芯光纤的外径与所述单模光纤直径相同，所述空芯光纤内径为50微米。
优选地，所述第二干涉计为若干所述单模光纤错位熔接制成，错位量为65.5-67.5微米。
优选地，所述第三干涉计包括单模光纤、空芯光纤和空气腔，所述单模光纤与所述空芯光纤熔接，并在所述空芯光纤中注入聚二甲基硅氧烷材料，获得所述空气腔，所述空气腔的光程为所述第一干涉计光程的1.01-1.1倍。
优选地，所述第四干涉计为F-P干涉计，所述F-P干涉计包括单模光纤和聚合物材料，所述单模光纤上覆盖所述聚合物材料。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于温盐深同步测量光纤传感器的测量方法，包括：
分别获取所有干涉计各自的干涉谱，通过干涉谱叠加的方式获得干涉谱包络Ien-12、Ien-13、Ien-14，基于所述干涉谱包络计算干涉谱包络的平移量，求解所述平移量对应的矩阵方程，获得待测温度、盐度和深度。
优选地，
第一干涉计的干涉谱为：/>；
第二干涉计的干涉谱为：/>；
第三干涉计的干涉谱为：/>；
第四干涉计的干涉谱为：/>；
其中，I 1、I 2分别为第一干涉计的两束反射光的光强，I 3、I 4分别为第二干涉计的两束反射光的光强，I 5、I 6分别为第三干涉计的两束反射光的光强，I 7、I 8分别为第四干涉计的两束反射光的光强，L 1、L 2、L 3、L 4分别为第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计、第四干涉计的腔长，n 1和n 2、n 3、n 4分别为第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计、第四干涉计的腔内介质折射率。
优选地，
所述干涉谱包络Ien-12为：；
其中，E 12为第一干涉计与第二干涉计之间的干涉谱包络幅值，M 12为第一干涉计和第二干涉计之间游标效应的放大倍率，FSR1为第一干涉计的自由光谱范围，FSR2为第二干涉计的自由光谱范围；
所述干涉谱包络Ien-13为：；
其中，E 13为第一干涉计与第三干涉计之间的干涉谱包络幅值；M 13为第一干涉计和第三干涉计之间游标效应的放大倍率，FSR3为第三干涉计的自由光谱范围；
所述干涉谱包络Ien-14为：；
其中，E 14为第一干涉计与第四干涉计之间的干涉谱包络幅值；M 14为第一干涉计与第四干涉计之间游标效应的放大倍率，FSR4为第四干涉计的自由光谱范围。
优选地，所述干涉谱包络的平移量为：
；
其中，ΔT、ΔS、ΔH分别表示温度、盐度、深度相对于标定点(T0，S0)、(T0，H0)的变化量，Δλ12、Δλ13、Δλ14分别为干涉谱包络Ien-12、Ien-13、Ien-14相对于标定点干涉谱包络的平移量；α1和β1分别为干涉谱包络Ien-12的温度和盐度灵敏度，α2和β2分别为干涉谱包络Ien-13的温度和盐度灵敏度，α3和β3分别为干涉谱包络Ien-14的温度和深度灵敏度。
优选地，所述平移量对应的矩阵方程为：
；
求解所述矩阵方程，获得待测温度、盐度和深度：
；
其中，T、S、H分别为待测温度、待测盐度和待测深度，T 0 、S 0 、H 0 分别为初始温度、盐度、深度。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明实现了温盐深同步检测，利用干涉计间产生的游标效应，提高了温盐深检测灵敏度，相对于各单个干涉计灵敏度提高了1个数量级；
本发明设计了四个法布里-珀罗干涉计串并联结构，该结构不但可以产生游标效应，而且可实现温盐深多参数测量。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的一种温盐深同步测量光纤传感器结构示意图；
图2为本发明实施例的四种传感头结构示意图，其中，(a)第一干涉计，(b) 第二干涉计；(c)第三干涉计；(d)第四干涉计；
图3为本发明实施例的复杂多腔干涉谱示意图；
图4为本发明实施例的四个干涉计的干涉谱，(a)第一干涉计的干涉谱，(b)第二干涉计的干涉谱，(c)第三干涉计的干涉谱，(d)第四干涉计的干涉谱；
图5为本发明实施例的干涉谱包络Ien-12标定温度和盐度、待测温度和盐度示意图，（a）为标定温度和盐度，（b）为待测温度和盐度；
图6为本发明实施例的干涉谱包络Ien-13的标定温度和盐度以及待测温度和盐度示意图，（a）为标定温度和盐度，（b）为待测温度和盐度；
