CN205940607U - 基于多模光纤模间干涉和fbg的温度和折射率传感器 - Google Patents

Abstract

基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器，属于光纤传感领域，本实用新型是为了解决同时测量温度和折射率时现有传感方案存在的问题。本实用新型包括ASE宽带光源、传感模块和光谱仪。光源发出的光经传感模块入射到光谱仪中；传感模块由传感器固定平台和模间干涉传感器组成，模间干涉传感器由入射端单模光纤、腐蚀处理的多模光纤、光纤布拉格光栅和出射端单模光纤组成；传感器入射端单模光纤中的基模在多模光纤与单模光纤的熔接点处发生模式激发，分成两路传输，一路是多模光纤纤芯传输的纤芯模；另一路是沿外界的介质传输将外界环境作为包层的包层模。纤芯模和包层模在多模光纤的出射端重新耦合进入单模光纤且发生模式干涉，并利用光谱仪进行分析。

Description

基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器

技术领域

本实用新型属于光纤传感领域，具体是一种模间干涉的温度和折射率传感器。

背景技术

光纤传感器与传统的传感器相比具有抗电磁干扰、成本低、灵敏度高和重量轻等特点，被人们广泛研究并应用在桥梁、大坝以及高温、强电磁干扰领域等。进年来，随着技术的发展，人们开始关注除温度、应变外的环境参量变化。光纤传感器中广泛应用的是光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG），利用不同的解调FBG方法对外界环境进行检测，但受限FBG自身，FBG传感方案只能用来对温度和应变进行直接传感，为了对其他环境参量的如折射率的测量，提出利用模间干涉原理制作模间干涉型传感器对折射率进行间接测量。

模间干涉传感器是干涉型的传感器灵敏度较FBG传感器灵敏度更高，与干涉法解调FBG系统相比具有结构简单，成本低，体积小等优势。可以对温度、应变、曲率等参量进行测量，对模间干涉传感器腐蚀后并涂覆敏感材料可以对折射率、湿度、磁场等外界变量进行检测，应用范围较广。但由于模间干涉传感器可以测量的参量较多，在多变量的外界环境中，多参量的同时变化易于造成交叉敏感，不利用精确测量参量。所以有必要对折射率传感器进行优化设计，设计新的高灵敏度折射率和温度传感器已势在必行。

基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器是利用模间干涉制作成的单臂光纤形成模式干涉的传感器。该传感器由单模光纤和多模光纤组成。多模光纤较其他种类的光纤相比具有成本低的优势，便于大规模的应用。对多模光纤腐蚀裸露纤芯后可以对折射率测量同时也可以温度测量，由于FBG对折射率不敏感仅对温度敏感，两者的同时作用可以实现温度和折射率的同时测量，该类型传感器的灵敏度主要取决于多模光纤的参数，因此，可对多模光纤的长度及腐蚀时间进行优化，设计出高灵敏度的全光纤模间干涉折射率和温度传感装置。

发明内容

本实用新型是为了解决在折射率和温度同时测量时存在的交叉敏感及灵敏度较低的问题。在折射率传感器的基础上进行改进，提供一种基于多模光纤马赫-曾德模间干涉和FBG的高灵敏度、折射率和温度同时测量的传感装置。

基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器，它包括ASE宽带光源（1）、一号跳线（2）、折射率和温度传感器（3）、传感器固定平台（4）、二号跳线（5）、光谱仪（6）；

折射率和温度传感器（3）是利用去包层的多模光纤和单模光纤模间干涉及FBG制作的全光纤传感器，其包括入射端单模光纤（3-1）、去包层的多模光纤（3-2）、FBG（3-3）、出射端单模光纤（3-4），将去包层的多模光纤（3-2）两端分别错位熔接入射端单模光纤（3-1）和出射端单模光纤（3-4），在出射端单模光纤上刻蚀FBG（3-3）；

一号跳线（2）的一端连接ASE光源、另一端连接折射率和温度传感器（3）的入射端单模光纤（3-1）；二号跳线（5）的一端连接光谱仪（6），另一端连接折射率和温度传感器（3）的出射端单模光纤（3-4）；

