[发明专利]基于多模结构的光纤传感器

说明书

技术领域

 本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及双参量（温度、折射率）光纤干涉传感器。

背景技术

在当今高速发展的新科技时代，现代信息技术的三大支柱（传感技术、通信技术和计算机技术），已经深入各个领域，并扮演及其重要的角色。在传感技术领域中，光纤传感技术发展最为迅速，引领着新一代传感器的发展方向。光纤传感器具有诸多独特优势：结构简单、操作简便、高灵敏度、抗电磁干扰、便于组网等。近年来研究学者对其进行深入研究，已获得许多实验成果，并投入使用，诸如：温度传感器、应变传感器、折射率传感器和湿度传感器等。

干涉型光纤传感器和传统光纤传感器相比，灵敏度高和分辨率高，动态响应范围大，成本低。

温度和折射率在工业测量中至关重要，也是光纤传感领域中的研究热点，但是存在于光纤传感器中温度和折射率交叉敏感问题不容忽视，实验中，一般要避免外界参量的影响，实现对温度（折射率）的精确测量，常见的做法是添加光纤光栅级联使用，但是此法成本较高。

发明内容

本发明目的是解决现有光纤传感器存在温度和折射率交叉敏感问题，提供一种结构简单且容易制作的干涉型光纤传感器，该光纤传感器基于多模光纤结构，输出信号中存在两类模式的干涉峰，根据其对温度和折射率的不同敏感性，可以实现对温度和折射率的同时测量。

本发明提供的基于多模结构的光纤传感器，包括：入射端单模光纤（1）、第一段多模光纤（2）、第二段多模光纤（3）、第三段多模光纤（4）、出射端单模光纤（5）；所述的光纤传感器的连接关系为：传输光经入射端单模光纤（1）依次接入第一段多模光纤（2）、第二段多模光纤（3）和第三段多模光纤（4），之后经输出端单模光纤（6）输出。

本发明所述的第一段多模光纤（2）和第三段多模光纤（4）芯径相同，取值范围可为65~110μm，长度取值范围可为1~8mm（芯径优选为105μm，长度5mm），作为模式耦合器，中间第二段多模光纤（3）芯径取值范围可为10~65μm，长度取值范围可为20~40mm（芯径优选50μm，长度30mm），作为传感区域。其中，第二段多模光纤（3）的芯径小于第一段多模光纤（2）和第三段多模光纤（4）的芯径。输出信号包含纤芯-纤芯和纤芯-包层两类模式的干涉峰，根据光纤干涉理论可知，纤芯-纤芯干涉峰对温度敏感，而对折射率不敏感；纤芯-包层干涉峰对温度和折射率皆敏感，利用它们对温度和折射率的不同灵敏度可以实现同时测量。

根据纤芯-纤芯干涉峰波长和纤芯-包层干涉峰波长的漂移量，再结合敏感矩阵方程                                               ，即可得到温度和折射率的变化量，其中，Δλ_co-co和Δλ_co-cl分别为纤芯-纤芯干涉峰和纤芯-包层干涉峰的特征波长，ΔΤ和ΔRI分别为温度和折射率的变化量，、和、分别是纤芯-纤芯干涉峰和纤芯-包层干涉峰特征波长的温度和折射率灵敏度。

 

本发明的优点和有益效果：

本发明提出了一种干涉型光纤传感器，结构简单且容易制作，只需要对不同芯径的多模光纤按照一定比例进行熔接即可。该传感器中输出信号包含纤芯-纤芯和纤芯-包层两类模式的干涉峰，根据其对温度和折射率的不同敏感性，可以实现对温度和折射率的同时测量。该发明的干涉型传感器，成本低，结构稳定，测量精度高，因而更适合实际的应用。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

 

附图说明

    图1 为该光纤传感器干涉原理示意图。

图2 为该光纤传感器结构示意图。

图3 为该光纤传感器的输出光谱。

图中：1.入射端单模光纤、2.第一段多模光纤、3.第二段多模光纤、4.第三段多模光纤、5.出射端多模光纤、6.宽带光源、7.光谱分析仪。

 

具体实施方式

实施例

一种基于多模结构的光纤传感器，如图1、图2所示，采用多模-多模-多模光纤结构，由入射端单模光纤（1），第一段多模光纤（2）、第二段多模光纤（3）、第三段多模光纤（4）、出射端单模光纤（5）、宽带光源（6）和光谱分析仪（7）组成。宽带光源（6）经入射端单模光纤（1）依次接入第一段多模光纤（2）、第二段多模光纤（3）和第三段多模光纤（4），之后经输出端单模光纤（5）接入到光谱分析仪（7）。