图7为本发明实施例干涉谱包络Ien-14的标定温度和深度以及待测温度和深度示意图，（a）为标定温度和盐度，（b）为待测温度和盐度。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明出了一种温盐深同步测量光纤传感器，如图1，包括：宽谱光源、光纤环形器、耦合器、光谱仪、第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计和第四干涉计，所述宽谱光源发出入射光经过所述光纤环形器进入所述第一干涉计，所述第一干涉计进行反射经过所述光纤环形器和所述耦合器，进入所述第二干涉计、所述第三干涉计和所述第四干涉计进行反射，通过所述光谱仪接收反射后的干涉谱；
其中，所述第一干涉计分别与所述第二干涉计、所述第三干涉计和所述第四干涉计串联，所述第二干涉计、所述第三干涉计和所述第四干涉计并联。如图2（a）-（d）分别为第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计和第四干涉计传感头结构示意图。
第一干涉计（即参考腔FP1）是由单模光纤、空芯光纤、单模光纤依次熔接而成（单模光线直径为125微米，纤芯直径为8-10微米；空芯光纤的外径为125微米，内径为50微米）。
第二干涉计（即传感腔FP2）是由三根单模光纤错位熔接制成，错位量为65.5-67.5微米。第二干涉计的光程约为第一干涉计光程的0.90-0.99倍，以保证第一干涉计和第二干涉计之间产生游标效应；
第三干涉计（即传感腔FP3）是由单模光纤与空芯光纤熔接，并在空芯光纤内注入PDMS，形成空气腔（即干涉计FP3），空气腔的光程约为第一干涉计光程的1.01-1.1倍，以保证第一干涉计和第三干涉计之间产生游标效应；聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种对温度极其敏感的材料，在温度的变化时会产生热胀冷缩效应，具有很好的透光性和折光性。利用PDMS的高热膨胀和高热光特性，与光纤相结合，在不同的温度下会改变腔体的长度，提高温度测量灵敏度。
第四干涉计（即传感腔FP4）是由单模光纤上封盖聚合物材料，形成一种超紧凑的F-P干涉计。
光源发出的光经过光纤环形器，进入第一干涉计（该干涉计对温度、盐度、深度均不敏感，作为参考干涉计），第一干涉计的反射光经光纤环形器和耦合器后，一部分光进入第二干涉计（该传感器对温度和盐度均敏感），一部分进入第三干涉计（该传感器对温度敏感），还有一部分进入第四干涉计（该传感器对压力敏感），第二干涉计、第三干涉计和第四干涉计的反射光经耦合器后由光谱仪接收。光谱仪接收的光谱是四个干涉计串并联结构的复杂干涉谱，为了获得游标效应产生的干涉谱包络，需要对光谱仪测得的复杂干涉谱进行频域分析。重构出四个干涉计的干涉谱，然后采用干涉谱叠加的方式获得第一干涉计和第二干涉计之间的干涉谱包络，第一干涉计和第三干涉计之间的干涉谱包络，以及第一干涉计和第四干涉计之间的干涉谱包络。
本发明还提供一种测量方法，包括：
分别获取所有干涉计各自的干涉谱，通过干涉谱叠加的方式获得干涉谱包络Ien-12、Ien-13、Ien-14，基于所述干涉谱包络计算干涉谱包络的平移量，求解所述平移量对应的矩阵方程，获得待测温度、盐度和深度。
第一干涉计的干涉谱为：/>；
第二干涉计的干涉谱为：/>；
第三干涉计的干涉谱为：/>；
第四干涉计的干涉谱为：/>；
其中，I 1、I 2分别为第一干涉计的两束反射光的光强，I 3、I 4分别为第二干涉计的两束反射光的光强，I 5、I 6分别为第三干涉计的两束反射光的光强，I 7、I 8分别为第四干涉计的两束反射光的光强，L 1、L 2、L 3、L 4分别为第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计、第四干涉计的腔长，n 1和n 2、n 3、n 4分别为第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计、第四干涉计的腔内介质折射率。
光谱仪接收的干涉谱是四个干涉谱叠加的复杂干涉谱，可近似表示为：
；
第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计、第四干涉计的自由光谱范围可以表示为：
；
由于第一干涉计、第二干涉计的自由光谱范围接近但不相等，因此，第一干涉计、第二干涉计之间将产生游标效应，由此呈现的干涉谱包络Ien-12可表示为：
；
其中，E 12为干涉谱包络幅值；M 12为第一干涉计、第二干涉计之间游标效应的放大倍率，即干涉谱包络Ien-12的温度和盐度灵敏度为单个第二干涉计的M12倍。
