[发明专利]基于干涉游标效应的高灵敏海水盐温双参数传感器

权利要求书

1.基于干涉游标效应的高灵敏海水盐温双参数传感器，其特征在于如下步骤：

步骤一：选择一台宽带光源，一个2×2光纤耦合器，两根单模传输光纤，两个双FP腔法布里-珀罗干涉仪，一台光谱仪。所述双FP腔法布里-珀罗干涉仪包含从光纤传输方向依次设置的单模传输光纤，带有微流通道的光纤微球泡结构和大模场光纤。所述的带有微流通道的光纤微球泡结构即为空气腔，大模场光纤即为石英腔。所述光纤微球泡结构的微流通道与纤芯方向垂直，顶部为注水口，底部为出水口。所述的两个双FP腔法布里-珀罗干涉仪并联设置。

步骤二：宽带光源的输出端与光谱仪的输入端分别与2×2光纤耦合器两端口的一端相连，2×2光纤耦合器两端口的另一端分别与两根单模传输光纤相连，两根单模传输光纤分别与两个双FP腔法布里-珀罗干涉仪相连。

步骤三：信号光经过2×2光纤耦合器和单模传输光纤传输到双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅰ时，分别在光纤微球泡结构两端面和大模场光纤端面发生反射，反射光沿原路返回并在单模传输光纤相遇而产生三光束干涉。

其中，由于空气腔和石英腔导致的相位差可以表示为：

n₁和n₂分别是双FP腔法布里-珀罗干涉仪空气腔和石英腔的折射率，l₁和l₂分别是双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅰ中空气腔和石英腔的腔长，λ是入射光波长，和分别表示双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅰ中空气腔和石英腔导致的反射光之间的相位差。

双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅰ的反射光强表达如下：

其中，I₁₁、I₁₂和I₁₃分别表示双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅰ三个反射面的反射光强。由公式(2)可以看出，反射光强包含三个振动频率不同的余弦振动函数，其振动频率分别为分别对应于空气腔、石英腔以及空气腔与石英腔输出光谱叠加之后形成的包络曲线的频率。

当反射光强达到最大时，空气腔和石英腔各自形成的干涉峰对应波长分别为：

m为正整数。

对应的空气腔和石英腔两干涉腔输出谱线的自由光谱范围表达如下：

双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅰ空气腔和石英腔的自由光谱范围差值范围在0-2.0nm之间。

双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅰ空气腔和石英腔的输出光谱频率表达如下：

叠加后的光谱包络的自由光谱范围表达如下：

双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅰ输出光谱包络周期小于光源及光谱仪光谱范围。

双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅰ对应的光谱漂移量Δλ₁与盐温变化量关系为：

Δλ₁＝S_Env1,S·ΔS+S_Env1,T·ΔT (7)

S_Env1,S表示双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅰ的盐度灵敏度系数，S_Env1,T表示双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅰ的温度灵敏度系数，ΔS表示海水盐度变化量，ΔT表示海水变化量。

信号光经过2×2光纤耦合器和单模传输光纤传输到双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ时，分别在光纤微球泡结构两端面和大模场光纤端面发生反射，反射光沿原路返回并在单模传输光纤相遇而产生三光束干涉。

双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ中空气腔和石英腔导致的相位差可以表示为：

l₃和l₄分别是双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ中空气腔和石英腔的腔长，和分别表示双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ中空气腔和石英腔导致的反射光之间的相位差。

双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ的反射光强表达如下：

其中，I₂₁、I₂₂和I₂₃分别表示双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ三个反射面的反射光强。两个干涉腔输出光谱叠加之后会在干涉峰处形成包络曲线。

λ_m是光谱干涉相长时对应的波峰波长，即为干涉峰。m为正整数。

双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ中空气腔和石英腔的自由光谱范围表达如下：

双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ空气腔和石英腔的自由光谱范围差值范围在0-2.0nm之间。

双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ空气腔和石英腔的输出光谱频率表达如下：

双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ输出光谱包络的自由光谱范围表达如下：

双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ输出光谱包络周期小于光源及光谱仪光谱范围。

双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ对应的光谱漂移量Δλ₂与盐温变化量关系为：

Δλ₂＝S_Env2,S·ΔS+S_Env2,T·ΔT (14)

S_Env2,S表示双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ的盐度灵敏度系数，S_Env2,T表示双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ的温度灵敏度系数，ΔS表示海水盐度变化量，ΔT表示海水温度变化量。

两个双FP腔法布里-珀罗干涉仪通过耦合器并联后输出光强表示为：

I＝I₁+I₂ (15)

两个双FP腔法布里-珀罗干涉仪输出光谱最小频率差值大于0.05。

步骤四：对光谱仪输出光谱进行傅里叶变换，获取频谱图，通过滤波分别获取双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅰ和双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ的输出光谱图利用正弦拟合法获取输出光谱的包络谱线。

海水盐度和温度变化分别为ΔS和ΔT，双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅰ和双FP腔法布里-珀罗干涉仪Ⅱ输出光谱的包络漂移量为Δλ₁和Δλ₂，对应关系可表示为：

通过同时监测两个包络峰的移动，依据此矩阵就可以得到任意温度和盐度下的测量结果，实现海水盐度、温度双参数的高灵敏测量。

2.一种实现权利要求1所述的基于干涉游标效应的高灵敏海水盐温双参数传感器，其特征在于包括一台宽带光源，一个2×2光纤耦合器，两根单模传输光纤，两个双FP腔法布里-珀罗干涉仪，一台光谱仪；所述宽带光源经2×2光纤耦合器与一个双FP腔法布里-珀罗干涉仪相连接；所述光谱仪经2×2光纤耦合器与另一个双FP腔法布里-珀罗干涉仪相连接；所述双FP腔法布里-珀罗干涉仪包含从光纤传输方向依次设置的单模传输光纤，带有微流通道的光纤微球泡结构，即空气腔，和大模场光纤，即石英腔；所述的两个双FP腔法布里-珀罗干涉仪在2×2光纤耦合器同侧并联设置；所述双FP腔法布里-珀罗干涉仪中空气腔和石英腔的自由光谱范围差值范围在0-2.0nm之间；所述两个双FP腔法布里-珀罗干涉仪输出光谱最小频率差值大于0.05；所述光纤微球泡结构的微流通道与纤芯方向垂直，顶部为注水口，底部为出水口。