CN211527473U - 基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器 - Google Patents
基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN211527473U CN211527473U CN201922282490.XU CN201922282490U CN211527473U CN 211527473 U CN211527473 U CN 211527473U CN 201922282490 U CN201922282490 U CN 201922282490U CN 211527473 U CN211527473 U CN 211527473U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- inner cladding
- optical fiber
- dual
- mode optical
- core
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器，涉及用于气体/液体压强和温度同时检测领域，包括双模光纤，所述双模光纤的两端分别熔接有单模光纤，以形成两个圆对称芯子模式干涉的MZI‑马赫增德干涉仪；所述双模光纤在工作波长范围内支持LP01和LP02两种圆对称芯子模式传输，两种芯子模式的传播常数差在中心波长处达到最大值，因此在其传输谱中存在一个易于识别的特征波长，即拐点；随温度和液体压强的变化，该拐点左右两边最靠近特征波长的左峰1和右峰1的移动方向相反；每个峰值的响应灵敏度不同，越靠近拐点的峰值灵敏度越高，以此选作左峰1和右峰1为跟踪检测波长，从而同时检测温度和液体压强。
Description
技术领域
本实用新型涉及用于气体/液体压强和温度同时检测领域，尤其涉及基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器。
背景技术
温度和压强同时检测技术在海洋、能源、工业等领域都具有重要的应用前景。由于全光纤传感器件具有尺寸小、响应速度快、成本低廉、抗电磁干扰等优点适应于恶劣环境工作。
目前，文献中已报道几种用于温度和压强同时检测的光纤传感器，然而传统的气体压强传感器通常不适宜于液体环境的检测，如典型的法布里铂罗干仪(Fabry-Peroty,FP)为了使得被测气体能够自由进出腔体，通常经过化学腐蚀或者激光微加工等方法制作微腔/微槽/微孔，从而形成开放式腔体结构。首先，经过过度加工的光纤结构通常脆弱易受环境振动影响；其次，液体溶液中杂质成分变化会引起FP腔体中光传输性能以及光程差的改变，从而产生测量误差。因此，对于非本征式FP腔体结构应用于海洋环境检测时，特殊材料的使用和高要求的外壳封装设计是必不可少的，这很大程度上增加了器件制作的成本和难度。另外，双干涉仪级联的传感方案，通常结构复杂且多个相似的周期性干涉条纹重叠使得信号分析和解调过程复杂化。此外，文献中报道的通过布拉格光纤光栅结合压力敏感的材料或几何结构检测方案，仍然存在结构复杂、寿命短、稳定性差等问题。同时，上述几种方案的检测范围和灵敏度都受限于附加材料的形变能力或FP腔的腔长大小。
发明内容
本实用新型的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器，无需封装外壳设计及特殊的光纤端面处理即可实现水下深度和温度的同时测量，并且制作简单，成本低廉，抗干扰能力强，适用于液体环境中大范围、高灵敏度的压强和温度同时检测。
为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器，包括双模光纤，所述双模光纤的两端分别熔接有单模光纤，以形成两种芯子模式干涉的MZI-马赫增德干涉仪(MZI,Mach-Zehnder interference)。
所述两种芯子模式干涉为两种圆对称芯子模式干涉，且干涉谱中存在一个易于识别的特征波长。
所述双模光纤在工作波长范围内支持LP01和LP02两种圆对称芯子模式传输，两种芯子模式的传播常数差在中心波长处达到最大值，因此在其传输谱中存在一个易于识别的特征波长，即拐点；随温度和液体压强的变化，该拐点左右两边最靠近特征波长的左峰1和右峰1的移动方向相反；每个峰值的响应灵敏度不同，越靠近拐点的峰值灵敏度越高，以此选作左峰1和右峰1为跟踪检测波长，从而同时检测温度和液体压强。
所述双模光纤包括芯子、3个内包层和纯石英外包层，接近芯子的内包层为第一个内包层，第一个内包层的周围环绕有第二个内包层，第二个内包层的外部环绕第三个内包层；折射率差值定义为：
Δnco/cli＝(nco/cli-n0)/n0
其中，nco为芯子的折射率，cli为内包层的折射率，n0为外包层的折射率；
第一个内包层的折射率差值为负，第三个内包层的折射率差值小于第二个内包层的折射率差值，第二个内包层的折射率差值小于芯子的折射率差值。
所述芯子为高掺GeO2的结构；第一个内包层为氟掺杂结构；第二个内包层和第三个内包层均为GeO2掺杂的结构，且二者掺杂GeO2的浓度不同。
相对于现有技术，本实用新型技术方案取得的有益效果是：
本实用新型采用的双模光纤在工作波长范围内支持LP01和LP02两种圆对称芯子模式传输，与传统的两个模式干涉的传输谱不同(传播常数差随波长成线性关系)，通过检测最靠近特征波长两侧干涉峰的波长移动，即可实现水下压强和温度的高灵敏度同时检测且不存在多值问题，不受液体环境中杂质或溶液折射率变化影响；并且通过增加双模光纤的长度还可进一步提高检测灵敏度，这不同于传统的FP型传感器其灵敏度和检测范围受限于附加材料形变量和小的FP腔长限制。因此，本实用新型提出的基于这种带特征波长的全光纤传感结构无需封装外壳设计及特殊的光纤端面处理即可实现水下深度和温度的同时测量，并且制作简单，成本低廉，抗干扰能力强，适用于液体环境中大范围、高灵敏度的压强和温度同时检测。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为双模光纤端面电镜扫描图；
图3为双模光纤端面结构示意图；
图4为本实用新型液压检测实验装置图；OSA-光谱仪，SCS-超连续激光光源，DMF-双模光纤，MZI-马赫增德干涉，SMF-单模光纤；
图5为本实用新型随液体压强变化的传输光谱图。
附图标记：双模光纤1，单模光纤2。
具体实施方式
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型做进一步详细说明。
