[发明专利]基于定向耦合器与长周期光纤光栅的温度和折射率双参量传感器

说明书

本发明涉及一种基于定向耦合器与长周期光纤光栅的温度和折射率双参量传感器，属于光纤传感技术领域。包括光源、单模光纤、一段双芯光纤、探测器；双芯光纤的同一个纤芯与两侧单模光纤的纤芯对准熔接；双芯光纤两个纤芯材料相同，均为单模，纤芯间距小于20微米，两个纤芯满足相位匹配条件，连接两端单模光纤的纤芯上刻有长周期光纤光栅，为通光纤芯。两纤芯可发生能量耦合构成定向耦合器。光栅产生的共振峰随外界折射率和温度改变而发生漂移，定向耦合器共振峰的变化仅由外界温度变化引起，从而实现折射率与温度的同时测量。本发明传感器制作简单，器件小易于集成，可同时进行双参数测量，灵敏度高，具有温度自补偿能力，应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及一种基于定向耦合器与长周期光纤光栅的温度和折射率双参量传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

光纤传感技术的出现，使新型传感器用光作为敏感信息载体，具有光学测量和光信号传输等独特优点，同时具有高灵敏度，可快速测量，大信息容量，强适应性(耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰等)，适宜集成等优势。利用光波分复用、时分复用以及空分复用技术，一根光纤可同时传输多路信号。与计算机技术和遥测技术配合，还可实现远距离，实时在线测量等，其应用前景十分广泛。

多芯光纤(空分复用)可以提高光的传输容量，基于多芯光纤的传感器具有很多优良特性，比如体积小、结构紧凑、集成度高、易于实现多参量测量。基于多芯光纤的传感元件已经成为光纤传感领域的研究热点之一。双芯光纤是结构最简单的多芯光纤，利用双芯光纤可以实现定向耦合器、复用/解复用器、双芯光纤分波/合波器、滤波器、传感器等。

光纤光栅具有阻带宽、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁辐射等特点，已成为目前最具代表性的光纤无源器件之一。而长周期光纤光栅将纤芯模耦合到正向传输的包层模，比布拉格光纤光栅更容易感知外界物理量的变化，由于其对环境折射率敏感而被作为研制折射率传感器的重要结构。目前，折射率传感器除被直接用于液体折射率测量外，还大量应用于对气体浓度、有机物浓度(有机农药、食品添加剂等)或生化元素含量(蛋白质、病毒等)的间接检测。此类应用对折射率测量的精度要求极高，所以温度串扰引入的测量误差成为限制其最终检测精度的一个重要因素。

本发明利用一种双芯光纤构成的定向耦合器与长周期光纤光栅相结合来实现对环境折射率和温度的双参量测量。由于双芯光纤的芯间距很小，在满足相位匹配条件时可以实现纤芯间的能量耦合。由于包层的阻隔，这种纤芯之间的能量耦合对外界折射率变化不敏感，所以定向耦合器共振耦合形成的共振峰仅对温度变化敏感。而长周期光纤光栅将纤芯模耦合到包层模中，包层模对外界折射率变化极为敏感，故长周期光纤光栅形成的共振峰对外界折射率变化和温度变化均敏感。检测过程中，可由定向耦合器产生的共振峰实现对温度变化的检测，并为长周期光纤光栅的折射率测试过程提供温度补偿，进而得到排除温度串扰的折射率监测结果，有效解决了折射率测量过程中的串扰问题，实现折射率与温度的同时测量。该传感器制作简单，器件小易于集成，可同时进行双参数测量，具有温度自补偿能力，具有高的折射率测量精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决温度串扰引入的测量误差而提供一种基于定向耦合器与长周期光纤光栅的温度和折射率双参量传感器。

本发明的目的是这样实现的：一种基于定向耦合器与长周期光纤光栅的温度和折射率双参量传感器；包括光源、单模光纤、一段双芯光纤、单模光纤、探测器；光源位于最左侧，右边依次是单模光纤、一段双芯光纤、单模光纤、探测器，探测器位于最右侧；在光源一侧，单模光纤的纤芯与双芯光纤的一个纤芯对准熔接，在探测器一侧，双芯光纤的同一个纤芯与单模光纤的纤芯对准熔接；双芯光纤长度为耦合长度的奇数倍，双芯光纤的包层直径为125微米，两个纤芯材料相同，均为单模，纤芯间距小于20微米，两个纤芯满足相位匹配条件，连接两端单模光纤的纤芯上刻有长周期光纤光栅，为通光纤芯。

本发明还包括这样一些结构特征：

所述双芯光纤为全固态实心光纤，两个纤芯关于光纤轴线对称分布。