[发明专利]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

说明书

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，涉及用于气体/液体压强和温度同时检测领域，包括双模光纤，所述双模光纤的两端分别熔接有单模光纤，以形成两个圆对称芯子模式干涉的MZI‑马赫增德干涉仪；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。

技术领域

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。

发明内容

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-Zehnder interference)。

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。