CN214174138U - 光纤传感器及测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光纤传感器及测量装置。本申请光纤传感器包括单模光纤和光纤光栅，单模光纤包括第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤，所述第二单模光纤与所述第一单模光纤、所述第三单模光纤错位连接，光纤光栅与所述第三单模光纤级联。根据本申请的光纤传感器，由于该结构对折射率变化敏感，因此能够有效的提高测量的灵敏度；同时，光纤光栅对温度变化有响应而对盐度变化不灵敏，因此能够实现对温度的测量，从而能够实现对盐度和温度的同时测量。

Description

光纤传感器及测量装置

技术领域

本申请涉及传感器测量领域，尤其是涉及一种光纤传感器及测量装置。

背景技术

相关技术中，测量盐度采用的方法主要是电导率法，随着光纤传感器的发展，用基于干涉型的光纤传感器测量盐度得到了应用。

然而，通过干涉型光纤传感器对盐度进行处理，仅能测量单个参数。

实用新型内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种光纤传感器，能够有效提高测量的灵敏度，并且能够同时测量盐度和温度多个参数。

本申请还提出一种具有上述光纤传感器的测量装置。

根据本申请的第一方面实施例的光纤传感器，包括：第一单模光纤；第二单模光纤，所述第二单模光纤的一端与所述第一单模光纤的一端错位连接；第三单模光纤，所述第三单模光纤的一端与所述第二单模光纤的另一端错位连接；光纤光栅，所述光纤光栅的一端与所述第三单模光纤的另一端连接。

根据本申请实施例的光纤传感器，至少具有如下有益效果：利用单模光纤激发核心模和多个高阶模，由于该结构对折射率变化敏感，因此能够有效的提高测量的灵敏度；同时，光纤光栅对温度变化有响应而对盐度变化不灵敏，因此能够实现对温度的测量，从而能够实现对盐度和温度的同时测量。

根据本申请的一些实施例，所述光纤光栅为长周期光纤光栅。

根据本申请的一些实施例，所述第一单模光纤与所述第三单模光纤同轴设置。

根据本申请的一些实施例，所述第二单模光纤与所述第一单模光纤、所述第三单模光纤错位高度为62.6μm。

根据本申请的一些实施例，所述长周期光纤光栅的周期为0.52mm，中心波长为1550.0929nm。

根据本申请的一些实施例，所述第二单模光纤长度为350μm。

根据本申请的第二方面实施例的测量装置，包括根据本申请上述第一方面实施例的测量装置，还包括：超连续谱宽带光源，用于提供初始光；光谱分析仪，用于分析初始光经过所述光纤传感器后形成的干涉光。

根据本申请实施例的测量装置，至少具有如下有益效果：能够同时对温度和盐度进行测量；测量装置简单，易于操作。

根据本申请的一些实施例，还包括：升降台，位于所述光纤传感器下方；载玻片，放置于所述升降台上，用于放置待测试溶液。

载玻片，放置于所述光纤传感器下方，用于防止待测试溶液；升降台，用于放置载玻片，控制所述光纤传感器与所述载玻片之间的距离。

根据本申请的一些实施例，还包括：光纤夹持器，用于固定所述光纤传感器。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请做进一步的说明，其中：

图1为本申请实施例光纤传感器的结构示意图；

图2为本申请实施例测量装置的结构示意图。

附图标记：

光纤传感器100、第一单模光纤110、第二单模光纤120、第三单模光纤130、长周期光纤光栅140、超连续谱宽带光源200、光谱分析仪300、载玻片400、升降台500、光纤夹持器600。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。

本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

下面参考图1描述根据本申请实施例的光纤传感器。

如图1所示，根据本申请实施例的光纤传感器100，包括单模光纤和光纤光栅。

单模光纤包括第一单模光纤110、第二单模光纤120和第三单模光纤130，第二单模光纤120的一端与第一单模光纤110的一端错位连接，第三单模光纤130的一端与第二单模光纤120的另一端错位连接；光纤光栅的一端与第三单模光纤130的另一端连接。

例如，如图1所示，第一单模光纤110与第三单模光纤130同轴设置，第二单模光纤120 与第一单模光纤110、第三单模光纤130错位连接，第二单模光纤120的光轴位于第一单模光纤110和第三单模光纤130的光轴下方。两个光轴之间的距离，即错位高度，可以根据实际测量要求进行设置，根据要求设置第一单模光纤110与第二单模光纤120、第三单模光纤130的错位高度后，通过熔接的方式进行连接固定。光纤光栅包括光纤、纤芯、包层，光纤位于纤芯内部，包层覆盖纤芯的外表面，起到保护内部光纤的作用。光纤光栅与第三单模光纤130的连接方式为级联，将光纤光栅与第三单模光纤130级联后，与第一单模光纤110、第二单模光纤120构成光纤传感器100。

