CN204556023U - 基于保偏光纤的双参量光纤传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于保偏光纤的双参量光纤传感器，包括宽带光源、频谱分析仪和光纤传感结构，光纤传感结构包括依次连接的输入端单模光纤、第一多模光纤、保偏光纤、第二多模光纤、输出端单模光纤，第一多模光纤和第二多模光纤作为模式耦合器，保偏光纤作为传感区域，宽带光源与输入端单模光纤连接，频谱分析仪与输出端单模光纤连接。本实用新型采用保偏光纤作为传感区域，不易引起模式串扰，输出信号中存在快轴-包层模式和慢轴-包层模式两类模式的干涉峰，结构稳定，测试数据准确稳定，同时灵敏度高，操作简便，可实现对温度和折射率的同时测量，解决了光纤传感器的交叉敏感问题。本实用新型适用于国防、工业生产以及民用领域、生物化学等传感领域。

Description

基于保偏光纤的双参量光纤传感器

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于保偏光纤的双参量光纤传感器。

背景技术

在传感技术领域中，光纤传感技术的发展最为迅速，引领着新一代传感器的发展方向。光纤传感器具有诸多独特的优势，如结构简单、操作简便、高灵敏度、抗电磁干扰、便于组网等。近年来已有温度传感器、应变传感器、折射率传感器和湿度传感器等种类的光纤传感器投入使用。

温度和折射率在工业测量中至关重要，也是光纤传感领域中的研究热点，由于光纤本身对温度和折射率同时敏感，这就会造成交叉敏感的问题，使得在具体应用时人们无法对两者的具体影响加以区分，交叉敏感问题在一定程度上制约了光纤传感技术的应用推广。而在实验中，为了避免外界参量的影响，通常利用级联光纤光栅来实现对温度或折射率的精确测量，但是此方法成本较高。专利号为201310416623.2的中国发明专利，公开了一种“基于多模结构的光纤传感器”，它采用多模光纤作为传感区域，但因多模光纤的纤芯和包层内存在多种模式，入射光进入多模光纤后，会激发起多种模式，容易引起模式串扰，从而降低了测量数据的精度。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的以上问题，本实用新型提供了一种基于保偏光纤的双参量光纤传感器，该光纤传感器以保偏光纤作为传感区域，整体结构简单且容易制作，输出信号中存在快轴-包层和慢轴-包层两类模式的干涉峰，根据其对温度和折射率的不同敏感性，可以实现对温度和折射率的同时测量。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种基于保偏光纤的双参量光纤传感器，所述光纤传感器包括宽带光源、频谱分析仪和光纤传感结构，所述光纤传感结构包括依次连接的输入端单模光纤、第一多模光纤、保偏光纤、第二多模光纤、输出端单模光纤，所述第一多模光纤和第二多模光纤作为模式耦合器，所述保偏光纤作为传感区域，所述宽带光源与所述输入端单模光纤连接，所述频谱分析仪与所述输出端单模光纤连接。

作为限定，作为模式耦合器的第一多模光纤和第二多模光纤芯径相同，作为传感区域的保偏光纤的芯径大于所述第一多模光纤和第二多模光纤的芯径。

作为另一种限定，作为模式耦合器的第一多模光纤和第二多模光纤长度相同，作为传感区域的保偏光纤的长度大于所述第一多模光纤和第二多模光纤的长度。

作为进一步的限定，所述的第一多模光纤和第二多模光纤芯径为105μm，长度5mm，保偏光纤芯径为7.9nm，长度30mm。

由于采用了上述技术方案，本实用新型与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

（1）本实用新型采用保偏光纤作为传感区域，而保偏光纤的纤芯内只有快轴和慢轴两种模式，不易引起模式串扰，测量数据更加稳定准确，提高了光纤传感器的测量精度。

（2）本实用新型的灵敏度较高，其温度灵敏度分别为0.0883nm/^oC和0.1712nm/^oC，折射率灵敏度达到110nm/RIU以上。

（3）本实用新型的输出信号包含快轴-包层和慢轴-包层两种模式的干涉峰，且两种模式的干涉峰对温度和折射率的敏感性不同，根据传输谱图中干涉峰波长的漂移量，由敏感矩阵方程，可分别得知该传感器的温度和折射率的量值，从而实现了双参量的同时测量，解决了光纤传感器中存在的温度和折射率交叉敏感问题。

（4）本实用新型体积小，结构简单，两段多模光纤的长度相同，在制作时更加容易，并且两段多模光纤的芯径也一样，只需要一种型号的多模光纤即可，从而降低了成本，而且不同芯径的光纤只需要按照一定比例熔接即可。

综上所述，本实用新型的基于保偏光纤的双参量光纤传感器，结构稳定，不易引起模式串扰，灵敏度高，并且制作成本低，可广泛应用于国防、工业生产以及民用领域、生物化学等传感领域。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

