本發(fā)明涉及傳感器測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用纖芯氣泡光纖同時(shí)測量溫度和溶液折射率的方法。

背景技術(shù)：

全光纖化的傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長、對測試量敏感、傳輸信道多等優(yōu)勢廣泛地應(yīng)用于光纖傳感、光纖通信、光學(xué)加工等領(lǐng)域。通過光纖端面微加工技術(shù)或搭建具有干涉結(jié)構(gòu)的全光纖傳感器，在泵浦源作用下，輸出具有梳狀譜圖樣的干涉譜曲線。細(xì)芯光纖馬赫-曾德光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡單且易于實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)由一段細(xì)芯光纖熔接在兩段芯徑相對較粗的摻雜稀土光纖中，摻雜稀土光纖也被用作為傳感器的增益介質(zhì)?，F(xiàn)有技術(shù)中，基于雙芯光纖的馬赫-曾德干涉儀，應(yīng)用于溫度和應(yīng)變的測量，干涉條紋襯幅比約為10dBm，條紋間隔約為2nm。光纖馬赫-曾德干涉儀具有結(jié)構(gòu)簡單、條紋襯比度高、梳狀譜密集等優(yōu)勢，常被用于光纖傳感領(lǐng)域。

纖芯氣泡光纖在纖芯中制作中纖芯內(nèi)形成氣泡，氣泡能夠使得纖芯有效折射率發(fā)生變化，在纖芯中傳輸?shù)墓饨?jīng)過氣泡，光程發(fā)生改變，產(chǎn)生模間干涉，由于在一根光纖就能實(shí)現(xiàn)多種模式之間的干涉，簡化了光路，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且損耗低、不受外界干擾，具有很好的發(fā)展前景。但是，在現(xiàn)有技術(shù)中，對于氣泡光纖的應(yīng)用于對單一的的溫度或溶液折射率的測量。

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)氣泡光纖對溫度和溶液折射率的靈敏度與光纖光柵對溫度和溶液折射率均具有不同的靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)對溫度和溶液折射率的同時(shí)測量。

因此，要一種能有效地對溫度和溶液折射率進(jìn)行同時(shí)測量的一種利用纖芯氣泡光纖同時(shí)測量溫度和溶液折射率的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明在一個(gè)方面提供了一種利用纖芯氣泡光纖同時(shí)測量溫度和溶液折射率的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

a)在兩段光纖纖芯端面進(jìn)行刻槽處理；

b)將步驟a)中兩段光纖帶有刻槽的端面相互熔接，熔接的兩端面刻槽相互對應(yīng)，所述熔接過程中刻槽發(fā)生膨脹，纖芯位置產(chǎn)生氣泡，得到纖芯氣泡光纖；

c)將所述纖芯氣泡光纖與光纖光柵熔接，進(jìn)行溫度標(biāo)定和溶液折射率標(biāo)定；

d)采集纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波長漂移量，擬合纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波長漂移量隨溫度和溶液折射率變化量的關(guān)系曲線；

e)利用步驟d)的關(guān)系曲線對待測環(huán)境中的溫度和溶液折射率同時(shí)測量。

優(yōu)選地，所述標(biāo)定方法包括如下步驟：

(1)將熔接后的纖芯氣泡光纖與光纖光柵置于可控溫度變化和折射率變化的溶液中；

(2)以纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波谷作為采樣點(diǎn)，逐漸改變環(huán)境中溫度的大小，同時(shí)改變環(huán)境的溶液折射率，記錄梳狀譜移動的長度。

優(yōu)選地，所述改變?nèi)芤赫凵渎实姆椒òǜ淖內(nèi)芤弘x子半徑、增加溶液的濃度或降低溶液的濃度。

優(yōu)選地，所述纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波長漂移量隨溫度和溶液折射率變化量的關(guān)系曲線滿足如下關(guān)系：

其中Δλ₁、Δλ₂分別為纖芯氣泡光纖和光纖光柵的波長漂移量；ΔT、Δh分別為溫度和溶液折射率的變化量；K_T1、K_T2分別為纖芯氣泡光纖和光纖光柵的溫度靈敏度；K_n1、K_n2分別為纖芯氣泡光纖和光纖光柵的溶液折射率靈敏度；D＝K_T1K_n2-K_T2K_n1。

優(yōu)選地，所述溫度靈敏度和所述溶液折射率靈敏度通過計(jì)算靈敏度曲線的斜率得到。

本發(fā)明的另一個(gè)方面在于提供一種用于同時(shí)測量溫度和溶液折射率的系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)依次連接泵浦光源、波分復(fù)用器、增益光纖、第一單模光纖、纖芯氣泡光纖、光纖光柵、第二單模光纖和光譜儀；

