[发明专利]基于光纤模间干涉和保偏光纤光栅的多参量光纤传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤模间干涉和保偏光纤光栅的多参量光纤传感器。

背景技术

光纤传感器与电式传感器相比，具有体积小、质量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、抗腐蚀等独特的优点，已经被广泛的应用于石油、化工、核工业、桥梁监测、医学、航天航空、船舶航运等领域。

温度、应变和折射率作为化学、医药及生物产品的重要参数，对其进行同时测量的研究引起广大学者的关注。目前，已经提出了多种将温度、应变和折射率同时测量的方法，比如通过腐蚀光纤布拉格光栅在光栅内激励起三个不同模式的谐振峰，利用其对这三个参量的不同灵敏系数实现了对温度、应变和折射率同时测量。但是由于光纤光栅本来就很脆弱，腐蚀后其更加易断，不利于测量使用和大批量的生产。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种基于光纤模间干涉和保偏光纤光栅的多参量光纤传感器，该传感器将光纤模间干涉和保偏光纤光栅相结合，实现对温度、应变和折射率的同时测量，提高了传感器的灵敏度，且结构简单、成本低、可操作性强，在安全监测等领域有广泛应用前景。

本发明的技术方案：

一种基于光纤模间干涉和保偏光纤光栅的多参量光纤传感器，采用多模光纤-单模光纤-多模光纤结构与保偏光纤光栅级联，由宽带光源、入射端多模光纤、中间段单模光纤、出射端多模光纤、保偏光纤光栅和光谱分析仪组成，宽带光源的单模尾纤接入射端多模光纤的a端，入射端多模光纤的b端接中间段单模光纤的输入端，中间段单模光纤的输出端接出射端多模光纤的c端，出射端多模光纤的d端接保偏光纤光栅的输入端，保偏光纤光栅的输出端与光谱分析仪连接。

本发明的工作原理：

该光纤传感器采用多模光纤-单模光纤-多模光纤（MSM）结构，其传感原理是基于单模光纤中的纤芯模和包层模干涉，当光由输入端多模光纤进入单模光纤时，激励起单模光纤中的纤芯模和各阶包层模，且在各阶包层模中总有一个模式处于主导地位。由于包层模与纤芯模的有效折射率存在差异，在传输到单模光纤和出射端多模光纤的熔接点时，两种模式间就产生了相位差，使得包层模与纤芯模在单模光纤中发生干涉，干涉光谱随温度、应变和折射率的变化而漂移，反映在透射光谱上表现为特征波长的漂移，因而可感知温度、应变和折射率的变化。

干涉光经过保偏光纤光栅后，满足保偏光纤光栅快慢轴中心波长的光被反射，在光谱仪中可同时观察到干涉峰和保偏光纤光栅的两个透射峰，保偏光纤光栅的中心波长不受折射率变化的影响，但受温度和应变的影响。当温度、应变同时作用时，波长变化量可表示为ΔλBi(T,ϵ)=(αi+ξi)ΔT+(1-Pei)Δϵ:]]>其中，i＝x,y；Δλ_Bx、Δλ_By分别表示沿快轴方向和慢轴方向的中心波长变化量；P_e分别为纤芯的热膨胀系数、热光系数、有效弹光系数；ΔT、Δε分别为温度变化量和应变变化量。