本發(fā)明提供了一種基于馬赫-曾德干涉儀的溫度與折射率同步測量的光纖傳感器，屬于光纖傳感領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光纖傳感器已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到光傳感技術(shù)領(lǐng)域，例如溫度、應(yīng)力、折射率和濕度等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有體積小、抗腐蝕、抗電磁干擾和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。典型的光纖傳感器如長周期光纖光柵，布拉格光柵還有基于光子晶體光纖，空芯光纖等一些特種光纖的光纖傳感器。在工程應(yīng)用中，溫度和折射率是需要被測量的重要參數(shù)。但是在測量的過程中，中心波長不僅會隨著光纖溫度發(fā)生改變，而且還會隨著外界折射率的改變而改變，即存在溫度和折射率交叉敏感的問題。因此在測量過程中解決對溫度和折射率同步測量的問題具有重要意義。

全光纖的馬赫-曾德干涉儀具有靈敏度高，制作簡單、成本低、結(jié)構(gòu)微小等優(yōu)點(diǎn)?？捎糜谡凵渎省囟鹊葏⒘康臏y量。因此一種成本低廉，制作簡單并且可以同步測量溫度和折射率的新型的光纖傳感器被提出。在單模光纖上，將一個(gè)錐結(jié)構(gòu)級聯(lián)在兩個(gè)球形結(jié)構(gòu)之間，形成一個(gè)MZI(Mach-Zehnder interferometer)。其干涉譜對溫度和折射率具有不同的響應(yīng)靈敏度，利用矩陣法，即可實(shí)現(xiàn)雙參量的同步測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于馬赫-曾德干涉儀的溫度與折射率同步測量的光纖傳感器。該傳感器可以通過強(qiáng)度解調(diào)實(shí)現(xiàn)同步測量溫度和折射率雙參量的同步測量，并且具有結(jié)構(gòu)緊湊微小，成本低等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于馬赫-曾德干涉儀的溫度與折射率同步測量的光纖傳感器，其特征在于：由入射光纖(1)、第一個(gè)球形結(jié)構(gòu)(2)、細(xì)錐結(jié)構(gòu)(3)、第二個(gè)球形結(jié)構(gòu)(4)、出射光纖(5)組成；細(xì)錐結(jié)構(gòu)(3)和兩個(gè)球形結(jié)構(gòu)(2)、(4)構(gòu)成全光纖馬赫-曾德干涉儀。

一種基于馬赫-曾德干涉儀的溫度與折射率同步測量的光纖傳感器其特征在于：入射光纖(1)、細(xì)錐結(jié)構(gòu)(3)、出射光纖(5)均可采用G.652單模光纖，細(xì)錐結(jié)構(gòu)(3)的直徑d_t為105.98μm，長度l_t為440.05μm。

一種基于馬赫-曾德干涉儀的溫度與折射率同步測量的光纖傳感器其特征在于：球形結(jié)構(gòu)(2)、(4)均可采用G.652單模光纖，球形結(jié)構(gòu)(2)、(4)的外層光纖直徑d為225.20μm，長度l為200.00μm。

本發(fā)明的工作原理是：

光纖傳感器結(jié)構(gòu)由一段錐結(jié)構(gòu)的單模光纖熔接在兩個(gè)球形結(jié)構(gòu)中間組成，其中球形結(jié)構(gòu)用來激發(fā)高階包層模，細(xì)錐結(jié)構(gòu)可以提高傳輸光的倏逝場穿透深度范圍，使得在傳輸區(qū)域傳輸?shù)墓飧资艿酵饨绛h(huán)境的影響。在輸入光纖中傳輸?shù)墓饨?jīng)過第一個(gè)球形結(jié)構(gòu)時(shí)分束，一部分光繼續(xù)在纖芯中傳輸，另一部分光在包層中傳輸，這個(gè)球結(jié)構(gòu)起到分束器的作用，當(dāng)兩束光到達(dá)另一個(gè)球結(jié)構(gòu)時(shí)，此時(shí)這個(gè)球結(jié)構(gòu)起到耦合器的作用，使得包層中傳輸?shù)墓膺M(jìn)入纖芯與纖芯中傳輸?shù)墓獍l(fā)生干涉。由于纖芯與包層的有效折射率不同，經(jīng)過一段干涉區(qū)域后產(chǎn)生一定的干涉差，即在光譜儀上顯示干涉光譜，其干涉光強(qiáng)度分布的公式為：