如图1所示，本实施例包括双模光纤1，所述双模光纤1(DMF,dual mode fiber)的两端分别熔接有单模光纤2(SMF，single mode fiber)，以形成两个圆对称芯子模式干涉的MZI-马赫增德干涉仪。
如图2～3所示，所述双模光纤包括芯子(dco)、3个内包层(dcl1，dcl2，dcl3)和纯石英外包层；接近芯子的内包层为第一个内包层dcl1，第一个内包层的周围环绕有第二个内包层dcl2，第二个内包层的外部环绕第三个内包层dcl3；有效折射率即折射率差值定义为：
Δnco/cli＝(nco/cli-n0)/n0
其中，nco为芯子的折射率，cli为内包层的折射率，n0为外包层的折射率；具体地，i为内包层数，cl1表示第一个内包层的折射率，cl2表示第二个内包层的折射率，cl3表示第三个内包层的折射率；
本实施例中，第一个内包层的折射率差值为负，第三个内包层的折射率差值小于第二个内包层的折射率差值，第二个内包层的折射率差值小于芯子的折射率差值；
具体地，所述芯子为高掺GeO2的结构，接近芯子的第一个内包层是折射率差值为负的氟掺杂的“沟道”，周围环绕的第二个内包层为折射率差值为正的GeO2掺杂的“桥梁”，外部再环绕第三个内包层GeO2掺杂的“桥梁”后，包覆一层纯SiO2作为外包层；第二个内包层和第三个内包层均为GeO2掺杂的结构，且二者掺杂GeO2的浓度不同。
本实用新型制作的具体步骤如下：首先，去除DMF光纤表面的涂覆层并用酒精擦拭洁净后，将切割平整的DMF光纤放入光纤熔接机完成与SMF光纤引线的自动熔接，即形成基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器。
如图4所示，以DMF-MZI标记本实用新型传感器，将该传感器放入水压试验箱中进行测试，并与超连续激光光源(SCS)和光谱仪(OSA)连接就可以实现双参量检测，光从覆盖光纤测试波段的超连续激光光源输出，通过传感器后，由光谱仪接收记录在测量过程中干涉光谱对外界压强和温度的响应情况。成品定标后，可以直接读出液体温度和压强值。当温度和压强变化时，打开电源即可实时监测。
本实用新型的检测原理如下：
传统的少模光纤支持包括LP11在内的几种高阶纤芯模式，并可能在测量过程中引起偏振相关的问题，而本实用新型基于双模光纤中两个芯子模叠加干涉原理，即马赫增德干涉，具有优异的偏振性能。所述双模光纤在工作波长范围内支持LP01和LP02两种圆对称芯子模式传输，两种芯子模式的传播常数差在中心波长处达到最大值，因此在其传输谱中存在一个易于识别的特征波长，即拐点；
如图5所示，为实验测得的使用长度为34cm双模光纤制得的MZI传输谱，由于二氧化硅材料本身的热膨胀、热光效应以及光弹效应，光纤纤芯中两个芯子模式的等效折射率和光纤伸长量会受到温度和液压调制，温度和液压变化将引起两个模式的相位差发生改变，从而引起干涉谱的移动；
当外环境液体压强或温度变化时，其特征波长两侧的干涉峰向反方向移动，通过检测最靠近特征波长两侧干涉峰的波长移动，即可实现水下压强和温度的高灵敏度同时检测且不存在多值问题；
本实施例中，设定的左峰1的水压敏感度和温度敏感度分别为SPL和STL，在水压变化为ΔP、温度变化为ΔT时，峰值对水压和温度的波长响应ΔλL1表示为ΔλL1＝SPLΔP+STLΔT；设定右峰1的水压敏感度和温度敏感度分别为SPR和STR，峰值对水压和温度的波长响应ΔλR1表示为ΔλR1＝SPRΔP+STRΔT，因此，可以通过求解以下传感器矩阵方程来实现同时测量水压和温度的方法：
实验中，测量可得到两个最接近特征波长的峰值波长处对温度和液压响应的四个灵敏度响应系数，SPL＝-0.348nm/MPa,SPR＝0.437nm/MPa,STL＝-0.227nm/℃,STR＝0.256nm/℃，将其带入公式(1)，即可实现通过检测两个共振波长的移动来实现水下深度和温度的同时测量，并且越接近特征波长的干涉峰波长移动量越大，灵敏度越高。由于光纤长度和干涉周期成反比，双模光纤越长，周期越小，干涉峰位置离特征波长的越近，灵敏度越高，因此可通过增加双模光纤的长度进一步提高检测灵敏度。该传感器基于芯子模干涉，不受液体环境中杂质或溶液折射率变化影响，可摆脱光纤传感区域繁琐的外壳封装设计和特殊的端面处理，简单熔接即可进行液体压强和温度的同时检测，并且通过增加双模光纤的长度还可进一步提高检测灵敏度。因此本实用新型是一种基于带特征波长的双模光纤芯子模间干涉的全光纤传感结构，在能源开采，海洋和淡水环境检测等都具有非常重要的实际应用价值。
Claims (2)
1.基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器，其特征在于：包括双模光纤，所述双模光纤的两端分别熔接有单模光纤，以形成两种芯子模式干涉的MZI-马赫增德干涉仪；
所述两种芯子模式干涉为两种圆对称芯子模式干涉，且干涉谱中存在一个易于识别的特征波长；所述双模光纤在工作波长范围内支持LP01和LP02两种圆对称芯子模式传输；
所述双模光纤包括芯子、3个内包层和纯石英外包层，接近芯子的内包层为第一个内包层，第一个内包层的周围环绕有第二个内包层，第二个内包层的外部环绕第三个内包层；
第一个内包层的折射率差值为负，第三个内包层的折射率差值小于第二个内包层的折射率差值，第二个内包层的折射率差值小于芯子的折射率差值。
2.如权利要求1所述的基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器，其特征在于：所述芯子为高掺GeO2的结构；第一个内包层为氟掺杂结构；第二个内包层和第三个内包层均为GeO2掺杂的结构，且二者掺杂GeO2的浓度不同。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201922282490.XU CN211527473U (zh) | 2019-12-18 | 2019-12-18 | 基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201922282490.XU CN211527473U (zh) | 2019-12-18 | 2019-12-18 | 基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN211527473U true CN211527473U (zh) | 2020-09-18 |
Family
ID=72465848
