一种基于马赫‑曾德干涉仪的温度与折射率同步测量的光纤传感器的制作方法

本发明提供了一种基于马赫-曾德干涉仪的温度与折射率同步测量的光纤传感器，属于光纤传感领域。

背景技术：

光纤传感器已经被广泛的应用到光传感技术领域，例如温度、应力、折射率和湿度等领域。与传统的传感器相比，光纤传感器具有体积小、抗腐蚀、抗电磁干扰和灵敏度高等优点。典型的光纤传感器如长周期光纤光栅，布拉格光栅还有基于光子晶体光纤，空芯光纤等一些特种光纤的光纤传感器。在工程应用中，温度和折射率是需要被测量的重要参数。但是在测量的过程中，中心波长不仅会随着光纤温度发生改变，而且还会随着外界折射率的改变而改变，即存在温度和折射率交叉敏感的问题。因此在测量过程中解决对温度和折射率同步测量的问题具有重要意义。

全光纤的马赫-曾德干涉仪具有灵敏度高，制作简单、成本低、结构微小等优点。可用于折射率、温度等参量的测量。因此一种成本低廉，制作简单并且可以同步测量温度和折射率的新型的光纤传感器被提出。在单模光纤上，将一个锥结构级联在两个球形结构之间，形成一个MZI(Mach-Zehnder interferometer)。其干涉谱对温度和折射率具有不同的响应灵敏度，利用矩阵法，即可实现双参量的同步测量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于马赫-曾德干涉仪的温度与折射率同步测量的光纤传感器。该传感器可以通过强度解调实现同步测量温度和折射率双参量的同步测量，并且具有结构紧凑微小，成本低等优点。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于马赫-曾德干涉仪的温度与折射率同步测量的光纤传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、第一个球形结构(2)、细锥结构(3)、第二个球形结构(4)、出射光纤(5)组成；细锥结构(3)和两个球形结构(2)、(4)构成全光纤马赫-曾德干涉仪。

一种基于马赫-曾德干涉仪的温度与折射率同步测量的光纤传感器其特征在于：入射光纤(1)、细锥结构(3)、出射光纤(5)均可采用G.652单模光纤，细锥结构(3)的直径d_t为105.98μm，长度l_t为440.05μm。

一种基于马赫-曾德干涉仪的温度与折射率同步测量的光纤传感器其特征在于：球形结构(2)、(4)均可采用G.652单模光纤，球形结构(2)、(4)的外层光纤直径d为225.20μm，长度l为200.00μm。

本发明的工作原理是：

光纤传感器结构由一段锥结构的单模光纤熔接在两个球形结构中间组成，其中球形结构用来激发高阶包层模，细锥结构可以提高传输光的倏逝场穿透深度范围，使得在传输区域传输的光更易受到外界环境的影响。在输入光纤中传输的光经过第一个球形结构时分束，一部分光继续在纤芯中传输，另一部分光在包层中传输，这个球结构起到分束器的作用，当两束光到达另一个球结构时，此时这个球结构起到耦合器的作用，使得包层中传输的光进入纤芯与纤芯中传输的光发生干涉。由于纤芯与包层的有效折射率不同，经过一段干涉区域后产生一定的干涉差，即在光谱仪上显示干涉光谱，其干涉光强度分布的公式为：

其中I_core和I_cladding分别为在纤芯与在包层中传输的光的光强，Φ₀是初始相位，Φ是纤芯模与包层模的相位差。其中Δ_neff是纤芯与包层之间的有效折射率差，λ为工作波长，L是干涉长度。当相位差Φ＝(2m+1)π时，m＝0，1，2，3，...，就会产生强度最低时的波长，其表达式为

随着外界温度的变化，热膨胀系数和热光系数发生改变，Δ_neff是变化的，因为外界环境的改变不会影响纤芯的有效折射率，而会直接影响包层的有效折射率，这说明λ_m随着外界温度与折射率的变化而变化。因此可通过监测波长变化测量温度的变化。同时随着温度与折射率的变化，有效折射率差Δ_neff影响相位差Φ的变化，由干涉光强度分布的公式可知Φ影响了光强I的变化，因此可以通过光强强度的变化来监测外界温度与折射率的变化。

传感器可同步测量折射率和温度的工作机理如下：

当传感器的温度不变，折射率变化时，传感器透射谱Dip-A和Dip-B强度都发生漂移，但是漂移的程度不同，波长基本不漂移。当传感器的外界折射率不变，温度变化时，Dip-A和Dip-B强度和波长都发生漂移。温度和折射率的变化都会导致传感器透射谱中波谷强度的漂移。由MZI导致的波谷波长Dip-A的漂移为ΔP_Dip-A＝k_T1T+k_R1R其中k_T1和k_R1分别为Dip-A温度和折射率的灵敏度。Dip-B的漂移为ΔP_Dip-B＝k_T2T+k_R2R其中k_T2和k_R2分别为Dip-B温度和折射率的灵敏度。

由于k_T1≠k_T2，k_R1≠k_R2，可重新写成

通过矩阵变换变化为：

温度和折射率同时测量可以通过测量Dip-A和Dip-B透射光谱强度来实现。

附图说明

图1是本发明的一种基于马赫-曾德干涉仪的光纤传感器结构示意图

图2是本发明的不同折射率下透射光谱图

图3是本发明的强度漂移量与折射率的关系图

图4是本发明的不同温度下透射光谱图

图5是本发明的强度漂移量与温度的关系图

具体实施方式

图1为一种基于马赫-曾德干涉仪的光纤传感器结构示意图。在折射率实验中，温度加热板处于室温状态，然后逐渐用滴管滴加折射率液，折射率液是由甘油配置而成的，折射率液的范围为1.3432到1.4026。将传感器结构的两端固定住，用滴管将不同折射率的甘油溶液分别滴在结构上，每测量一种折射率液体，就用去离子水进行清洗晾干，直到光谱图漂移回原来没有滴加任何折射率液的位置，从而可以避免测量不精准。图2为不同折射率液下的Dip-A和Dip-B的光谱变化图。Dip-A和Dip-B的强度漂移量与折射率的关系如图3所示，灵敏度分别为80.59dB/RIU(refractive index unit)，100.03dB/RIU。

在温度实验中，传感器的两端被固定在加热板上。将传感器浸没在折射率为1.3432甘油溶液中，温度的变化范围从10℃到100℃，滴加不同折射率的甘油溶液，监测随着温度的变化光谱的变化。可以发现在光谱仪上监测到Dip-A和Dip-B的波长移动超过5nm，Dip-A强度变化超过4dB，Dip-B强度变化接近1dB如图4所示。Dip-A和Dip-B的强度漂移量与温度的关系如图5所示，灵敏度为0.0459dB/℃、0.0112dB/℃。将上述实验中测得的各灵敏度系数代入矩阵方程可得公式

通过光谱仪测量出Dip-A和Dip-B的强度漂移量，温度和折射率的变化量就可以通过矩阵公式计算得出，从而实现对温度和折射率的同步测量。