传感器固定平台（4）采用有机玻璃（Polymethyl methacrylate，PMMA）制成，在PMMA板上刻蚀一个倒三角的凹槽；

折射率与温度传感器（3）拉直后悬空放到传感器固定平台（4）的倒三角凹槽内，利用环氧树脂胶将凹槽两端密封；

ASE宽带光源（1）发出的光经过一号跳线进入折射率和温度传感器（3），在折射率和温度传感器（3）中，光先通过入射端单模光纤(3-1)并传输基模，在入射端单模光纤（3-1）和去包层多模光纤（3-2）的熔接点处，发生模式抖动，产生高阶模式将光分成两路，一路通过去包层多模光纤（3-2）的纤芯传输形成纤芯模式，另一路通过外界介质进行传输，将外界介质看作去包层多模光纤（3-2）的包层形成包层模式；两种模式在去包层多模光纤（3-2）和出射端单模光纤（3-4）的熔接点处耦合发生模式干涉，光耦合进入出射端单模光纤（3-4）中传输，光通过FBG（3-3）后经由二号跳线（5）传输到光谱仪（6）中。

所述的ASE宽带光源（1）为中心波长为1550nm的放大自发辐射宽带光源，光谱范围为1525nm-1565nm。

去包层的多模光纤(3-2)是用氢氟酸腐蚀纤芯和包层直径分别为60微米、125微米的多模光纤30min得到，多模光纤的长度为1.9 cm。

折射率和温度传感器（3）中去包层多模光纤（3-2）纤芯与入射端单模光纤（3-1）纤芯错位3微米进行错位熔接，出射端单模光纤（3-4）纤芯和入射端单模光纤纤芯齐平。在距离出射端单模光纤（3-4）与去包层多模光纤(3-2)的熔接点处1 cm处刻蚀中心波长为1550nm的FBG（3-3）。

本实用新型的有益效果是：本实用新型在模间干涉折射率传感器的基础上进行优化设计，将传感臂采用多模光纤并利用氢氟酸将多模光纤去包层处理，裸露出纤芯，提高对温度和折射率的灵敏度，在多模光纤两端采用错位熔接单模光纤有利于提高最终输出光谱的消光比。同时在出射端单模光纤中刻蚀对折射率不敏感的FBG，在折射率和温度同时变化的条件下，可实现折射率和温度的同时精确测量。由于在多模光纤传感器中传感光纤的纤芯越细对应的系统灵敏度越高，可以更据实际需求改变氢氟酸腐蚀多模光纤的时间长度来改变传感器的灵敏度及机械强度。

附图说明

图1 本实用新型所述基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器，它包括ASE宽带光源（1）、一号跳线（2）、折射率和温度传感器（3）、传感器固定平台（4）、二号跳线（5）、光谱仪（6）；

折射率和温度传感器（3）是采用去包层的多模光纤两端错位熔接单模光纤构成的全光纤模间干涉传感器并单模光纤末端刻蚀FBG，其包括入射端单模光纤（3-1）、去包层的多模光纤（3-2）、FBG（3-3）、出射端单模光纤（3-4），将去包层的多模光纤（3-2）两端分别错位熔接入射端单模光纤（3-1）和出射端单模光纤（3-4），在出射端单模光纤上刻蚀FBG（3-3）；

传感器固定平台（4）采用的是刻蚀了倒三角的凹槽的有机玻璃平板；

折射率和温度传感器（3）拉直后悬空放入传感器固定平台（4）的倒三角凹槽内，使折射率和温度传感器不接触凹槽底部，入射端单模光纤（3-1）和出射端单模光纤（3-4）足够长使的两端单模光纤的尾纤超出凹槽的长度，利用环氧树脂胶将凹槽两端密封；

一号跳线（2）连接ASE光源和折射率和温度传感器（3）的入射端单模光纤（3-1）；二号跳线（5）连接折射率和温度传感器（3）的出射端单模光纤（3-4）和光谱仪（6）；

进行温度和折射率传感时，把折射率和温度传感器（3）固定在传感器固定平台（4）上，消除应变对传感造成的干扰，将传感器固定平台放到温度场中，同时将待测折射率的液体充入传感器固定平台（4）的倒三角凹槽中。

