CN116559117A - 基于fp干涉的探针式光纤海水盐度传感器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于FP干涉的探针式光纤海水盐度传感器及制作方法，涉及光纤传感技术领域。本发明传感器由单模光纤、空芯光纤、悬浮芯光纤依次熔接而成，并通过环形器连接光源和光谱仪。利用悬浮芯光纤的纤芯，使得空芯光纤内部形成FP干涉仪。同时，利用悬浮芯光纤的空气孔结构，使得海水能够流入流出空芯光纤内部，从而使FP干涉仪对海水盐度敏感，实现了FP干涉仪测量海水盐度的目的。本发明保证了FP干涉仪在能够测量海水盐度的同时，具有高的机械强度。本发明具有结构制作简单、机械强度高等优点，是实现海水盐度测量的有效方式。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于FP干涉的探针式光纤海水盐度传感器及制作方法。
背景技术
海水中溶解盐的含量是海水的重要特征，可以通过盐度来衡量。盐度是海洋科学中研究海水物理化学过程的基本参数之一，与海洋中的许多现象和过程密切相关。研究海洋中盐度的分布和变化在诸如水产养殖、海洋环境监测、海洋水循环等方面具有重要应用。传统的基于电子的盐度传感器通过测量海水的电导率来检测盐度，但受到海水腐蚀、电磁干扰等明显缺点。近年来，光纤盐度传感器作为一种潜在的替代品备受广泛关注。使用光纤盐度传感器测量海水的折射率(RI)，可以获得海水的盐度值。光纤盐度传感器具有安全、无污染、耐腐蚀、抗电磁干扰、远距离测量等优点。近些年，光纤盐度传感器得到了众多海内外学者的关注。
目前，已经有许多形式的光纤盐度传感器存在，包括传统光纤光栅传感器(LPG/FBG/TFBG)、法布里珀罗干涉光纤传感器(FPI)、马赫曾德尔干涉光纤传感器(MZI)以及其他各种特种光纤传感器。2011年，Nguyen等人提出了一种使用聚焦离子束制作的法布里珀罗干涉仪盐度传感器，该传感器虽然能够准确的获得海水的盐度信息，但是该结构具有较低的机械强度。2015年，Zhang等人提出了一种基于聚酰亚胺膜片的新型光纤法布里珀罗干涉盐度传感器，该结构使用聚酰亚胺作为敏感膜，但结构强度低。2016年，Wang等人提出了一种基于微纳光纤耦合器的盐度传感器，这种传感器虽然能够获取盐度信息的同时也能获取温度信息，但该传感器体积大难以实现传感器的封装。2017年，Luo等人提出了一种在传统的光纤布拉格光栅传感器上腐蚀并涂覆聚酰亚胺用来检测盐度的传感结构，该传感器使用化学腐蚀的方法，提高了盐度灵敏度，但同时使光纤变得脆弱。2019年，Yao等人提出并演示了一种基于游标效应并联法布里珀罗干涉仪的盐度传感器，开腔FPI和闭腔FPI分别作为传感单元和参考单元，但该结构制作工艺较为复杂。2022年，Liu等人设计和开发了用于海水盐度等参数的半封装微光纤马赫曾德尔干涉仪，该结构使用PDMS对结构进行半封装，光纤结构强度有所提升，但依旧较低。综上所述，这些光纤盐度传感器在机械强度、结构制作、尺寸等方面存在明显的不足。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于FP干涉的探针式光纤海水盐度传感器及制作方法。
一方面，一种基于FP干涉的探针式光纤海水盐度传感器，包括单模光纤、空芯光纤，悬浮芯光纤；所述单模光纤、空芯光纤、悬浮芯光纤依次熔接而成；
所述单模光纤与空芯光纤的熔接面中单模光纤的纤芯区域作为第一反射面，所述空芯光纤与悬浮芯光纤的熔接面中悬浮芯光纤的纤芯区域作为第二反射面，所述第一反射面与第二反射面作为FP干涉仪的两个反射面，来自单模光纤的光分别在两个反射面发生反射，两束反射光相互干涉形成FP干涉仪；
所述空芯光纤由无掺杂的二氧化硅材料制成，中心设置开放腔，作为与外界海水溶液交换液体的腔体；