所述纖芯氣泡光纖由兩段端面帶有刻槽的光纖熔接；所述纖芯氣泡光纖與所述光纖光柵熔接在一起用于對溫度和溶液折射率進(jìn)行同時(shí)測量。

優(yōu)選地，所述增益光纖為一段摻雜稀土元素的光纖。

本發(fā)明將纖芯氣泡光纖和光纖光柵熔接在一起，由于光纖光柵和纖芯氣泡光纖具有不同的溫度和溶液折射率傳感靈敏度，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對溫度以及溶液折射率進(jìn)行測量。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出了本發(fā)明利用纖芯氣泡光纖同時(shí)測量溫度和溶液折射率的流程圖；

圖2示出了本發(fā)明纖芯氣泡光纖熔接的示意圖；

圖3示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中纖芯氣泡光纖與光纖光柵熔接對溫度和溶液折射率標(biāo)定的示意圖；

圖4示出了本發(fā)明纖芯氣泡光纖的波長漂移示意圖；

圖5示出了本發(fā)明與光纖光柵的波長漂移示意圖。

具體實(shí)施方式

通過參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例；可以通過不同形式來對其加以實(shí)現(xiàn)。說明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。在下文實(shí)施例中，對本發(fā)明的一種利用纖芯氣泡光纖同時(shí)測量溫度和溶液折射率的方法做詳細(xì)說明的過程中，一些相關(guān)的技術(shù)術(shù)語應(yīng)當(dāng)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所能夠理解的。為了清楚的說明本發(fā)明的內(nèi)容，在如下實(shí)施例中給出了本發(fā)明利用纖芯氣泡光纖同時(shí)測量溫度和溶液折射率的具體流程。如圖1所示本發(fā)明利用纖芯氣泡光纖同時(shí)測量溫度和溶液折射率的流程圖，具體地，利用纖芯氣泡光纖同時(shí)測量溫度和溶液折射率的方法，所述方法包括如下步驟：

步驟S101：熔接纖芯氣泡光纖，在兩段光纖端面進(jìn)行刻槽處理；將所述兩段經(jīng)過刻槽的光纖帶有刻槽的端面相互熔接，熔接的兩端面刻槽相互對應(yīng)，所述熔接過程中刻槽發(fā)生膨脹，纖芯位置產(chǎn)生氣泡，得到纖芯氣泡光纖；

步驟S102：溫度和溶液折射率標(biāo)定，將所述纖芯氣泡光纖與光纖光柵熔接，進(jìn)行溫度標(biāo)定和溶液折射率標(biāo)定；

步驟S103：擬合曲線，采集纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波長漂移量，擬合纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波長漂移量隨溫度和溶液折射率變化量的關(guān)系曲線；

步驟S104：溫度和溶液折射率同時(shí)測量，利用步驟S103的關(guān)系曲線對待測環(huán)境中的溫度和溶液折射率同時(shí)測量。

纖芯氣泡光纖的熔接

如圖2所示本發(fā)明纖芯氣泡光纖熔接的示意圖100，首先選取兩段光纖，所述光纖包括包層101和纖芯102，在兩段光纖的一個(gè)端面分別進(jìn)行刻槽處理，將所述兩段光纖帶有刻槽的端面相互熔接，熔接的兩端面刻槽相互對應(yīng)，所述熔接過程中刻槽發(fā)生膨脹，纖芯位置產(chǎn)生氣泡103，得到纖芯氣泡光纖；光路在纖芯氣泡光纖的纖芯102傳播過程中經(jīng)過纖芯氣泡光纖的的氣泡103處實(shí)現(xiàn)干涉。優(yōu)選地，選擇手動調(diào)節(jié)熔接機(jī)參數(shù)，將兩段光纖帶有刻槽的端面對應(yīng)對齊，通過放電熔接完成兩段光纖的熔接。本實(shí)施例中，優(yōu)選相互熔接的兩段段光纖長度一致。

溫度和溶液折射率的標(biāo)定

將熔接好的帶有氣泡的纖芯氣泡光纖與光纖光柵進(jìn)行熔接。如圖3所示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中纖芯氣泡光纖與光纖光柵熔接對溫度和溶液折射率標(biāo)定的示意圖200，搭建測量系統(tǒng)，所述測量通過光纖204系統(tǒng)依次連接泵浦光源201、波分復(fù)用器202、增益光纖203、第一單模光纖205、纖芯氣泡光纖206、光纖光柵208、第二單模光209纖、光譜儀210和溫度控制器207。纖芯氣泡光纖206與光纖光柵208置于可以控制溫度和折射率變化的溶液211中。在一些實(shí)施例中，增益光纖203優(yōu)選摻雜稀土元素的光纖。

