基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器及方法与流程

本发明涉及用于气体/液体压强和温度同时检测领域，尤其涉及基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器及方法。

背景技术：

温度和压强同时检测技术在海洋、能源、工业等领域都具有重要的应用前景。由于全光纤传感器件具有尺寸小、响应速度快、成本低廉、抗电磁干扰等优点适应于恶劣环境工作。

目前，文献中已报道几种用于温度和压强同时检测的光纤传感器，然而传统的气体压强传感器通常不适宜于液体环境的检测，如典型的法布里铂罗干仪(fabry-peroty,fp)为了使得被测气体能够自由进出腔体，通常经过化学腐蚀或者激光微加工等方法制作微腔/微槽/微孔，从而形成开放式腔体结构。首先，经过过度加工的光纤结构通常脆弱易受环境振动影响；其次，液体溶液中杂质成分变化会引起fp腔体中光传输性能以及光程差的改变，从而产生测量误差。因此，对于非本征式fp腔体结构应用于海洋环境检测时，特殊材料的使用和高要求的外壳封装设计是必不可少的，这很大程度上增加了器件制作的成本和难度。另外，双干涉仪级联的传感方案，通常结构复杂且多个相似的周期性干涉条纹重叠使得信号分析和解调过程复杂化。此外，文献中报道的通过布拉格光纤光栅结合压力敏感的材料或几何结构检测方案，仍然存在结构复杂、寿命短、稳定性差等问题。同时，上述几种方案的检测范围和灵敏度都受限于附加材料的形变能力或fp腔的腔长大小。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器及方法，无需封装外壳设计及特殊的光纤端面处理即可实现水下深度和温度的同时测量，并且制作简单，成本低廉，抗干扰能力强，适用于液体环境中大范围、高灵敏度的压强和温度同时检测。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器，包括双模光纤，所述双模光纤的两端分别熔接有单模光纤，以形成两种芯子模式干涉的mzi-马赫增德干涉仪(mzi,mach-zehnderinterference)。

所述两种芯子模式干涉为两种圆对称芯子模式干涉，且干涉谱中存在一个易于识别的特征波长。

所述双模光纤在工作波长范围内支持lp01和lp02两种圆对称芯子模式传输，两种芯子模式的传播常数差在中心波长处达到最大值，因此在其传输谱中存在一个易于识别的特征波长，即拐点；随温度和液体压强的变化，该拐点左右两边最靠近特征波长的左峰1和右峰1的移动方向相反；每个峰值的响应灵敏度不同，越靠近拐点的峰值灵敏度越高，以此选作左峰1和右峰1为跟踪检测波长，从而同时检测温度和液体压强。

所述双模光纤包括芯子、3个内包层和纯石英外包层，接近芯子的内包层为第一个内包层，第一个内包层的周围环绕有第二个内包层，第二个内包层的外部环绕第三个内包层；折射率差值定义为：

δnco/cli＝(nco/cli-n0)/n0

其中，nco为芯子的折射率，cli为内包层的折射率，n0为外包层的折射率；

第一个内包层的折射率差值为负，第三个内包层的折射率差值小于第二个内包层的折射率差值，第二个内包层的折射率差值小于芯子的折射率差值。

所述芯子为高掺geo2的结构；第一个内包层为氟掺杂结构；第二个内包层和第三个内包层均为geo2掺杂的结构，且二者掺杂geo2的浓度不同。

基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的方法，设定左峰1的水压敏感度和温度敏感度分别为spl和stl，在水压变化为△p、温度变化为△t时，峰值对水压和温度的波长响应△λl1表示为△λl1＝spl△p+stl△t；设定右峰1的水压敏感度和温度敏感度分别为spr和str，峰值对水压和温度的波长响应△λr1表示为△λr1＝spr△p+str△t，构建以下矩阵方程：

将四个灵敏度响应系数，spl,spr,stl,str带入公式(1)，即可实现通过检测两个共振波长的移动实现液体压强和温度的同时测量。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

本发明采用的双模光纤在工作波长范围内支持lp01和lp02两种圆对称芯子模式传输，与传统的两个模式干涉的传输谱不同(传播常数差随波长成线性关系)，通过检测最靠近特征波长两侧干涉峰的波长移动，即可实现水下压强和温度的高灵敏度同时检测且不存在多值问题，不受液体环境中杂质或溶液折射率变化影响；并且通过增加双模光纤的长度还可进一步提高检测灵敏度，这不同于传统的fp型传感器其灵敏度和检测范围受限于附加材料形变量和小的fp腔长限制。因此，本发明提出的基于这种带特征波长的全光纤传感结构无需封装外壳设计及特殊的光纤端面处理即可实现水下深度和温度的同时测量，并且制作简单，成本低廉，抗干扰能力强，适用于液体环境中大范围、高灵敏度的压强和温度同时检测。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为双模光纤端面电镜扫描图；

