全光纤折射率和温度传感器及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤传感和生物化学领域，特别是一种可以对液体的折射率和温度进 行同时测量的光纤传感器。具体讲，本发明涉及一种在普通光纤布拉格光栅（FBG)旁串联 一个水滴状弯曲结构（曲率半径为毫米量级）的全光纤折射率和温度传感器。
【背景技术】
[0002] 光纤传感器因为具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、传感距离长等优点，近年来 受到了广泛的关注和研宄。折射率和温度作为液体的两个重要参量，对其进行实时、准确的 测量在生物化学等领域具有重要的意义。利用FBG本身对外界折射率变化不敏感的特性， 人们提出了将FBG与另一个光纤折射率传感器串联，同时对两个特征波长进行监测，来实 现对温度和折射率同时测量的方法。基于此方法，至今已经有多种结构的传感器被提出，例 如将FBG与一个单模-无芯-单模光纤结构、或者一个利用错位熔接技术形成的干涉仪结 构、或者一个光纤型法布里-珀罗微腔结构进行串联。然而在这些现有的传感器的制作过 程中，或者需要特殊的光纤或者需要特殊的光纤熔接技术，这些都增加了传感器的制作难 度和成本，阻碍了此类传感器的实用化。因此，如何改进此类传感器的结构来降低成本和制 作难度就显得尤为重要。
【发明内容】
[0003] 为克服现有技术的不足，提供一种简单的能够对对温度和折射率进行同时测量的 全光纤传感器，其结构简单，不需要其他特殊的光纤或者特殊的熔接技术即可进行制作。为 此，本发明采取的技术方案是，全光纤折射率和温度传感器，由FBG、水滴状的单模光纤弯曲 结构、毛细管构成，FBG的一侧尾纤通过毛细管后再经毛细管折回，形成水滴状的弯曲结构， 水滴状的弯曲结构的光纤的一部分涂覆层被去除，毛细管端部用胶水对通过的光纤予以固 定。
[0004] 弯曲结构的曲率半径为毫米量级；毛细管为内径500ym~800ym的玻璃管，长度 为2mm~5mm;胶水为502胶、AB胶、或UV胶。
[0005] 全光纤折射率和温度测量方法：首先用光纤钳将FBG附近的一部分光纤的涂覆层 剥离并用酒精清洁干净；固定毛细管不动，使FBG-侧的尾纤穿过毛细管的内部，持续拉 动尾纤使去涂覆层部分的光纤刚好穿过毛细管为止，然后将同一侧的尾纤折回并穿过毛细 管，继续拉动尾纤直至在毛细管的一端出现水滴状的弯曲结构；通过拉动或者推送毛细管 附近的光纤来调节弯曲结构的曲率，并且保证去涂覆层的光纤处于弯曲结构的部分；最后 在毛细管的端口附近点胶以对弯曲结构进行固定，利用FBG和弯曲结构对外界温度和折射 率的响应不同，便可对温度和折射率进行同时测量。
[0006] 对于宽带宽的入射光，输出光的透射率谱线中会出现多个波谷，其中FBG形成一 个透射率谱线波谷，弯曲结构形成其余波谷，通过监测FBG对应的波谷和另一个波谷的中 心波长的漂移量，利用相应的解调矩阵来得到外界温度和折射率的变化量；在原有的温度 和折射率值的基础上加上相应的变化量，便可得到外界温度和折射率的绝对值；其中解调 公式表示为如下的矩阵形式：
【主权项】
1. 一种全光纤折射率和温度传感器，其特征是，由FBG、水滴状的单模光纤弯曲结构、 毛细管构成，FBG的一侧尾纤通过毛细管后再经毛细管折回，形成水滴状的弯曲结构，水滴 状的弯曲结构的光纤的一部分涂覆层被去除，毛细管端部用胶水对通过的光纤予以固定。
2. 如权利要求1所述的一种全光纤折射率和温度传感器，其特征是，弯曲结构的曲率 半径为毫米量级；毛细管为内径500 μ m~800 μ m的玻璃管，长度为2mm~5mm ;胶水为502 胶、AB胶、或UV胶。
3. -种全光纤折射率和温度测量方法，其特征是，首先用光纤钳将FBG附近的一部分 光纤的涂覆层剥离并用酒精清洁干净；固定毛细管不动，使FBG-侧的尾纤穿过毛细管的 内部，持续拉动尾纤使去涂覆层部分的光纤刚好穿过毛细管为止，然后将同一侧的尾纤折 回并穿过毛细管，继续拉动尾纤直至在毛细管的一端出现水滴状的弯曲结构；通过拉动或 者推送毛细管附近的光纤来调节弯曲结构的曲率，并且保证去涂覆层的光纤处于弯曲结构 的部分；最后在毛细管的端口附近点胶以对弯曲结构进行固定，利用FBG和弯曲结构对外 界温度和折射率的响应不同，便可对温度和折射率进行同时测量。
4. 如权利要求3所述的全光纤折射率和温度测量方法，其特征是，利用FBG和弯曲结构 对外界温度和折射率的响应不同的特性，对于宽带宽的入射光，输出光的透射率谱线中会 出现多个波谷，其中FBG形成一个透射率谱线波谷，弯曲结构形成其余波谷，通过监测FBG 对应的波谷和另一个波谷的中心波长的漂移量，利用相应的解调矩阵来得到外界温度和折 射率的变化量；在原有的温度和折射率值的基础上加上相应的变化量，便可得到外界温度 和折射率的绝对值；其中解调公式表示为如下的矩阵形式：
其中ΛΤ和Λη表示外界温度和折射率的变化量；Λ \ ^和Λ λ drop分别表示FBG和 水滴状弯曲结构对应的波谷的中心波长的变化量；ξ T，FBe和ξ T，dMp分别表示FBG和弯曲结 构的温度灵敏度，和ξ 分别表示FBG和弯曲结构的折射率灵敏度，此四个量可以 直接通过实验标定来得到。
【专利摘要】本发明涉及光纤传感和生物化学领域，为提供一种简单的能够对温度和折射率进行同时测量的全光纤传感器，其结构简单，不需要其他特殊的光纤或者特殊的熔接技术即可进行制作。为此，本发明采取的技术方案是，全光纤折射率和温度传感器，由FBG、水滴状的单模光纤弯曲结构、毛细管构成，FBG的一侧尾纤通过毛细管后再经毛细管折回，形成水滴状的弯曲结构，水滴状的弯曲结构的光纤的一部分涂覆层被去除，毛细管端部用胶水对通过的光纤予以固定。本发明主要应用于光纤传感的设计制造。
【IPC分类】G01K11-32, G01D5-353, G01N21-41
【公开号】CN104655590
【申请号】CN201510070447
【发明人】刘铁根, 陈耀飞, 韩群, 刘芳超, 姚蕴秩
【申请人】天津大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月10日