由ASE宽带光源（1）发出的光束经一号跳线进入折射率和温度传感器（3）的入射端单模光纤(3-1)中，其中传输的基模在入射端单模光纤（3-1）和去包层多模光纤（3-2）的熔接点处发生模式抖动产生高阶模式，在去包层的多模光纤（3-2）处光分成两路传输，一路通过去包层多模光纤（3-2）的纤芯传输，主要是纤芯模式，另一路通过外界介质进行传输，将外界介质看作去包层多模光纤（3-2）的包层，主要传输包层模式；这两种模式在去包层多模光纤（3-2）和出射端单模光纤（3-4）的熔接点处耦合发生模式干涉，光耦合进入出射端单模光纤（3-4）中传输并通过透射式FBG（3-3）后经由二号跳线（5）传输到光谱仪（6）中，利用光谱仪（6）观察干涉光谱，干涉光谱的波长漂移与温度和折射率的变化是线性关系。FBG透射谱对用的波长变化仅与温度变化呈线性关系，与折射率变化无关，因此可以通过观察干涉光谱和FBG透射谱的漂移进行温度和折射率的同时测量。

具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器的进一步限定，本实施方式中，所述的ASE宽带光源（1）为中心波长为1550nm，光谱范围为1525nm-1565nm的平坦的放大自发辐射光源。

具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式一所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器的进一步限定，本实施方式中，所述的去包层多模光纤（3-2）是利用浓度为40%的氢氟酸腐蚀纤芯直径和包层直径分别为60 微米、125 微米的多模光纤30min,完全去除包层仅留下60 微米的多模光纤纤芯,多模光纤的长度为1.9 cm。

具体实施方式四：本实施方式对具体实施方式一所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器的进一步限定，本实施方式中，折射率和温度传感器（3）中的去包层多模光纤（3-2）错位熔接单模光纤的错位量为3微米。

具体实施方式五：本实施方式对具体实施方式一所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器的进一步限定，本实施方式中所用的一号跳线（2）、二号跳线（5）、入射端单模光纤（3-1）及出射端单模光纤（3-4）均为纤芯直径和包层直径分别为8 微米、25微米的单模光纤。

具体实施方式六：本实施方式对具体实施方式一所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器的进一步限定，本实施方式中FBG（3-3）所对用的中心波长为1550nm，刻蚀在距离去包层多模光纤（3-2）和出射端单模光纤熔接点处1cm的出射端单模光纤（3-4）上。

具体实施方式七：本实施方式对具体实施方式一所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器的进一步限定，本实施方式中传感器的制作是先将多模光纤错位熔接单模光纤后利用环氧树脂胶固定在长度为5cm的PMMA平板的凹槽内，用石蜡将多模光纤端的两侧密封，将氢氟酸充入多模光纤对应的凹槽内进行腐蚀。

工作原理:

基于多模光纤模间干涉与FBG的温度和折射率传感：

工作过程：对温度和折射率进行传感时，折射率和温度传感器（3）固定在传感器固定平台（4）上以消除应变对传感造成的干扰，将传感器固定平台放到温度场中，并把待测折射率的液体填充到传感器固定平台（4）的倒三角凹槽中。光路如图1所示，光从ASE宽带光源（1）发出经过一号跳线进入折射率和温度传感器（3）的入射端单模光纤(3-1)中，在其中传输的模式是基模，在入射端单模光纤（3-1）和去包层多模光纤（3-2）的熔接点处基模发生模式抖动产生高阶模式，在去包层的多模光纤（3-2）处使光分成两路进行传输，一路通过去包层多模光纤（3-2）的纤芯传输，主要是基模等纤芯模式，由于多模光纤腐蚀去掉包层使光泄漏到待测液体中故另一路通过待测液体进行传输，在传输过程中将待测液体看作去包层多模光纤（3-2）的包层，主要在液体中传输包层模式；纤芯模式和包层模式在去包层多模光纤（3-2）和出射端单模光纤（3-4）的熔接点处耦合发生模式干涉，光耦合进入出射端单模光纤（3-4）中传输并通过透射式FBG（3-3）后经由二号跳线（5）传输到光谱仪（6）中，利用光谱仪（6）观察干涉光谱。当待测的温度和液体的折射率变化时，会导致去包层道德多模光纤（3-2）的纤芯和等价包层的折射率发生变化，使得纤芯模式和包层模式所通过的光程差发生改变，光程差的改变使得模式间的相位差改变，使得干涉后光强重新分布，进而影响干涉光谱的波长变化，干涉光谱的波长漂移与温度和折射率的变化是线性关系。FBG透射谱对用的波长变化仅与温度变化呈线性关系，与折射率变化无关，因此可以通过观察干涉光谱和FBG透射谱的漂移进行温度和折射率的同时测量。在传感过程中是将多模光纤腐蚀去包层，当增加多模光纤的腐蚀时间，使得多模光纤纤芯变细有利于提高传感器的灵敏度，同时采用错位熔接可以增大干涉光谱的消光比，光谱波长的检测。

