光纤传感器及制作方法、液体温度和折射率同时测量方法
【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及其解调方法。具体讲，本发明涉及一种基于单模-无芯-单模 全光纤结构的光纤传感器，以及利用双波长法对其进行解调的方法。
【背景技术】
[0002] 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。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。在传统的单模-多模-单模光纤结构的基础上， 人们提出了将多模光纤部分进行化学腐蚀或者直接用无芯光纤来替代多模光纤的方法，实 现了对外界折射率的测量。然而由于二氧化硅材料本身的热光效应和热膨胀效应，在进行 折射率测量时其准确度极易受外界温度干扰，对此人们又提出了在单模-无芯（或腐蚀的 多模）_单模结构的之后再串联一个FBG的方法来进行对温度和折射率的同时和准确的测 量。但是，这样不仅增大了传感器的体积，还增加了传感器的制作难度和成本。
【发明内容】
[0003] 针对上述的现有技术及存在的问题，本发明提出了一种光纤传感器及制作方法、 液体温度和折射率同时测量方法，利用新型单模-无芯-单模结构的光纤传感器本身具有 的对液体折射率的波长相关灵敏度的特性，通过同时监测两个波谷处的漂移量来对外界的 折射率和温度实现同时测量。
[0004] 本发明提出了一种光纤传感器，包括单模-无芯-单模光纤结构，所述单模-无 芯-单模光纤结构由输入光纤1和输出光纤3、以及两者之间设置的无芯光纤2组成，无芯 光纤2与输入光纤1、输出光纤3的连接处均为无偏心熔接。
[0005] 本发明还提出了一种光纤传感器的制造方法，该方法包括以下步骤：将一段无芯 光纤2无偏心熔接入一段单模光纤中，构成一个单模-无芯-单模光纤结构，从而实现光纤 传感器的制作。
[0006] 本发明再提出了一种利用该光纤传感器实现的液体温度和折射率同时测量的方 法，该方法包括以下步骤：
[0007] 步骤一、在光纤传感器的透射谱曲线中确定两个波谷作为监测对象；
[0008] 步骤二、通过实验分别测量该两个波谷对外界不同折射率的灵敏度和不同温度范 围的灵敏度；进行传感器标定，分别得到折射率灵敏度标定值和温度灵敏度标定值； _9]折射報敏麵趙^为f; L折射率灵敏度2」 _温度灵敏度1_
[。_温度灵敏度标定值T标定为温度灵敏度2_;
[0011] 步骤三、利用所述折射率灵敏度标定值和温度灵敏度标定值来构建用于解调的矩 阵，得到：
[0012]
【主权项】
1. 一种光纤传感器，包括单模-无芯-单模光纤结构，其特征在于，所述单模-无芯-单 模光纤结构由输入光纤（1)和输出光纤（3)、以及两者之间设置的无芯光纤（2)组成，无芯 光纤（2)与输入光纤（1)、输出光纤（3)的连接处均为无偏心熔接。
2. 如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述输入光纤（1)和输出光纤（3)采 用单模光纤。
3. 如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述无芯光纤（2)采用多模光波导或 去掉包层的普通多模光纤。
4. 如权利要求1所述的光纤传感器的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 将一段无芯光纤（2)无偏心熔接入一段单模光纤中，构成一个单模-无芯-单模光纤 结构，从而实现光纤传感器的制作。
5. 如权利要求1所述的光纤传感器的制造方法，其特征在于，所述无芯光纤2采用多模 光波导或去掉包层的普通多模光纤。
6. 利用权利要求1所述的光纤传感器实现的液体温度和折射率同时测量方法，其特征 在于，该方法包括以下步骤： 步骤一、在光纤传感器的透射谱曲线中确定两个波谷作为监测对象； 步骤二、通过实验分别测量该两个波谷对外界不同折射率的灵敏度和不同温度范围的 灵敏度；进行传感器标定，分别得到折射率灵敏度标定值和温度灵敏度标定值；
步骤三、利用所述折射率灵敏度标定值和温度灵敏度标定值来构建用于解调的矩阵， 得到：
其中：A入咖和AX_2分别为两个波谷的漂移量，An和AT为外界折射率和温度的 变化量，Iifcgi、Iifcg2分别为两个波谷的折射率灵敏度标定值，Ti、Tfcg2分别为两个波谷 的温度灵敏度标定值。 在实时测量到两个波谷的中心波长的漂移量后，通过上述解调矩阵来同时得到外界折 射率和温度的信息。
7. 如权利要求6所述的液体温度和折射率同时测量的方法，其特征在于，所述步骤一 中所述的两个波谷选择透射谱曲线中的间距最大的两个波谷。
【专利摘要】本发明公开了一种光纤传感器及制作方法、液体温度和折射率同时测量方法，其中光纤传感器包括单模-无芯-单模光纤结构，所述单模-无芯-单模光纤结构由输入光纤(1)和输出光纤(3)、以及两者之间设置的无芯光纤(2)组成，无芯光纤(2)和输入光纤(1)和输出光纤(3)的连接处均为无偏心熔接；并利用新型单模-无芯-单模结构的光纤传感器本身具有的对液体折射率的波长相关灵敏度的特性，通过同时监测光纤传感器透射率谱线中两个波谷处的漂移量来对外界的折射率和温度实现同时测量。与现有技术相比，本发明具有结构简单、易于制作；在不增加制作成本和难度的基础上，又能保证对温度和折射率进行同时的准确的测量。
【IPC分类】G01K11-32, G01N21-45
【公开号】CN104713660
【申请号】CN201510111012
【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6月17日
【申请日】2015年3月13日