[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

说明书

本发明涉及基于干涉游标效应的高灵敏海水盐温双参数传感器，其特征包括宽带光源、2×2光纤耦合器、并联设置的两个双FP腔法布里‑珀罗干涉仪和光谱仪；双FP腔法布里‑珀罗干涉仪包含依次设置的单模光纤、带有微流通道的光纤微球泡结构和大模场光纤。通过设置不同参数的光纤微球泡结构和大模场光纤腔长使干涉仪中空气腔与石英腔自由光谱范围接近，实现游标效应并使输出光谱对应频率保持间隔。当海水盐温变化时，干涉仪腔长发生改变，对输出光谱进行傅里叶变换和滤波，获得各干涉仪输出光谱及包络。通过包络信号漂移量，结合盐度温度灵敏度矩阵，可实现双参数的同时测量。本发明具有实用性强，结构紧凑、灵敏度高、稳定性强、可同时测量多参数等优点。

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种基于干涉游标效应的高灵敏海水盐温双参数传感器，该传感器具有结构简单，灵敏度高，可重复性较好，可进行实时实地精确检测的优点。

背景技术

游标效应利用微小测量值发生变化的情况下，主尺和游尺的对齐分度会发生大范围改变的原理，实现微小量的放大读取，提高测量精度。游标效应在测量领域应用广泛。将游标效应与光纤法布里-珀罗干涉仪相结合，通过两个FP干涉腔级联，输出的光谱信号叠加会形成新的条纹包络信号，对条纹包络进行解调，即可以实现待测参数的高精度测量。

海水盐度、温度与海洋环境和气候变化息息相关，获取高精度海水盐温参数具有重要研究意义。目前常见的海水盐度测量方法有电导率法、微波遥感检测技术、折射率测量法等；常见的海水温度测量方法多采用铂电阻、热敏电阻等电子传感器测量温度。光纤由于具有体积小、抗干扰能力强等优点，目前已经在海洋传感领域得到了广泛应用，例如常见的基于表面等离子体共振效应的光纤盐度传感器；基于光纤光栅的海洋温度传感器等。基于光折射法的传感器测量盐度参数时灵敏度较高，但测量温度参数时需使用其他传感器，导致灵敏度较低，无法对海水盐温双参数同时进行高灵敏测量，且结构复杂，稳定性差；基于表面等离子体共振效应的传感器响应较快，灵敏度较高，可以通过包覆温敏材料实现海水盐度温度双参数测量，但易受海水侵蚀，且存在盐度温度交叉串扰等问题；基于光纤光栅的传感器可实现海水盐度温度的同时测量，复用性好，解调方法成熟，但响应较慢，灵敏度低；干涉型传感器具有结构简单，稳定性好，灵敏度高等优点，但多适用于单参数测量；这些缺点严重阻碍了海水盐温双参数传感器的发展应用。

针对上述传感器灵敏度低、无法同时测量海水盐度温度双参数、盐度温度交叉敏感等问题，本发明提出了一种基于干涉游标效应的高灵敏海水盐温双参数传感器。该传感器具有结构简单，制作成本低，稳定性好，响应速度快，灵敏度高等优点，解决了传统级联型干涉结构多适用于单参数测量及盐度温度交叉敏感等问题，可实现海水盐度、温度双参数的高灵敏测量。

发明内容

针对光纤盐度和温度传感器普遍存在的灵敏度较低，盐度温度交叉敏感，稳定性差等问题，本发明提出了一种结构简单，成本低，实用性强的基于干涉游标效应的高灵敏海水盐温双参数传感器。

本发明为解决技术问题所采取的方法包括以下步骤：

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。