由于第一干涉计、第三干涉计的自由光谱范围接近但不相等，因此，第一干涉计、第三干涉计之间将产生游标效应，由此呈现的干涉谱包络Ien-13可表示为：
；
其中，E 13为干涉谱包络幅值；M 13为第一干涉计、第三干涉计之间游标效应的放大倍率，即干涉谱包络Ien-13的温度灵敏度为单个第三干涉计的M13倍。
由于第一干涉计、第四干涉计的自由光谱范围接近但不相等，因此，第一干涉计、第四干涉计之间将产生游标效应，由此呈现的干涉谱包络Ien-14可表示为：
；
其中，E 14为干涉谱包络幅值；M 14为干涉计1和4之间游标效应的放大倍率，即干涉谱包络Ien-14的温度灵敏度为单个第四干涉计的M14倍。
由于光谱仪获得的是光源经四个干涉计串并联结构后的复杂干涉谱，为了获得干涉谱包络Ien-12、Ien-13、Ien-14，需要对复杂干涉谱进行频谱分析，获得四个干涉计的各自的干涉谱，然后通过干涉谱叠加的方式获得干涉谱包络Ien-12、Ien-13、Ien-14。
当温度和盐度发生变化时，干涉谱包络Ien-12、Ien-13、Ien-14的平移量Δλ12、Δλ13、Δλ14分别可表示为：
；
对应的矩阵方程可表示为：
；
其中，ΔT、ΔS、ΔH分别表示温度、盐度、深度相对于标定点(T0， S0)、(T0， H0)的变化量；Δλ12、Δλ13、Δλ14分别为干涉谱包络Ien-12、Ien-13、Ien-14相对于标定点干涉谱包络的平移量；α1和β1分别为干涉谱包络Ien-12的温度和盐度灵敏度，为常数，可由实验测得；α2和β2分别为干涉谱包络Ien-13的温度和盐度灵敏度，为常数，可由实验测得；α3和β3分别为干涉谱包络Ien-14的温度和深度灵敏度，为常数，可由实验测得。
通过求解矩阵方程即可求得待测温度T、盐度S、深度H，分别为：
；
由于接收的是多腔耦合后的复杂干涉谱（如图3），所以可以利用傅里叶变换将复杂干涉谱进行频谱分析，提取出各腔干涉谱I1(λ)、I2(λ)、I3(λ)、I4(λ)，四个干涉计的自由光谱范围非常接近且不相等，可以级联产生游标效应，如图4(a)-（b）分别为第一干涉计-第四干涉计的干涉谱。
图5（a）-（b）为干涉谱包络Ien-12标定温度和盐度(T0，S0)以及待测温度和盐度。如图6（a）-（b）为干涉谱包络Ien-13的标定温度和盐度(T0，S0)以及待测温度和盐度。图7（a）-（b）为干涉谱包络Ien-14的标定温度和深度(T0，H0)以及待测温度和深度。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种温盐深同步测量光纤传感器，其特征在于，包括：宽谱光源、光纤环形器、耦合器、光谱仪、第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计和第四干涉计，所述宽谱光源发出入射光经过所述光纤环形器进入所述第一干涉计，由所述第一干涉计反射后，经过所述光纤环形器和所述耦合器，分别进入所述第二干涉计、所述第三干涉计和所述第四干涉计进行反射，经过所述耦合器，被所述光谱仪接收；
其中，所述第一干涉计分别与所述第二干涉计、所述第三干涉计和所述第四干涉计串联，所述第二干涉计、所述第三干涉计和所述第四干涉计并联；
所述第一干涉计由单模光纤、空芯光纤和单模光纤依次熔接而成，以使所述第一干涉计对温度、盐度和深度均不敏感；所述第一干涉计作为参考腔；
所述第二干涉计由三段单模光纤错位熔接而成，以使所述第二干涉计对温度和盐度敏感；所述第二干涉计作为传感腔；所述第二干涉计的光程为所述第一干涉计光程的0.90～0.99倍，使得第一干涉计、第二干涉计的自由光谱范围接近但不相等，以使所述第一干涉计和所述第二干涉计之间产生游标效应，第一干涉计和第二干涉计之间的干涉谱包络记为Ien-12；
所述第三干涉计由单模光纤与空芯光纤熔接，且该空芯光纤内注有PDMS而形成空气腔，以使所述第三干涉计对温度敏感；所述第三干涉计作为传感腔；所述第三干涉计中空气腔的光程为所述第一干涉计光程的1.01～1.1倍，使得第一干涉计、第三干涉计的自由光谱范围接近但不相等，以使所述第一干涉计和所述第三干涉计之间产生游标效应，第一干涉计和第三干涉计之间的干涉谱包络记为Ien-13；
所述第四干涉计包括覆盖有聚合物材料的单模光纤，以使所述第四干涉计对压力敏感；所述第四干涉计作为传感腔；所述第一干涉计、第四干涉计的自由光谱范围接近但不相等，以使第一干涉计、第四干涉计之间产生游标效应，第一干涉计和第四干涉计之间的干涉谱包络记为Ien-14；
