(一)技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域，特別是一種基于少模光纖錐結(jié)構(gòu)的進(jìn)行溫度和折射率雙參量同時(shí)測量的光纖傳感器及其制備方法。

(二)

背景技術(shù)：
：

光纖通信技術(shù)愈加成熟，其中，光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維通訊技術(shù)而發(fā)展起來新型傳感技術(shù)?；诖思夹g(shù)發(fā)展起來的光纖傳感器，由于其輕便，體小，功耗低，抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)在許多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用于測量各種物理量，例如，在化學(xué)領(lǐng)域中的溶液濃度檢測，在環(huán)境領(lǐng)域中的水質(zhì)檢測，溫度檢測，在生物領(lǐng)域中的細(xì)胞培養(yǎng)基實(shí)時(shí)監(jiān)測等等。

光纖傳感器在眾多領(lǐng)域被廣泛研究與應(yīng)用，其中干涉式光纖傳感器發(fā)展尤為迅速，并且對于基于在線型馬赫增德爾干涉儀傳感器的結(jié)構(gòu)、被測量、靈敏度等方面，人們進(jìn)行了大量的研究、創(chuàng)新與改進(jìn)，出現(xiàn)了許多新的耦合結(jié)構(gòu)如偏芯、纖芯失配、凹凸錐、花生錐與光纖光柵級聯(lián)等。

在實(shí)際測量中，測折射率、應(yīng)變、位移、壓力、濕度等時(shí)，都會伴隨著溫度的影響，造成交叉靈敏度問題，根據(jù)不同模式間的干涉及光纖光柵的特性對被測量的靈敏度不同，利用靈敏度矩陣，可以消除傳感測量中的交叉靈敏問題，從而可以做到雙參量甚至多參量測量。

(三)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于少模光纖錐結(jié)構(gòu)的雙參量光纖傳感器及制備方法，通過溫度與折射率的同時(shí)測量，能夠克服溫度對折射率帶來的交叉靈敏度影響，并且進(jìn)一步提高靈敏度。該光纖傳感器針對具有光纖光柵的結(jié)構(gòu)，成本低，針對用分秒激光等技術(shù)制作錐結(jié)構(gòu)，操作簡單，易于制作，有利于在各領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種基于少模光纖錐結(jié)構(gòu)的雙參量光纖傳感器，其特征在于它包括入射端單模光纖、少模光纖和出射端單模光纖；其中，所述入射端單模光纖、少模光纖和出射端單模光纖呈串聯(lián)方式依次連接；所述入射端單模光纖、少模光纖和出射端單模光纖外有包層；所述少模光纖處的包層上制有錐結(jié)構(gòu)。

所述入射端單模光纖的輸入端連接寬帶光源；所述出射端單模光纖的輸出端連接光譜分析儀。

所述少模光纖是具有兩個(gè)錐結(jié)構(gòu)的少模光纖。

所述錐結(jié)構(gòu)的腰椎直徑為50-65μm，錐區(qū)長度為420-450μm，兩錐間距1-3cm。

所述少模光纖處的包層上的錐結(jié)構(gòu)至少為兩個(gè)。

所述入射端單模光纖與出射端單模光纖是康寧smf-28e系列光纖結(jié)構(gòu)，其纖芯直徑為9μm，包層直徑為125μm。

所述少模光纖位于光纖傳感器的中間段，采用長飛光纖光纜公司生產(chǎn)的少模光纖，其纖芯直徑為18μm，包層直徑為125μm。

一種基于少模光纖錐結(jié)構(gòu)的雙參量光纖傳感器的制備方法，其特征在于它包括以下步驟：

(1)將一段端面切割平整且除去涂覆層的單模光纖與一段端面切割平整且除去涂覆層的少模光纖放在熔接機(jī)的左右側(cè)夾具中，蓋上防風(fēng)罩，選擇熔接程序進(jìn)行自動熔接，放電后少模光纖與單模光纖完成連接；

(2)在步驟(1)中的少模光纖上用切割刀將其端面切割平整與另一段端面切割平整且除去涂覆層的單模光纖放到光纖熔接機(jī)的左右光纖夾具中，蓋上防風(fēng)罩，選擇熔接程序進(jìn)行自動熔接，放電后少模光纖與另一段單模光纖完成連接；