根据本申请实施例的光纤传感器，利用单模光纤激发核心模和多个高阶模，由于该结构对折射率变化敏感，因此能够有效的提高测量的灵敏度；同时，光纤光栅对温度变化有响应而对盐度变化不灵敏，因此能够实现对温度的测量，从而能够实现对盐度和温度的同时测量。此外，该光纤传感器制作过程简单，并且测量灵敏度较高。

在本申请的一些实施例中，如图1所示，光纤光栅为长周期光纤光栅140。长周期光纤光栅140的特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，没有后向反射，是透射型光栅，并且长周期光纤光栅140对外界温度变化较为敏感，利用这一特性，可以实现对温度的测量。此外，长周期光纤光栅140的温度系数可以通过改变材料、结构、光栅周期等方式改善或调节，能够更准确的测量温度参数。

在本申请的一些实施例中，第一单模光纤与第三单模光纤同轴设置。如图1所示，第一单模光纤110与第三单模光纤130同轴设置，第二单模光纤120与第一单模光纤110、第三单模光纤130错位熔接，形成两个熔接处。当光束通过第一单模光纤110后，会在第一个熔接处发生分束，分成两路光线，其中一路光线在第二单模光纤120上方的空气中传播，传播至第二个熔接处，另外一路光线在第二单模光纤120的包层中传播，传播至第二个熔接处，两路光线传输的路程相同。两路光线在第二个熔接处发生耦合后，沿着第三单模光纤130、长周期光纤光栅140传播出去。

在本申请的一些实施例中，第二单模光纤与第一单模光纤、第三单模光纤错位高度为 62.6μm。例如，如图1所示，第一单模光纤110与第三单模光纤130同轴设置，均与第二单模光纤120错位连接，第一单模光纤110中心轴与第二单模光纤120中心轴之间的距离为62.6μm。

在本申请的一些实施例中，长周期光纤光栅的周期为0.52mm，中心波长为1550.0929nm。

在本申请的一些实施例中，第二单模光纤长度为350μm。基于马赫曾德干涉原理，该错位结构能够激发核心模和主导高阶模的有效干涉。由于该结构对环境折射率的变化较敏感，因此能够有效对盐度进行测量。

在一些实施例中，本发明实施例提供了一种测量装置，包括上述实施例中任一所述的光纤传感器，还包括超连续谱宽带光源，用于提供初始光；光谱分析仪，用于分析初始光经过光纤传感器后形成的干涉光。例如，如图1和图2所示，超连续谱宽带光源200的波长范围在1520nm至1620nm之间，超连续谱宽带光源200与第一单模光纤110通过光纤进行连接，超连续谱宽带光源200发出的光束通过光纤传输到第一单模光纤110中，在第一单模光纤110 与第二单模光纤120的熔接处发成分束，分成两路光线。其中一路光线在第二单模光纤120 上方空气中传输，传输至第二单模光纤120与第三单模光纤130的熔接处；另外一路光线在第二单模光纤120的包层中传输，传输至第二单模光纤120与第三单模光纤130的熔接处，两路光线在熔接处发生耦合，并沿着第三单模光纤130、长周期光纤光栅140传输至光谱分析仪300中进行光谱分析，光谱分析仪300与第三单模光纤130通过光纤进行连接。

在本申请的一些实施例中，还包括载玻片和升降台，升降台位于光纤传感器下方；载玻片放置于升降台上，用于放置待测试溶液。例如，如图1和图2所示，光纤传感器100放置于载玻片400上方，载玻片400放置于升降台500上，通过控制升降台500的高度，能够控制光纤传感器100与载玻片400之间的距离，将待测试溶液滴在载玻片400上，使得液体浸没第二单模光纤120。光束经过第一单模光纤110与第二单模光纤120熔接处后分束，其中一路光线在待测试溶液中进行传输，传输至第二单模光纤120与第三单模光纤130熔接处，由于待测试溶液的浓度不同，因此折射率不同；另一路光线在第二单模光纤120包层中传输，传输至第二单模光纤120与第三单模光纤130熔接处。两路光线路程相同，但是折射率不同，因此会在第二单模光纤120与第三单模光纤130熔接处发生干涉现象，产生不同的光谱，通过光谱分析仪300则能够分析出浓度的大小，从而实现对浓度的测量。