所述温盐深同步测量光纤传感器适于：
通过分别获取所有干涉计各自的干涉谱，以及通过干涉谱叠加的方式获得干涉谱包络Ien-12、Ien-13、Ien-14；
基于所述干涉谱包络Ien-12、Ien-13、Ien-14计算干涉谱包络Ien-12、Ien-13、Ien-14各自的平移量；所述干涉谱包络的平移量为：
其中，ΔT、ΔS、ΔH分别表示温度、盐度、深度相对于标定点(T0，S0)、(T0，H0)的变化量，Δλ12、Δλ13、Δλ14分别为干涉谱包络Ien-12、Ien-13、Ien-14相对于标定点干涉谱包络的平移量；α1和β1分别为干涉谱包络Ien-12的温度和盐度灵敏度，α2和β2分别为干涉谱包络Ien-13的温度和盐度灵敏度，α3和β3分别为干涉谱包络Ien-14的温度和深度灵敏度；
根据干涉谱包络Ien-12对应的温度和盐度灵敏度、干涉谱包络Ien-13对应的温度和盐度灵敏度以及干涉谱包络Ien-14对应的温度和深度灵敏度，求解所述平移量对应的矩阵方程，得到ΔT、ΔS、ΔH；基于得到的ΔT、ΔS、ΔH以及初始温度、盐度、深度，获得待测温度、盐度和深度。
2.根据权利要求1所述的温盐深同步测量光纤传感器，其特征在于，所述第一干涉计中：
单模光纤直径为125微米，纤芯直径为8-10微米，空芯光纤的外径与单模光纤直径相同，空芯光纤内径为50微米。
3.根据权利要求2所述的温盐深同步测量光纤传感器，其特征在于，所述第二干涉计中单模光纤之间的错位量为65.5-67.5微米。
4.基于权利要求1-3中任一项所述的温盐深同步测量光纤传感器的测量方法，其特征在于，包括：
分别获取所有干涉计各自的干涉谱，通过干涉谱叠加的方式获得干涉谱包络Ien-12、Ien-13、Ien-14；
基于所述干涉谱包络Ien-12、Ien-13、Ien-14计算干涉谱包络Ien-12、Ien-13、Ien-14的平移量；所述干涉谱包络的平移量为：
其中，ΔT、ΔS、ΔH分别表示温度、盐度、深度相对于标定点(T0，S0)、(T0，H0)的变化量，Δλ12、Δλ13、Δλ14分别为干涉谱包络Ien-12、Ien-13、Ien-14相对于标定点干涉谱包络的平移量；α1和β1分别为干涉谱包络Ien-12的温度和盐度灵敏度，α2和β2分别为干涉谱包络Ien-13的温度和盐度灵敏度，α3和β3分别为干涉谱包络Ien-14的温度和深度灵敏度；
根据干涉谱包络Ien-12对应的温度和盐度灵敏度、干涉谱包络Ien-13对应的温度和盐度灵敏度以及干涉谱包络Ien-14对应的温度和深度灵敏度，求解所述平移量对应的矩阵方程，得到ΔT、ΔS、ΔH；
基于得到的ΔT、ΔS、ΔH以及初始温度、盐度、深度，获得待测温度、盐度和深度，
其中，T、S、H分别为待测温度、待测盐度和待测深度，T0、S0、H0分别为初始温度、盐度、深度。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，
第一干涉计的干涉谱I12(λ)为：
第二干涉计的干涉谱I34(λ)为：
第三干涉计的干涉谱I56(λ)为：
第四干涉计的干涉谱I78(λ)为：
其中，I1、I2分别为第一干涉计的两束反射光的光强，I3、I4分别为第二干涉计的两束反射光的光强，I5、I6分别为第三干涉计的两束反射光的光强，I7、I8分别为第四干涉计的两束反射光的光强，L1、L2、L3、L4分别为第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计、第四干涉计的腔长，n1和n2、n3、n4分别为第一干涉计、第二干涉计、第三干涉计、第四干涉计的腔内介质折射率。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，
所述干涉谱包络Ien-12为：
其中，E12为第一干涉计与第二干涉计之间的干涉谱包络幅值，M12为第一干涉计和第二干涉计之间游标效应的放大倍率，FSR1为第一干涉计的自由光谱范围，FSR2为第二干涉计的自由光谱范围；
所述干涉谱包络Ien-13为：
其中，E13为第一干涉计与第三干涉计之间的干涉谱包络幅值；M13为第一干涉计和第三干涉计之间游标效应的放大倍率，FSR3为第三干涉计的自由光谱范围；
所述干涉谱包络Ien-14为：
其中，E14为第一干涉计与第四干涉计之间的干涉谱包络幅值；M14为第一干涉计与第四干涉计之间游标效应的放大倍率，FSR4为第四干涉计的自由光谱范围。
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