(3)將步驟(1)和(2)制成的結(jié)構(gòu)放入熔接機(jī)中，將中間段的少模光纖放在熔接機(jī)兩個(gè)電機(jī)的中間部分，調(diào)整好位置，用兩側(cè)的光纖夾具固定好準(zhǔn)備打錐，然后進(jìn)行放電，在少模光纖上制得1個(gè)錐結(jié)構(gòu)；

(4)調(diào)整少模光纖的位置，使用精密的位移平臺控制兩個(gè)錐的間距，用同樣的方法制作第2個(gè)錐結(jié)構(gòu)，從而制得最終傳感結(jié)構(gòu)。

所述步驟(1)中的光纖熔接機(jī)是型號為fitelfurukawaelectrics178的光纖熔接機(jī)。

所述步驟(2)中的用切割刀將少模光纖的端面切割平整的位置在少模光纖的3-6cm處。

所述步驟(1)和步驟(2)中的光纖熔接機(jī)的熔接程序選擇smf-mmf，放電強(qiáng)度為100-120bit，時(shí)間為2950-3000ms。

所述步驟(4)再在距第一個(gè)錐2.5cm處用同樣的方法制作第二個(gè)錐結(jié)構(gòu)，放電強(qiáng)度為100-120bit，時(shí)間為2950-3000ms，從而制得最終傳感結(jié)構(gòu)。

一種基于少模光纖錐結(jié)構(gòu)的雙參量光纖傳感器的檢測方法，其特征在于它包括以下步驟：

(1)由入射端單模光纖采集寬帶光源的光信號，并傳輸?shù)缴倌９饫w的熔接處；由于少模光纖與入射端單模光纖的纖芯直徑不匹配，會激發(fā)出更高階的纖芯模式，并且與纖芯基模共同在中間段少模光纖向前傳輸；

(2)當(dāng)光經(jīng)過少模光纖的錐結(jié)構(gòu)時(shí)，由于在錐形區(qū)域，光纖直徑銳減，光纖結(jié)構(gòu)的變化會改變少模光纖的倏逝場，并激發(fā)包層模式，被激發(fā)出來的模式與纖芯基模會使光沿著少模光纖傳輸?shù)匠錾涠藛文９饫w與少模光纖的熔接處，并進(jìn)行重新耦合，滿足相位匹配條件的模式之間將發(fā)生干涉，形成干涉譜；

(3)中間段的帶有兩個(gè)錐結(jié)構(gòu)的少模光纖作為傳感區(qū)，其周圍溫度與折射率的變化會導(dǎo)致干涉譜的變化，從而實(shí)現(xiàn)溫度與折射率的測量，再利用靈敏度矩陣實(shí)現(xiàn)溫度與折射率的同時(shí)測量；

(4)光由出射端單模光纖輸出到光譜分析儀，對其作進(jìn)一步的光譜分析及數(shù)據(jù)記錄。

本發(fā)明的工作原理：入射端單模光纖與少模光纖進(jìn)行熔接，光從入射端單模光纖進(jìn)入中間段少模光纖時(shí)，由于纖芯失配，會激發(fā)出更高階的纖芯模式并與纖芯基模一同在少模光纖中傳輸；并且使用熔接機(jī)在少模光纖制造兩個(gè)錐結(jié)構(gòu)，在錐形區(qū)域，由于光纖直徑銳減，多個(gè)包層模式將被激發(fā)，這樣纖芯模式與包層模式在少模光纖中一同向前傳輸；少模光纖與出射端單模光纖熔接，當(dāng)各模式傳輸?shù)匠錾涠藛文９饫w和少模光纖熔接處時(shí)發(fā)生模式的耦合和干涉；中間段的少模光纖既作為傳感區(qū)，又作為耦合器，兩個(gè)錐結(jié)構(gòu)不僅會激發(fā)出包層模式，而且會增加倏逝場效應(yīng)，從而有效提高靈敏度。

本發(fā)明的優(yōu)越性：該光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡易，主要使用光纖熔接機(jī)對不同芯徑的單模光纖與少模光纖進(jìn)行簡單熔接以及在少模光纖上制作錐結(jié)構(gòu)即可完成傳感結(jié)構(gòu)的制作；通過對溫度與折射率進(jìn)行同時(shí)測量，消除溫度的交叉敏感問題，在中間段少模光纖上制作的兩個(gè)錐結(jié)構(gòu)，同時(shí)增加了倏逝場效應(yīng)，進(jìn)一步提高靈敏度；并且該傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、成本低，制作技術(shù)簡單，因而更有利于在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