在本申请的一些实施例中，还包括光纤夹持器，用于固定所述光纤传感器。例如，如图 2所示，在升降台500两边各放置一个光纤夹持器600，分别对第一单模光纤、第三单模光纤进行固定，使光纤传感器100能够在光纤夹持器600上保持不动，从而能够避免由于弯曲折射而对透射光谱产生干扰。

下面参考图1和图2以一个具体的实施例详细描述根据本申请实施例的测量装置。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对实用新型的具体限制。

如图1和图2所示，测量装置包括光纤传感器100、超连续谱宽带光源200、光谱分析仪300、载玻片400、升降台500、光纤夹持器600。

其中光纤传感器100包括第一单模光纤110、第二单模光纤120、第三单模光纤130和长周期光纤光栅140，本实施例实用的长周期光纤光栅140的周期为0.52mm，中心波长为1550.0929nm。第一单模光纤110与第三单模光纤130同轴设置，第二单模光纤120与第一单模光纤110、第三单模光纤130错位连接，错位高度为62.6μm，即第一单模光纤110的光轴与第二单模光纤120的光轴高度差为62.6μm，其中第二单模光纤120的长度为350μm。

在升降台500上放置有载玻片400，将光纤传感器100放置于载玻片400上方，光纤夹持器600固定第一单模光纤110、第三单模光纤130，从而固定光纤传感器100使其保持不动。将不同浓度的待测试溶液滴在载玻片400上，使光纤传感器100中的第二单模光纤120完全被溶液浸没。超连续谱宽带光源200发出的光束通过第一单模光纤110，在第一单模光纤110与第二单模光纤120熔接处分成两路光线，其中一路光线在第二单模光纤120的包层中进行传播，另一路光线在待测试溶液中进行传播，两路光线在第二单模光纤120与第三单模光纤130的熔接处耦合后，经过第三单模光纤130、长周期光纤光栅140后，传输到光谱分析仪300，光谱分析仪300的波长分辨率为0.02nm。

光纤传感器100中的单模光纤结构对盐度变化敏感，在不同盐度的待测试溶液下的光谱会发生变化，当待测试溶液的盐度值在0‰-40‰范围变化时，随着盐度值的增加，光谱分析仪300得到的透射光谱的波峰和波谷会向着短波长方向移动，而盐度的变化对长周期光纤光栅140的光谱影响不大，因此能够完成对盐度的测量；而长周期光纤光栅140的透射光谱对温度相应明显，因此能够完成对温度的测量。

根据本申请实施例的测量装置，通过如此设置，可以达到至少如下的一些效果，利用错位熔接的单模光纤和级联的第二单模光纤，根据公式

计算，能够实现同时测量盐度和温度，其中ΔT、Δ‰分别代表温度和盐度的变化量，Δλ_LPG、Δλ_SSS分别代表第二单模光纤和单模错位光纤结构波峰波谷的偏移量。并且该测试装置结构简单，便于测试。

上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.光纤传感器，其特征在于，包括：

第一单模光纤；

第二单模光纤，所述第二单模光纤的一端与所述第一单模光纤的一端错位连接；

第三单模光纤，所述第三单模光纤的一端与所述第二单模光纤的另一端错位连接；

光纤光栅，所述光纤光栅的一端与所述第三单模光纤的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述光纤光栅为长周期光纤光栅。

3.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一单模光纤与所述第三单模光纤同轴设置。

4.根据权利要求3所述的光纤传感器，其特征在于，所述第二单模光纤与所述第一单模光纤、所述第三单模光纤错位高度为62.6μm。

5.根据权利要求4所述的光纤传感器，其特征在于，所述长周期光纤光栅的周期为0.52mm，中心波长为1550.0929nm。

6.根据权利要求1或5所述的光纤传感器，其特征在于，所述第二单模光纤长度为350μm。

7.测量装置，其特征在于，包括根据权利要求1至6中任一项所述的光纤传感器，还包括：

超连续谱宽带光源，用于提供初始光；

光谱分析仪，用于分析所述初始光经过所述光纤传感器后形成的干涉光。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，还包括：

升降台，位于所述光纤传感器下方；

载玻片，放置于所述升降台上，用于放置待测试溶液。

9.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，还包括：

光纤夹持器，用于固定所述光纤传感器。

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