所述悬浮芯光纤由无掺杂的二氧化硅材料制成，悬浮芯光纤一端熔接空芯光纤，另一端为海水溶液检测端，悬浮芯光纤中心设置有四条空腔，空腔的四个孔作为海水溶液流入流出空芯光纤内部腔体的通道，由此形成一个开放腔；
另一方面，一种基于FP干涉的探针式光纤海水盐度传感器的制作方法，用于制作前述一种基于FP干涉的探针式光纤海水盐度传感器，包括以下步骤：
步骤1：使用电弧放电的方法，用熔接机将单模光纤与空芯光纤进行熔接，调整熔接机放电时间、放电强度和偏移量，使单模光纤与空芯光纤熔接面无塌陷现象，熔接过程全程监测反射光谱，若出现杂波现象需要调整调整熔接机放电时间、放电强度和偏移量重新进行该步骤；
步骤2：将步骤1中熔接后结构置入光纤定长切割系统中切割空芯光纤；
步骤3：将单模光纤-空芯光纤结构与悬浮芯光纤进行熔接，熔接要求不能出现塌陷现象，熔接过程全程监测反射光谱，若出现除FP干涉谱之外的反射光谱，需要重新跳转到步骤1；
步骤4：使用光纤定长切割系统切割悬浮芯光纤，完成探针式光纤海水盐度传感器的制作。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明提出了一种具有开放腔的探针式光纤法布里珀罗传感结构，该传感结构具有高机械强度、小尺寸、制作简单以测量海水盐度的潜力。
本发明利用空芯光纤与悬浮芯光纤的简单拼接，实现了探针式的开放腔结构，制作过程简单，且机械强度高。
本发明通过构建一个开放腔，保证了海水能够流入流出，使传感光束与海水直接接触，实现了对海水盐度的测量。
附图说明
图1为本发明实施例中具有开放腔的探针式FP光纤传感器示意图；
图2为本发明实施例中悬浮芯光纤的横截面显微镜图片；
图3为本发明实施例中具有开放腔的探针式FP光纤传感器显微镜照片；
图4为本发明实施例中实验系统示意图；
图5为本发明实施例中开放腔的探针式FP光纤传感器的盐度测试光谱偏移图；
图6为本发明实施例中开放腔的探针式FP光纤传感器的盐度响应特性。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
结构示意图如图1所示，包括单模光纤、空芯光纤、悬浮芯光纤。由光源发出的光，到达单模光纤与空芯光纤熔接面时，光束产生第一束反射光，透射光束沿空芯光纤内部继续传输，至空芯光纤与悬浮芯光纤熔接面处产生第二束反射光，两束反射光发生干涉，形成FP干涉仪。悬浮芯光纤的光纤截面图如图2所示，海水通过悬浮芯光纤的四个孔流入或流出空芯光纤内部。海水盐度发生变化时，空芯光纤内部折射率随之发生变化，从而改变FP干涉仪的反射光谱。因此，FP干涉仪可以实现检测海水盐度的目的。
本发明实施例设计的一种用于海水盐度测量的探针式光纤传感器，显微镜照片如图3所示。其中单模光纤、空芯光纤、悬浮芯光纤的直径均为125μm。单模光纤与悬浮芯光纤的纤芯直径为8.2μm。空芯光纤的空气孔直径为75μm，悬浮芯光纤的空气孔直径为60μm。空芯光纤的长度为56μm。悬浮芯光纤与空芯光纤实现了开放腔，开放腔的存在使得FP干涉仪与海水直接接触，获取FP干涉仪的干涉光谱，通过检测海水盐度引起的光谱的偏移，可以实现盐度的实时测量。
本发明实施例中传感器还包括这样一些结构特征：
1.传感器是由一个FP干涉仪组成探针式海水盐度传感器。
2.FP干涉仪的开放腔是利用空芯光纤与悬浮芯光纤简单拼接而成。
3.悬浮芯光纤的开孔保证了海水能够流入流出开放腔。
4.单模光纤与空芯光纤的熔接面形成第一个反射镜，空芯光纤与悬浮芯光纤的熔接面形成第二个反射镜，两束反射光相互干涉。
5.环形器连接光源和光谱仪，单模光纤用于传输光束。
6.通过监测FP干涉光谱的漂移，可以实现监测海水盐度的变化。
实验系统示意图如图4所示。系统包括激光光源(ASE)、光谱仪(OSA)、环形器(Circulator)恒温器(Thermostat)和光纤探头。恒温器用于提供恒温环境，通过改变恒温器中的水溶液盐度，模拟海水盐度的变化。激光光源的光谱范围为C+L波段，为系统提供干涉光光源。光谱仪用于检测FP干涉仪的反射光谱。由激光光源发出的光通过环形器，传输至光纤探头，反射光再次经过环形器，最终到达光谱仪。