(四)附圖說明：

圖1為本發(fā)明所涉一種基于少模光纖錐結(jié)構(gòu)的雙參量光纖傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所涉一種基于少模光纖錐結(jié)構(gòu)的雙參量光纖傳感器的檢測方法的示意圖。

圖3為本發(fā)明所涉一種基于少模光纖錐結(jié)構(gòu)的雙參量光纖傳感器的檢測方法的透射譜圖。

其中，1為入射端單模光纖；2為少模光纖；3為兩個(gè)錐結(jié)構(gòu)；4為出射端單模光纖；5為該傳感器結(jié)構(gòu)；6為寬帶光源；7為光譜分析儀；8為恒溫板；9為待測溶液。

(五)具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

實(shí)施例：

一種基于少模光纖錐結(jié)構(gòu)的雙參量光纖傳感器(見圖1)，其特征在于它包括入射端單模光纖1、少模光纖2和出射端單模光纖4；其中，所述入射端單模光纖1、少模光纖2和出射端單模光纖4呈串聯(lián)方式依次連接；所述入射端單模光纖1、少模光纖2和出射端單模光纖4外有包層；所述少模光纖2處的包層上制有錐結(jié)構(gòu)。

所述入射端單模光纖1的輸入端連接寬帶光源6連接；所述出射端單模光纖4的輸出端連接光譜分析儀7(見圖1)。

所述少模光纖2是具有兩個(gè)錐結(jié)構(gòu)3的少模光纖(見圖1)。

所述錐結(jié)構(gòu)3的腰椎直徑為50μm，錐區(qū)長度為430μm，兩錐間距2.5cm。

所述少模光纖2處的包層上的錐結(jié)構(gòu)為兩個(gè)(見圖1)。

所述入射端單模光纖1與出射端單模光纖4是康寧smf-28e系列光纖結(jié)構(gòu)，其纖芯直徑為9μm，包層直徑為125μm。

所述少模光纖2位于光纖傳感器5的中間段，采用長飛光纖光纜公司生產(chǎn)的少模光纖，其纖芯直徑為18μm，包層直徑為125μm。

一種基于少模光纖錐結(jié)構(gòu)的雙參量光纖傳感器的制備方法，其特征在于它包括以下步驟：

(1)將一段端面切割平整且除去涂覆層的單模光纖與一段端面切割平整且除去涂覆層的少模光纖2放在熔接機(jī)的左右側(cè)夾具中，蓋上防風(fēng)罩，選擇熔接程序進(jìn)行自動熔接，放電后少模光纖2與單模光纖完成連接；

(2)在步驟(1)中少模光纖2的6cm處用切割刀將其端面切割平整與另一段端面切割平整且除去涂覆層的單模光纖放到光纖熔接機(jī)的左右光纖夾具中，蓋上防風(fēng)罩，選擇熔接程序進(jìn)行自動熔接，放電后少模光纖2與另一段單模光纖完成連接；

少模光纖的端面平整切割處的位置是是通過實(shí)驗(yàn)對采取不同長度的少模光纖獲得的干涉譜進(jìn)行觀察，在少模光纖為6cm時(shí)，能夠獲得良好的干涉譜，最大消光比達(dá)到9db，如圖3所示。

(3)將步驟(1)和(2)制成的結(jié)構(gòu)放入熔接機(jī)中，將中間段的少模光纖2放在熔接機(jī)兩個(gè)電機(jī)的中間部分，調(diào)整好位置，用兩側(cè)的光纖夾具固定好準(zhǔn)備打錐，然后進(jìn)行放電，在少模光纖上制得1個(gè)錐結(jié)構(gòu)；

(4)調(diào)整少模光纖2的位置，使用精密的位移平臺控制兩個(gè)錐的間距，用同樣的方法制作第2個(gè)錐結(jié)構(gòu)，從而制得最終傳感結(jié)構(gòu)。

所述步驟(1)中的光纖熔接機(jī)是型號為fitelfurukawaelectrics178的光纖熔接機(jī)。

所述步驟(1)和步驟(2)中的光纖熔接機(jī)的熔接程序選擇smf-mmf，放電強(qiáng)度為100bit，時(shí)間為3000ms。

所述步驟(4)再在距第一個(gè)錐2.5cm處用同樣的方法制作第二個(gè)錐結(jié)構(gòu)，放電強(qiáng)度為100bit，時(shí)間為1000ms，從而制得最終傳感結(jié)構(gòu)。