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201922282490.XU Active CN211527473U (zh) | 2019-12-18 | 2019-12-18 | 基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN211527473U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110895157A (zh) * | 2019-12-18 | 2020-03-20 | 厦门大学 | 基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器及方法 |
-
2019
- 2019-12-18 CN CN201922282490.XU patent/CN211527473U/zh active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110895157A (zh) * | 2019-12-18 | 2020-03-20 | 厦门大学 | 基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器及方法 |
| CN110895157B (zh) * | 2019-12-18 | 2024-08-13 | 厦门大学 | 基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhang et al. | A review of photonic crystal fiber sensor applications for different physical quantities | |
| CN100367016C (zh) | 光纤温度测量仪及其测量方法 | |
| Tang et al. | High-performance bending vector and strain sensor using a dual-tapered photonic crystal fiber Mach–Zehnder interferometer | |
| EP3551963B1 (en) | Waveguide interferometer | |
| Liu et al. | Gelatin-coated michelson interferometric humidity sensor based on a multicore fiber with helical structure | |
| Tan et al. | Temperature-insensitive humidity sensor based on a silica fiber taper interferometer | |
| CN108692751B (zh) | 基于光纤法布里玻罗腔的应变传感器及其制作方法 | |
| Ouyang et al. | Temperature compensated refractometer based on parallel fiber Fabry–Pérot interferometers | |
| Lei et al. | Underwater pressure and temperature sensor based on a special dual-mode optical fiber | |
| CN111337060A (zh) | 一种基于并联结构游标效应的混合型传感器及其制作方法 | |
| Bian et al. | A novel optical fiber Mach–Zehnder interferometer based on the calcium alginate hydrogel film for humidity sensing | |
| Tong et al. | Dual-parameter optical fiber sensor based on concatenated down-taper and multimode fiber | |
| CN111398222A (zh) | 一种基于马赫曾德尔干涉测量的光纤折射率传感器 | |
| CN110895157B (zh) | 基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器及方法 | |
| CN110987230A (zh) | 一种双参量光纤传感模块、系统及测量方法 | |
| CN211527473U (zh) | 基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器 | |
| He et al. | Bend sensor based on Mach-Zehnder interferometer using single-mode fiber with helical structure | |
| Meng et al. | Humidity sensing and temperature response performance of polymer gel cold-spliced optical fiber Fabry-Perot interferometer | |
| CN110687629A (zh) | 温度传感光子晶体光纤 | |
| CN210775904U (zh) | 温度传感光子晶体光纤 | |
| Zhang et al. | Sensitivity amplification of bubble-based all-silica fiber liquid-pressure sensor by using femtosecond laser exposure | |
| CN110031139B (zh) | 一种接触型线性应力传感器及其应力检测方法 | |
| Yang et al. | Simultaneous measurement of liquid level and refractive index based on a sandwich multimode optical fiber structure | |
| CN115077581A (zh) | 一种同时测量应力、折射率光纤传感器及其控制方法、制备方法 | |
| Qi et al. | Discrete amplified sensing of temperature and strain |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |