一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法技术

技术编号:20584971 阅读:26 留言:0更新日期:2019-03-16 05:54
本发明专利技术提供了一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法。全光纤传感器包括宽带光谱光源、光纤传感头和光谱分析仪,所述光纤传感头的输入端口与宽带光谱光源通过光纤连接,所述光纤传感头的输出端口与光谱分析仪通过光纤连接。测量方法,包括将光纤传感头放入待测环境中;通过光谱分析仪和计算机测得干涉条纹谷值波长的移动范围;然后利用数学方法处理后获得折射率和温度的变化值;本发明专利技术的一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法,可以消除折射率测量时存在潜在的温度交叉敏感性问题并且可以提高测量折射率和温度的精确度,具有结构简单、成本低、操作方便而且测量范围大的优点。

An All-Fiber Sensor for Simultaneous Measurement of Refractive Index and Temperature and Its Measurement Method

The invention provides an all-optical fiber sensor for simultaneous measurement of refractive index and temperature and a measuring method thereof. The all-optical fiber sensor includes a broadband spectral light source, an optical fiber sensing head and a spectral analyzer. The input port of the optical fiber sensing head is connected with the broadband spectral light source through the optical fiber, and the output port of the optical fiber sensing head is connected with the spectral analyzer through the optical fiber. The measurement method includes putting the optical fiber sensor head into the environment to be measured, measuring the moving range of the valley wavelength of interference fringes by spectral analyzer and computer, and then obtaining the change value of refractive index and temperature by mathematical method. An all-optical fiber sensor and its measurement method for simultaneous measurement of refractive index and temperature of the present invention can eliminate the potential in refractive index measurement. The cross sensitivity of temperature can also improve the accuracy of refractive index and temperature measurement. It has the advantages of simple structure, low cost, easy operation and wide measurement range.

【技术实现步骤摘要】
一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法
本专利技术涉及光纤传感器领域,具体涉及一种基于马赫-曾德干涉仪型折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法。
技术介绍
伴随着高科技产业的快速发展,折射率和温度是这些应用中最重要的参数,如化学、食品工业和高科技实验室领域。因此,实时监测折射率和温度非常重要。光纤马赫-曾德干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer,MZI)型传感器由于其独特的优势而被广泛研究,如抗电磁干扰,高灵敏度,潜在的低成本以及长距离分布式测量的可能性。早期有关折射率和温度测量的制造方法的工作已有报道,其中包括用飞秒激光对光纤进行打孔、嵌入光子晶体光纤结构,级联光纤布拉格光栅或者长周期光纤光栅或嵌入式特殊光纤。一般而言,这些方法通常需要复杂的制造工艺或价格相对昂贵。最重要的是上述研究忽略了温度对折射率的影响。通常,由于热光效应和热膨胀,马赫-曾德干涉仪型传感器对温度也很敏感。因此,折射率测量存在潜在的温度交叉敏感性问题。同时,许多研究使用改进的光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating,FBG)和长周期光纤光栅(LongPeriodFiberGrating,LPFG)同时检测折射率和温度,但是这种方法也是非常昂贵的,并且其实际应用受到限制。
技术实现思路
有鉴于此,为解决上述现有技术中的问题,本专利技术提供了一种基于马赫-曾德干涉仪的折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法,可以消除折射率测量时存在潜在的温度交叉敏感性问题并且可以提高测量折射率和温度的精确度,具有结构简单、成本低、操作方便而且测量范围大的优点。为实现上述目的,本专利技术的技术方案如下。一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器,其包括宽带光谱光源、光纤传感头和光谱分析仪;所述光纤传感头包括输入输出光纤部分、光束耦合部分和传感部分,所述输入输出光纤部分包括输入单模光纤和输出单模光纤,所述光束耦合部分包括多模光纤和细芯-单模光纤熔接点即粗锥结构;传感部分包括细芯光纤,位于光纤传感头中间,所述输入输出光纤部分和传感部分通过光束耦合部分连接,第一耦合点为多模光纤与单模光纤连接点,由于纤芯失配引起光波在细芯光纤中的纤芯和包层中传播,第二耦合点为细芯-单模光纤熔接结构,将在细芯光纤中纤芯和包层传播的光波重新耦合一起,发生干涉,并进入单模光纤的纤芯中传播;光纤传感头的输入端口与宽带光谱光源通过光纤连接,所述光纤传感头的输出端口与光谱分析仪通过光纤连接,光纤传感头中由所述多模光纤(MMF)、细芯光纤(TCF)和细芯光纤与单模光纤熔接点构成马赫-曾德干涉仪,马赫-曾德干涉仪内部的光束在传输时发生干涉,然后传输进入光谱分析仪。进一步地,还包括计算机,所述计算机与光谱分析仪输出端通信连接;所述计算机用于接收光谱仪的输出数据并利用二维矩阵实现折射率和温度同时测量。进一步地,所述马赫-曾德干涉仪结构为去除涂覆层的细芯光纤。进一步地,所述的宽带光谱光源为L波段1570nm-1605nm的光纤宽带光谱光源,所述所有传输光纤均为普通单模光纤。一种基于马赫-曾德干涉仪的折射率和温度同时测量的测量方法,包括以下步骤:步骤1、将光纤传感头放入待测环境中;步骤2、通过光谱分析仪和计算机测得干涉条纹谷值波长的移动范围;步骤3、然后利用数学方法处理后获得折射率和温度的变化值。进一步地,步骤3中,利用干涉波谷对温度和折射率响应的灵敏度组成系数矩阵如下式所示,实现双参数测量:其中为不同干涉波谷对折射率和温度的灵敏度,Δλm1、Δλm2为不同波谷波长的偏移量,通过实验计算出各个量,再通过矩阵逆变换就能同时计算出折射率的变化值Δn和温度的变化值ΔT。与现有技术比较,本专利技术的一种基于马赫-曾德干涉仪的折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法,可以消除折射率测量时存在潜在的温度交叉敏感性问题并且可以提高测量折射率和温度的精确度,具有结构简单、成本低、操作方便而且测量范围大的优点。附图说明图1为本专利技术的一种基于马赫-曾德干涉仪的折射率和温度同时测量的全光纤传感器的结构示意图。图2为光纤传感头结构以及与待测溶液物质交界面示意图。图3为光纤传感头浸在蒸馏水中时的透射光谱图。图4为折射率1.3105-1.3465变化时的氯化钠溶液对应的透射谱光谱图。图5为波谷A(1581.74nm)和波谷B(1591.53nm)的偏移量与折射率关系图。图6为光纤传感头在25℃-50℃下的透射光谱图。图7为波谷A(1581.74nm)和波谷B(1591.53nm)的偏移量与温度的关系图。具体实施方式下面将结合附图和具体的实施例对本专利技术的具体实施作进一步说明。需要指出的是,所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本专利技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本专利技术保护的范围。如图1、图2所示,为本专利技术的一种基于马赫-曾德干涉仪的折射率和温度同时测量的全光纤传感器的结构示意图,其包括宽带光谱光源1、光纤传感头2和光谱分析仪3;所述光纤传感头包括输入输出光纤部分、光束耦合部分和传感部分,所述输入输出光纤部分包括输入单模光纤201和输出单模光纤202,所述光束耦合部分包括多模光纤和细芯-单模光纤熔接点即粗锥结构;传感部分203包括细芯光纤(TCF),位于光纤传感头中间,所述输入输出光纤部分和传感部分通过光束耦合部分连接,第一耦合点为多模光纤(MMF)与单模光纤(SMF)连接点,由于纤芯失配引起光波在细芯光纤中的纤芯和包层中传播;第二耦合点为细芯光纤-单模光纤熔接结构,将在细芯光纤中纤芯和包层传播的光波重新耦合一起,发生干涉,并进入单模光纤的纤芯中传播;光纤传感头的输入端口与宽带光谱光源通过光纤连接,所述光纤传感头的输出端口与光谱分析仪通过光纤连接,光纤传感头中由所述多模光纤(MMF)、细芯光纤(TCF)和细芯光纤与单模光纤熔接点构成马赫-曾德干涉仪,马赫-曾德干涉仪内部的光束在传输时发生干涉,然后传输进入光谱分析仪。本实施例的基于马赫-曾德干涉仪的折射率和温度同时测量传感器其传感结构基于宽带光谱光源(BBS)、光纤传感头(SensorHead),光谱分析仪(OSA)以及单模光纤(SMF),传感头(SensorHead)的输入端口与宽带光谱光源(BBS)通过单模光纤(SMF)连接,光纤传感头(SensorHead)的输出端口与光谱分析仪(OSA)通过光纤连接(SMF),光纤传感头(SensorHead)中马赫-曾德干涉仪内部的光束在传输时发生干涉,然后传输进入光谱分析仪(OSA)。优选的,还包括计算机,所述计算机与光谱分析仪输出端通信连接;所述计算机用于接收光谱仪的输出数据并利用二维矩阵实现折射率和温度同时测量。优选的,所述马赫-曾德干涉仪结构为去除涂覆层的细芯光纤。优选的,所述的宽带光谱光源为L波段1570nm-1605nm的光纤宽带光谱光源,所述所有传输光纤均为普通单模光纤。一种基于马赫-曾德干涉仪的折射率和温度同时测量的测量方法,包括以下步骤:步骤1、将光纤传感头放入待测环境中;步骤2、通过光谱分析仪和计算机测得干涉条纹谷值波长的移动范围;步骤3、然后利用数学方法处理后获得折射率和温度的变化值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器,其特征在于:包括宽带光谱光源、光纤传感头和光谱分析仪;所述光纤传感头包括输入输出光纤部分、光束耦合部分和传感部分,所述输入输出光纤部分包括输入单模光纤和输出单模光纤,所述光束耦合部分包括多模光纤和细芯‑单模光纤熔接点即粗锥结构;传感部分包括细芯光纤,位于光纤传感头中间,所述输入输出光纤部分和传感部分通过光束耦合部分连接,第一耦合点为多模光纤与单模光纤连接点,由于纤芯失配引起光波在细芯光纤中的纤芯和包层中传播,第二耦合点为细芯‑单模光纤熔接结构,将在细芯光纤中纤芯和包层传播的光波重新耦合一起,发生干涉,并进入单模光纤的纤芯中传播;光纤传感头的输入端口与宽带光谱光源通过光纤连接,所述光纤传感头的输出端口与光谱分析仪通过光纤连接,光纤传感头中由所述多模光纤(MMF)、细芯光纤(TCF)和细芯光纤与单模光纤熔接点构成马赫‑曾德干涉仪,马赫‑曾德干涉仪内部的光束在传输时发生干涉,然后传输进入光谱分析仪。