附图说明

图1 为该光纤传感器干涉原理示意图；

图2 为该光纤传感器结构示意图；

图3 为该光纤传感器的输出信号谱。

图中：1.输入端单模光纤；2.第一多模光纤；3.保偏光纤；4.第二多模光纤；5.输出端单模光纤。

具体实施方式

实施例  基于保偏光纤的双参量光纤传感器

本实施例为一种基于保偏光纤的双参量光纤传感器，如图1、图2所示，该光纤传感器包括宽带光源、光纤传感结构、频谱分析仪。光纤传感结构采用多模-保偏-多模光纤的结构，包括有输入端单模光纤1，第一多模光纤2、保偏光纤3、第二多模光纤4、输出端单模光纤5。宽带光源与输入端单模光纤1连接，光谱分析仪与输出端单模光纤5连接。

第一多模光纤2和第二多模光纤4作为光纤传感结构的模式耦合器，它们均为多模光纤。多模光纤的芯径范围一般选取为65~110μm，实验证明，多模光纤的长度范围在1~8mm时，多模光纤可起到模式耦合的作用。本实施例中第一多模光纤2和第二多模光纤4芯径均为105μm，长度均为5mm。

保偏光纤3作为传感区域。通常这类光纤的芯径范围为7~9nm，长度为20~40mm（远远大于多模光纤的长度）。本实施例中保偏光纤3芯径为7.9nm，长度30mm。

输入端单模光纤1和输出端单模光纤5均采用标准单模光纤。

本实施例在同时对温度和折射率进行传感时的光路传输为：宽带光源的光经输入端单模光纤1进入到第一多模光纤2，使入射的单模光激发出各阶高阶模式的光，引起光场的重新分布，继而将光耦合到保偏光纤3，由于纤芯失配，激励起保偏光纤3中包层的各种高阶模式，而保偏光纤3的纤芯内只有快轴和慢轴两种模式，由于传输模式折射率不同，包层模和纤芯模的光在传输相同距离后，会产生相位差，满足相位匹配条件的模式发生干涉，第二多模光纤4作为模式耦合器，干涉信号经第二多模光纤4耦合到输出端单模光纤5中进行输出，输出的信号包括快轴-包层和慢轴-包层两类模式的干涉峰，快轴-包层干涉峰和慢轴-包层干涉峰对温度和折射率的灵敏度存在差异，利用这种差异，可实现对这两个参量的同时测量。根据光谱分析仪可以观测该光纤传感器的传输谱图，调节频谱观测范围，可观测到慢轴-包层干涉峰Dip1和快轴-包层干涉峰Dip2，如图3所示。

在测量本光纤传感器参量（温度或折射率）的灵敏度时，改变参量（温度或折射率）的数值，通过频谱仪观测慢轴-包层干涉峰和快轴-包层干涉峰的波长漂移量，对记录的干涉峰波长随参量（温度或折射率）变化的漂移量进行线性拟合处理，得到该光纤传感器参量（温度或折射率）的传感特性曲线图，即可得到该光纤传感器参量的灵敏度。该光纤传感器对温度的灵敏度分别为0.0883nm/^oC，0.1712nm/^oC，其折射率灵敏度达到100nm/RIU以上。

在实际应用中，已知本光纤传感器的温度和折射率的灵敏度，根据干涉峰波长的漂移量，再结合敏感矩阵方程                                                ，其中，Δλ _f-cl 和Δλ _s-cl 分别为快轴-包层干涉峰和慢轴-包层干涉峰的特征波长漂移量，ΔΤ和ΔRI分别为温度和折射率的变化量， 、和、 分别是快轴-包层干涉峰和慢轴-包层干涉峰特征波长的温度和折射率灵敏度，对上述方程进行变换后， 即可得到温度和折射率的变化量，该传感器通过观测干涉峰的波长漂移量实现了对待测外界环境的变化量的测量。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限定本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，但对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于保偏光纤的双参量光纤传感器，所述光纤传感器包括宽带光源、频谱分析仪和光纤传感结构，其特征在于：所述光纤传感结构包括依次连接的输入端单模光纤（1）、第一多模光纤（2）、保偏光纤（3）、第二多模光纤（4）、输出端单模光纤（5），所述第一多模光纤（2）和第二多模光纤（4）作为模式耦合器，所述保偏光纤作为传感区域，所述宽带光源与所述输入端单模光纤（1）连接，所述频谱分析仪与所述输出端单模光纤（5）连接。

2.根据权利要求1所述的基于保偏光纤的双参量光纤传感器，其特征在于：第一多模光纤（2）和第二多模光纤（4）芯径相同;保偏光纤（3）的芯径大于所述第一多模光纤（2）和第二多模光纤（4）的芯径。

3.根据权利要求1所述的基于保偏光纤的双参量光纤传感器，其特征在于：第一多模光纤（2）和第二多模光纤（4）长度相同，保偏光纤（3）的长度大于所述第一多模光纤（2）和第二多模光纤（4）的长度。

4.根据权利要求2或3所述的基于保偏光纤的双参量光纤传感器，其特征在于：所述的第一多模光纤（2）和第二多模光纤（4）芯径为105μm，长度5mm，保偏光纤（3）芯径为7.9nm，长度30mm。