一種基于少模光纖錐結(jié)構(gòu)的雙參量光纖傳感器的檢測方法(見圖2)，其特征在于它包括以下步驟：

(1)由入射端單模光纖1采集寬帶光源6的光信號，并傳輸?shù)缴倌９饫w2的熔接處；由于少模光纖2與入射端單模光纖1的纖芯直徑不匹配，進(jìn)而會激發(fā)出更高階的纖芯模式，并且與纖芯基模共同在中間段少模光纖2向前傳輸；

(2)當(dāng)光經(jīng)過少模光纖2的錐結(jié)構(gòu)時(shí)，由于在錐形區(qū)域，光纖直徑銳減，光纖結(jié)構(gòu)的變化會改變少模光纖2的倏逝場，并激發(fā)包層模式，被激發(fā)出來的模式與纖芯基模會使光沿著少模光纖2傳輸?shù)匠錾涠藛文９饫w4與少模光纖2的熔接處，這些模式將進(jìn)行重新耦合，滿足相位匹配條件的各模式之間將發(fā)生干涉，形成干涉譜。

(3)中間段的帶有兩個(gè)錐結(jié)構(gòu)3的少模光纖2作為傳感區(qū)，其周圍溫度與折射率的變化會導(dǎo)致干涉譜的變化，從而實(shí)現(xiàn)溫度與折射率的測量，再利用靈敏度矩陣實(shí)現(xiàn)溫度與折射率的同時(shí)測量；

(4)光由出射端單模光纖4的輸出端連接光譜分析儀7，對其作進(jìn)一步的光譜分析及數(shù)據(jù)記錄。

如圖1所示，一種基于少模光纖錐結(jié)構(gòu)的雙參量測量的光纖傳感器，由入射端單模光纖1、少模光纖2、少模光纖上的兩個(gè)錐結(jié)構(gòu)3和出射端單模光纖4串聯(lián)組成光纖傳感結(jié)構(gòu)；入射端單模光纖1與出射端單模光纖4均為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，康寧smf-28e，其纖芯直徑9μm，包層直徑125μm，中間段的少模光纖2是由長飛光纖光纜公司生產(chǎn)的，纖芯直徑為18μm，包層直徑為125μm。

光從入射端單模光纖1傳輸?shù)脚c單模光纖的熔接處，由于纖芯失配，在中間段少模光纖2的纖芯激發(fā)出高階纖芯模式，在光經(jīng)過錐形區(qū)域時(shí)，由于光纖直徑的變化，激發(fā)出包層模式并與纖芯模式一同向前傳輸；少模光纖2與出射端單模光纖4熔接，光在出射端單模光纖4和少模光纖2熔接處發(fā)生模式的耦合，滿足相位匹配條件的模式之間將發(fā)生干涉。少模光纖2即作為耦合器，又作為傳感區(qū)，兩個(gè)錐結(jié)構(gòu)的腰椎直徑為50μm，錐區(qū)長度為430μm，兩錐間距2.5cm。

具體檢測方法，如圖2所示：

將入射端單模光纖1與寬帶光源6連接，出射端單模光纖4與光譜分析儀7連接，將制作好的傳感器結(jié)構(gòu)5無彎曲地固定在裝有待測溶液9的器皿中，該傳熱器皿固定在恒溫板8上。設(shè)置恒溫板8溫度變化范圍為25-80℃，采用水浴加熱的方法，每隔5℃記錄一次數(shù)據(jù)。根據(jù)所測數(shù)據(jù)，即可得出外界溫度改變與光譜偏移量的關(guān)系，傳感結(jié)構(gòu)5是浸沒在待測溶液9中的，在室溫25℃的情況下，然后改變待測溶液9的折射率并用阿貝折射率儀記錄折射率值，根據(jù)所測數(shù)據(jù)，即可得出外界折射率改變與光譜偏移量的關(guān)系。

圖3為該光纖傳感器的透射譜圖，當(dāng)該傳感器的周圍環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，通過觀察干涉譜中干涉谷dip1與dip2波長的漂移量，可以得出對應(yīng)于兩個(gè)谷的溫度靈敏度和折射率靈敏度，再通過結(jié)合靈敏度矩陣方程，就能得到實(shí)現(xiàn)溫度與折射率的同時(shí)測量。