其中I_core和I_cladding分別為在纖芯與在包層中傳輸?shù)墓獾墓鈴?qiáng)，Φ₀是初始相位，Φ是纖芯模與包層模的相位差。其中Δ_neff是纖芯與包層之間的有效折射率差，λ為工作波長，L是干涉長度。當(dāng)相位差Φ＝(2m+1)π時(shí)，m＝0，1，2，3，...，就會產(chǎn)生強(qiáng)度最低時(shí)的波長，其表達(dá)式為

隨著外界溫度的變化，熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)發(fā)生改變，Δ_neff是變化的，因?yàn)橥饨绛h(huán)境的改變不會影響纖芯的有效折射率，而會直接影響包層的有效折射率，這說明λ_m隨著外界溫度與折射率的變化而變化。因此可通過監(jiān)測波長變化測量溫度的變化。同時(shí)隨著溫度與折射率的變化，有效折射率差Δ_neff影響相位差Φ的變化，由干涉光強(qiáng)度分布的公式可知Φ影響了光強(qiáng)I的變化，因此可以通過光強(qiáng)強(qiáng)度的變化來監(jiān)測外界溫度與折射率的變化。

傳感器可同步測量折射率和溫度的工作機(jī)理如下：

當(dāng)傳感器的溫度不變，折射率變化時(shí)，傳感器透射譜Dip-A和Dip-B強(qiáng)度都發(fā)生漂移，但是漂移的程度不同，波長基本不漂移。當(dāng)傳感器的外界折射率不變，溫度變化時(shí)，Dip-A和Dip-B強(qiáng)度和波長都發(fā)生漂移。溫度和折射率的變化都會導(dǎo)致傳感器透射譜中波谷強(qiáng)度的漂移。由MZI導(dǎo)致的波谷波長Dip-A的漂移為ΔP_Dip-A＝k_T1T+k_R1R其中k_T1和k_R1分別為Dip-A溫度和折射率的靈敏度。Dip-B的漂移為ΔP_Dip-B＝k_T2T+k_R2R其中k_T2和k_R2分別為Dip-B溫度和折射率的靈敏度。

由于k_T1≠k_T2，k_R1≠k_R2，可重新寫成

通過矩陣變換變化為：

溫度和折射率同時(shí)測量可以通過測量Dip-A和Dip-B透射光譜強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種基于馬赫-曾德干涉儀的光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是本發(fā)明的不同折射率下透射光譜圖

圖3是本發(fā)明的強(qiáng)度漂移量與折射率的關(guān)系圖

圖4是本發(fā)明的不同溫度下透射光譜圖

圖5是本發(fā)明的強(qiáng)度漂移量與溫度的關(guān)系圖

具體實(shí)施方式

圖1為一種基于馬赫-曾德干涉儀的光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。在折射率實(shí)驗(yàn)中，溫度加熱板處于室溫狀態(tài)，然后逐漸用滴管滴加折射率液，折射率液是由甘油配置而成的，折射率液的范圍為1.3432到1.4026。將傳感器結(jié)構(gòu)的兩端固定住，用滴管將不同折射率的甘油溶液分別滴在結(jié)構(gòu)上，每測量一種折射率液體，就用去離子水進(jìn)行清洗晾干，直到光譜圖漂移回原來沒有滴加任何折射率液的位置，從而可以避免測量不精準(zhǔn)。圖2為不同折射率液下的Dip-A和Dip-B的光譜變化圖。Dip-A和Dip-B的強(qiáng)度漂移量與折射率的關(guān)系如圖3所示，靈敏度分別為80.59dB/RIU(refractive index unit)，100.03dB/RIU。

在溫度實(shí)驗(yàn)中，傳感器的兩端被固定在加熱板上。將傳感器浸沒在折射率為1.3432甘油溶液中，溫度的變化范圍從10℃到100℃，滴加不同折射率的甘油溶液，監(jiān)測隨著溫度的變化光譜的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)在光譜儀上監(jiān)測到Dip-A和Dip-B的波長移動(dòng)超過5nm，Dip-A強(qiáng)度變化超過4dB，Dip-B強(qiáng)度變化接近1dB如圖4所示。Dip-A和Dip-B的強(qiáng)度漂移量與溫度的關(guān)系如圖5所示，靈敏度為0.0459dB/℃、0.0112dB/℃。將上述實(shí)驗(yàn)中測得的各靈敏度系數(shù)代入矩陣方程可得公式

通過光譜儀測量出Dip-A和Dip-B的強(qiáng)度漂移量，溫度和折射率的變化量就可以通過矩陣公式計(jì)算得出，從而實(shí)現(xiàn)對溫度和折射率的同步測量。