图3为双模光纤端面结构示意图；

图4为本发明液压检测实验装置图；osa-光谱分仪，scs-超连续激光光源，dmf-双模光纤，mzi-马赫增德干涉，smf-单模光纤；

图5为本发明随液体压强变化的传输光谱图。

附图标记：双模光纤1，单模光纤2。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本实施例包括双模光纤1，所述双模光纤1(dmf,dualmodefiber)的两端分别熔接有单模光纤2(smf，singlemodefiber)，以形成两个圆对称芯子模式干涉的mzi-马赫增德干涉仪。

如图2～3所示，所述双模光纤包括芯子(dco)、3个内包层(dcl1，dcl2，dcl3)和纯石英外包层；接近芯子的内包层为第一个内包层dcl1，第一个内包层的周围环绕有第二个内包层dcl2，第二个内包层的外部环绕第三个内包层dcl3；有效折射率即折射率差值定义为：

δnco/cli＝(nco/cli-n0)/n0

其中，nco为芯子的折射率，cli为内包层的折射率，n0为外包层的折射率；具体地，i为内包层数，cl1表示第一个内包层的折射率，cl2表示第二个内包层的折射率，cl3表示第三个内包层的折射率；

本实施例中，第一个内包层的折射率差值为负，第三个内包层的折射率差值小于第二个内包层的折射率差值，第二个内包层的折射率差值小于芯子的折射率差值；

具体地，所述芯子为高掺geo2的结构，接近芯子的第一个内包层是折射率差值为负的氟掺杂的“沟道”，周围环绕的第二个内包层为折射率差值为正的geo2掺杂的“桥梁”，外部再环绕第三个内包层geo2掺杂的“桥梁”后，包覆一层纯sio2作为外包层；第二个内包层和第三个内包层均为geo2掺杂的结构，且二者掺杂geo2的浓度不同。

本发明制作的具体步骤如下：首先，去除dmf光纤表面的涂覆层并用酒精擦拭洁净后，将切割平整的dmf光纤放入光纤熔接机完成与smf光纤引线的自动熔接，即形成基于双模光纤可同时测量液体压强和温度的传感器。

如图4所示，以dmf-mzi标记本发明传感器，将该传感器放入水压试验箱中进行测试，并与超连续激光光源(scs)和光谱仪(osa)连接就可以实现双参量检测，光从覆盖光纤测试波段的超连续激光光源输出，通过传感器后，由光谱仪接收记录在测量过程中干涉光谱对外界压强和温度的响应情况。成品定标后，可以直接读出液体温度和压强值。当温度和压强变化时，打开电源即可实时监测。

本发明的检测原理如下：

传统的少模光纤支持包括lp11在内的几种高阶纤芯模式，并可能在测量过程中引起偏振相关的问题，而本发明基于双模光纤中两个芯子模叠加干涉原理，即马赫增德干涉，具有优异的偏振性能。所述双模光纤在工作波长范围内支持lp01和lp02两种圆对称芯子模式传输，两种芯子模式的传播常数差在中心波长处达到最大值，因此在其传输谱中存在一个易于识别的特征波长，即拐点；

如图5所示，为实验测得的使用长度为34cm双模光纤制得的mzi传输谱，由于二氧化硅材料本身的热膨胀、热光效应以及光弹效应，光纤纤芯中两个芯子模式的等效折射率和光纤伸长量会受到温度和液压调制，温度和液压变化将引起两个模式的相位差发生改变，从而引起干涉谱的移动；

当外环境液体压强或温度变化时，其特征波长两侧的干涉峰向反方向移动，通过检测最靠近特征波长两侧干涉峰的波长移动，即可实现水下压强和温度的高灵敏度同时检测且不存在多值问题；

本实施例中，设定的左峰1的水压敏感度和温度敏感度分别为spl和stl，在水压变化为△p、温度变化为△t时，峰值对水压和温度的波长响应△λl1表示为△λl1＝spl△p+stl△t；设定右峰1的水压敏感度和温度敏感度分别为spr和str，峰值对水压和温度的波长响应△λr1表示为△λr1＝spr△p+str△t，因此，可以通过求解以下传感器矩阵方程来实现同时测量水压和温度的方法：

实验中，测量可得到两个最接近特征波长的峰值波长处对温度和液压响应的四个灵敏度响应系数，spl＝-0.348nm/mpa,spr＝0.437nm/mpa,stl＝-0.227nm/℃,str＝0.256nm/℃，将其带入公式(1)，即可实现通过检测两个共振波长的移动来实现水下深度和温度的同时测量，并且越接近特征波长的干涉峰波长移动量越大，灵敏度越高。由于光纤长度和干涉周期成反比，双模光纤越长，周期越小，干涉峰位置离特征波长的越近，灵敏度越高，因此可通过增加双模光纤的长度进一步提高检测灵敏度。该传感器基于芯子模干涉，不受液体环境中杂质或溶液折射率变化影响，可摆脱光纤传感区域繁琐的外壳封装设计和特殊的端面处理，简单熔接即可进行液体压强和温度的同时检测，并且通过增加双模光纤的长度还可进一步提高检测灵敏度。因此本发明是一种基于带特征波长的双模光纤芯子模间干涉的全光纤传感结构，在能源开采，海洋和淡水环境检测等都具有非常重要的实际应用价值。