Claims (10)

1.基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器，其特征在于：它包括ASE宽带光源（1）、一号跳线（2）、折射率和温度传感器（3）、传感器固定平台（4）、二号跳线（5）、光谱仪（6）；

折射率和温度传感器（3）是由去包层的多模光纤错位熔接单模光纤构成的全光纤模间干涉传感器与FBG相结合的传感器，其包括入射端单模光纤（3-1）、去包层的多模光纤（3-2）、FBG（3-3）、出射端单模光纤（3-4）；

折射率和温度传感器（3）拉直并悬空放入传感器固定平台（4）的倒三角凹槽内，入射端单模光纤（3-1）和出射端单模光纤（3-4）足够长使尾纤超出凹槽的长度，利用环氧树脂胶将凹槽两端密封；

一号跳线（2）连接ASE光源和折射率和温度传感器（3）的入射端单模光纤（3-1）；二号跳线（5）连接折射率和温度传感器（3）的出射端单模光纤（3-4）和光谱仪（6）。

2.根据权利要求1所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器，其特征在于：ASE宽带光源（1）为光谱范围为1525nm-1565nm中心波长为1550nm的放大自发辐射宽带光源。

3.根据权利要求1所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器，其特征在于：折射率和温度传感器（3）是将去包层的多模光纤（3-2）两端分别错位熔接入射端单模光纤（3-1）和出射端单模光纤（3-4），在出射端单模光纤上刻蚀FBG（3-3）。

4.根据权利要求1所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器，其特征在于：去包层的多模光纤(3-2)是用氢氟酸腐蚀纤芯和包层直径分别为60微米、125微米的多模光纤得到的，去除多模光纤包层，仅留直径为60微米的多模光纤纤芯，多模光纤的长度为1.9 cm。

5.根据权利要求1所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器，其特征在于：折射率和温度传感器（3）中去包层多模光纤（3-2）纤芯与入射端单模光纤（3-1）纤芯错位量为3微米。

6.根据权利要求1所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器，其特征在于：在距离出射端单模光纤（3-4）与去包层多模光纤(3-2)的熔接点1 cm处的出射端多模光纤（3-4）上刻蚀中心波长为1550nm的FBG（3-3）。

7.根据权利要求1所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器，其特征在于：传感器固定平台（4）是具有倒三角的凹槽结构的有机玻璃板，凹槽长度为5cm。

8.根据权利要求1所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器，其特征在于：折射率与温度传感器（3）拉直悬空放到传感器固定平台（4）的倒三角凹槽内，利用环氧树脂胶将凹槽两端密封。

9.根据权利要求1所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器，其特征在于：进行温度和折射率传感时，把折射率和温度传感器（3）固定在传感器固定平台（4）上，消除应变对传感造成的干扰。

10.根据权利要求1所述的基于多模光纤模间干涉和FBG的温度和折射率传感器，其特征在于：一号跳线（2）、二号跳线（5）、入射端单模光纤（3-1）及出射端单模光纤（3-4）均为纤芯和包层直径分别为8 微米/ 125 微米的单模光纤。