【技术特征摘要】
1.一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器,其特征在于:包括宽带光谱光源、光纤传感头和光谱分析仪;所述光纤传感头包括输入输出光纤部分、光束耦合部分和传感部分,所述输入输出光纤部分包括输入单模光纤和输出单模光纤,所述光束耦合部分包括多模光纤和细芯-单模光纤熔接点即粗锥结构;传感部分包括细芯光纤,位于光纤传感头中间,所述输入输出光纤部分和传感部分通过光束耦合部分连接,第一耦合点为多模光纤与单模光纤连接点,由于纤芯失配引起光波在细芯光纤中的纤芯和包层中传播,第二耦合点为细芯-单模光纤熔接结构,将在细芯光纤中纤芯和包层传播的光波重新耦合一起,发生干涉,并进入单模光纤的纤芯中传播;光纤传感头的输入端口与宽带光谱光源通过光纤连接,所述光纤传感头的输出端口与光谱分析仪通过光纤连接,光纤传感头中由所述多模光纤(MMF)、细芯光纤(TCF)和细芯光纤与单模光纤熔接点构成马赫-曾德干涉仪,马赫-曾德干涉仪内部的光束在传输时发生干涉,然后传输进入光谱分析仪。2.根据权利要求1所述的一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器,其特征在于:还包括计算机,所述计算机与光谱分析仪输出端通信...

【专利技术属性】
技术研发人员:蒙红云焦涛邓淑营谭春华黄旭光
申请(专利权)人:华南师范大学
类型:发明
国别省市:广东,44

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