另一方面，一种基于FP干涉的探针式光纤海水盐度传感器的制作方法，基于前述一种基于FP干涉的探针式光纤海水盐度传感器实现，包括以下步骤：
步骤1：使用电弧放电的方法，用熔接机将单模光纤与空芯光纤进行熔接，调整熔接机放电时间、放电强度和偏移量等相关的熔接参数，使单模光纤与空芯光纤熔接面无塌陷现象，熔接过程全程监测反射光谱，若出现不规律的杂波等现象需要调整相关参数重新进行该步骤。
步骤2：将步骤1中熔接后结构置入光纤定长切割系统中切割空芯光纤，空芯光纤长度控制在10μm至100μm。
步骤3：将单模光纤-空芯光纤结构与悬浮芯光纤进行熔接，熔接要求不能出现塌陷现象，熔接过程全程监测反射光谱，若出现除FP干涉谱之外的反射光谱，需要重新进行步骤1-3。
步骤4：使用光纤定长切割系统切割悬浮芯光纤，悬浮芯光纤长度控制在10μm至20μm。
本实施例中，对传感结构的盐度特性进行了测试。恒温器中加入纯水，在保持温度不变的情况下，多次向恒温器中加入高浓度海水盐溶液。待溶液充分混合后，使用盐度计测试样本溶液的盐度，并记录该状态下的FP干涉仪的反射光谱。实验中，共记录了7个样本的海水盐溶液，其盐度分别为1.90‰，3.57‰，5.25‰，9.16‰，10.27‰，13.07‰和14.74‰。图5为不同的盐度下的反射光谱图。当盐度升高时，反射光谱的波谷发生红移。记录每个盐度下的波谷波长，并进行线性拟合。盐度响应特性的线性拟合图如图6所示，根据拟合结果，FP干涉仪的盐度灵敏度为184.6pm/‰，线性度可达0.98956。
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (4)
1.一种基于FP干涉的探针式光纤海水盐度传感器，其特征在于，包括单模光纤、空芯光纤，悬浮芯光纤；所述单模光纤、空芯光纤、悬浮芯光纤依次熔接而成；
所述单模光纤与空芯光纤的熔接面中单模光纤的纤芯区域作为第一反射面，所述空芯光纤与悬浮芯光纤的熔接面中悬浮芯光纤的纤芯区域作为第二反射面，所述第一反射面与第二反射面作为FP干涉仪的两个反射面，来自单模光纤的光分别在两个反射面发生反射，两束反射光相互干涉形成FP干涉仪。
2.根据权利要求1所述的一种基于FP干涉的探针式光纤海水盐度传感器，其特征在于，所述空芯光纤由无掺杂的二氧化硅材料制成，中心设置开放腔，作为与外界海水溶液交换液体的腔体。
3.根据权利要求1所述的一种基于FP干涉的探针式光纤海水盐度传感器，其特征在于，所述悬浮芯光纤由无掺杂的二氧化硅材料制成，悬浮芯光纤一端熔接空芯光纤，另一端为海水溶液检测端，悬浮芯光纤中心设置有四条空腔，空腔的四个孔作为海水溶液流入流出空芯光纤内部腔体的通道，由此形成一个开放腔。
4.一种基于FP干涉的探针式光纤海水盐度传感器的制作方法，用于制作权利要求1所述的一种基于FP干涉的探针式光纤海水盐度传感器，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：使用电弧放电的方法，用熔接机将单模光纤与空芯光纤进行熔接，调整熔接机放电时间、放电强度和偏移量，使单模光纤与空芯光纤熔接面无塌陷现象，熔接过程全程监测反射光谱，若出现杂波现象需要调整调整熔接机放电时间、放电强度和偏移量重新进行该步骤；
步骤2：将步骤1中熔接后结构置入光纤定长切割系统中切割空芯光纤；
步骤3：将单模光纤-空芯光纤结构与悬浮芯光纤进行熔接，熔接要求不能出现塌陷现象，熔接过程全程监测反射光谱，若出现除FP干涉谱之外的反射光谱，需要重新跳转到步骤1；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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