將所述纖芯氣泡光纖206與所述光纖光柵208熔接在一起置于溫度和溶液折射率均為可控的溶液211中對溶液211的溫度的變化量與折射率變化量進(jìn)行標(biāo)定。具體地，標(biāo)定過程的步驟如下：

步驟1：將熔接后的纖芯氣泡光纖206與光纖光柵208置于可控溫度變化和折射率變化的溶液211中；

步驟2：以纖芯氣泡光纖206與光纖光柵208的波谷作為采樣點(diǎn)，逐漸改變環(huán)境中溫度的大小，同時(shí)改變?nèi)芤?11的溶液折射率，記錄梳狀譜移動的長度。

在上述標(biāo)定過程中，環(huán)境中的溫度通過溫度控制器207對環(huán)境的溫度逐漸增加，同時(shí)逐漸增加溶液211的濃度。應(yīng)當(dāng)理解的是，對于標(biāo)定過程中環(huán)境的改變可以選擇逐漸降低環(huán)境中的溫度大小和溶液折射率的大小、增加環(huán)境中溫度的大小同時(shí)降低溶液折射率的大小、降低環(huán)境中溫度的大小同時(shí)增加溶液折射率的大小多種方式的一種或多種。溶液折射率的改變可以選擇改變?nèi)芤弘x子半徑、增加溶液的濃度或降低溶液的濃度。

在本發(fā)明中，由于纖芯氣泡光纖和光纖光柵具有不同的溫度和溶液折射率傳感靈敏度，纖芯氣泡光纖與光纖光柵在溫度和溶液折射率改變的情況下產(chǎn)生不同的的波長漂移量。

本實(shí)施例中，通過對溫度和溶液折射率改變的情況下采集到纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波長漂移量，進(jìn)而擬合用于測量溫度和溶液折射率同時(shí)變化的曲線。本實(shí)施例的下文中，具體說明曲線擬合的方法。

曲線的擬合

在本實(shí)施例上述過程中，對溫度和溶液折射率的改變進(jìn)行記錄，得到溫度的變化量ΔT；溶液折射率的變化量Δh。如圖4所示本發(fā)明纖芯氣泡光纖的波長漂移示意圖，如圖5所示本發(fā)明光纖光柵的波長漂移示意圖，采集記錄的梳狀譜移動的長度，得到纖芯氣泡光纖的波長漂移量Δλ₁；光纖光柵的波長漂移量Δλ₂。

計(jì)算靈敏度曲線的斜率，得到纖芯氣泡光纖和光纖光柵的溫度靈敏度K_T1、K_T2；纖芯氣泡光纖和光纖光柵的溶液折射率靈敏度K_n1、K_n2。經(jīng)過矩陣計(jì)算得到纖芯氣泡光纖和光纖光柵的波長漂移量滿足如下關(guān)系：

對上述公式(1)得到關(guān)系進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)置計(jì)算得到：

其中，其中Δλ₁、Δλ₂分別為纖芯氣泡光纖和光纖光柵的波長漂移量；ΔT、Δn分別為溫度和溶液折射率的變化量；K_T1、K_T2分別為纖芯氣泡光纖和光纖光柵的溫度靈敏度；K_n1、K_n2分別為纖芯氣泡光纖和光纖光柵的溶液折射率靈敏度；D＝K_T1K_n2-K_T2K_n1。

溫度和溶液折射率的同時(shí)測量

本實(shí)施例以溫度和溶液折射率均變化的環(huán)境中說明本發(fā)明的溫度和溶液折射率的同時(shí)測量。將所述測量系統(tǒng)的纖芯氣泡光纖與光纖光柵置于溫度和溶液折射率同時(shí)變化的環(huán)境中，以纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波谷作為采樣點(diǎn)，記錄纖芯氣泡光纖與光纖光柵的梳狀譜移動的長度，從而得到纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波長漂移量。這里以纖芯氣泡光纖波長漂移量Δλ₁為例，光纖光柵傳感器波長漂移量Δλ₂為例。

由公式直接讀取溫度和溶液折射率的變化量，從而實(shí)現(xiàn)溫度和溶液折射率的同時(shí)測量。

本發(fā)明將纖芯氣泡光纖和光纖光柵熔接在一起，由于光纖光柵和錯(cuò)位干涉結(jié)構(gòu)具有不同的溫度和溶液折射率傳感靈敏度，纖芯氣泡光纖與光纖光柵在溫度和溶液折射率改變的情況下產(chǎn)生不同的的波長漂移量，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對溫度以及溶液折射率進(jìn)行測量。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。