光纖傳感單元及其在同時(shí)測(cè)量折射率溫度的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是針對(duì)局部區(qū)域內(nèi)的折射率和溫度監(jiān)測(cè)的光 纖傳感單元及其應(yīng)用，在大氣環(huán)境、土壤水質(zhì)、生物醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)和人體檢測(cè)等領(lǐng)域可被 應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 折射率能反映物質(zhì)的某些特性，如大氣中的濕度，土壤水質(zhì)中的雜質(zhì)和微生物含 量，人體血液中的血糖含量，因此測(cè)量折射率非常具有意義。傳統(tǒng)的測(cè)量折射率方法是使用 阿貝折射率儀，但是這種方法需要采樣才能測(cè)量折射率，不具備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)測(cè)量的能 力。同時(shí)基于光纖傳感折射率測(cè)量方法已被廣泛報(bào)道，這是由于光纖傳感具有不受電磁環(huán) 境干擾、靈敏度高、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 溫度同樣是測(cè)量領(lǐng)域中的一個(gè)重要的參量，如環(huán)境溫度，人體體溫，工藝工程中的 溫度測(cè)量等。然后在液體環(huán)境中，溫度的改變會(huì)導(dǎo)致液體折射率的改變，這是由于液體的熱 光效應(yīng)導(dǎo)致的。例如利用測(cè)量折射率方法測(cè)量人體血糖時(shí)，當(dāng)人體體溫改變，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量出 的血糖含量不準(zhǔn)。所以在測(cè)量折射率時(shí)候必須考慮到溫度因素的串?dāng)_，有效的解決這種串 擾的方式是將折射率和溫度同時(shí)測(cè)量出來(lái)。
[0004] 目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)報(bào)道了多種基于光纖的折射率溫度同時(shí)測(cè)量的方法，例如：周 雨萌等人申請(qǐng)的實(shí)用新型專(zhuān)利"基于長(zhǎng)周期光纖光柵折射率溫度雙參量測(cè)量（專(zhuān)利號(hào) CN203811537U)"，該專(zhuān)利工作機(jī)理在于在傳感光纖上刻有兩段長(zhǎng)周期光纖光柵，這兩段 長(zhǎng)周期光纖光柵相互連接且具有不同的光柵周期，即會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)不同的諧振峰波長(zhǎng)。其 中一段長(zhǎng)周期光纖光柵具有涂覆層從而諧振峰只隨溫度線性變化而對(duì)折射率不敏感，另 一部分長(zhǎng)周期光纖光柵沒(méi)有涂覆層從而其諧里峰會(huì)同時(shí)隨折射率和溫度線性變化。王 婷婷等人申請(qǐng)的實(shí)用新型專(zhuān)利"光子晶體光纖折射率溫度傳感器及測(cè)量系統(tǒng)（專(zhuān)利號(hào) CN202710208U)"，作者利用單模光纖為光信號(hào)輸入輸出光纖、光子晶體光纖為傳感器探 頭以及由光子晶體光纖的包層空氣孔塌陷形成的橢球空氣腔與傳感器探頭本身組成復(fù) 合法布里-珀羅腔，以復(fù)合腔用于折射率和溫度雙參量傳感。Jiejun Zhang等人在文章 ''Microfiber Fabry-Perot Interferometer for Dual-Parameter Sensing, J. Lightwave Technol.，vol. 31，p. 1608-1615"中敘述了一種將Bragg光纖光柵中心區(qū)域拉錐至微納光 纖，形成微納光纖法布里-珀羅干涉裝置。此干涉裝置兩端的FBG只對(duì)溫度敏感，而對(duì)折射 率不敏感，而兩端的FBG和中間的微納光纖形成的法布里-珀羅干涉儀對(duì)折射率和溫度都 敏感，所以該裝置可以用于折射率溫度雙參量的測(cè)量。然而上述方法都有一定的弊端，如制 備光柵需要用紫外激光器及相位掩膜板刻制光柵，所需成本較高并且制備工藝較復(fù)雜；基 于光纖本身熱光系數(shù)傳感，獲得靈敏度值很低。
[0005] 本發(fā)明結(jié)合微納光纖倏逝場(chǎng)的特殊光學(xué)特性和光纖端面菲涅爾反射的光強(qiáng)特性， 提出了基于一種微納多模光纖菲涅爾反射高靈敏度折射率溫度同時(shí)測(cè)量傳感器。該傳感器 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、體積小、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，在土壤水質(zhì)監(jiān)測(cè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著 廣泛的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有的針對(duì)折射率測(cè)量存在的溫度串?dāng)_問(wèn)題， 提出一種光纖傳感單元及其在同時(shí)測(cè)量折射率溫度的應(yīng)用，該光纖傳感單元具有很高的折 射率溫度靈敏度，成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案：一種光纖傳感單元，由輸入單 模光纖，微納多模光纖，反射單模光纖和一個(gè)反射端面構(gòu)成；所述輸入單模光纖，微納多模 光纖，反射單模光纖先后順序連接，所述反射端面位于所述反射單模光纖的尾端。
[0008] 所述的微納多模光纖包括腰區(qū)和分別連接腰區(qū)兩端的兩個(gè)錐形區(qū)，兩個(gè)錐形區(qū)分 別連接所述輸入單模光纖、反射單模光纖。所述腰區(qū)直徑為4 y m至12 y m，用于支持冊(cè)^莫 式和冊(cè)12模式傳播。由于HE n模式和HE 12模式都存在較強(qiáng)的倏逝場(chǎng)，因此由這兩個(gè)模式產(chǎn) 生的干涉光譜對(duì)折射率和溫度變化十分敏感。所述微納多模光纖通過(guò)非絕熱拉錐制成。所 述反射端面是用光纖切割刀在反射單模光纖任意位置垂直切割獲得。
[0009] 基于同樣的技術(shù)原理，一種光纖傳感單元，由輸入單模光纖，微納多模光纖和一個(gè) 反射端面構(gòu)成；所述輸入單模光纖與微納多模光纖連接，所述反射端面位于所述微納多模 光纖的尾端。所述的微納多模光纖包括腰區(qū)和錐形區(qū)，錐形區(qū)連接所述輸入單模光纖，所述 腰區(qū)直徑為4 y m至12 y m，支持HEn模式和HE 12模式傳播。所述微納多模光纖通過(guò)非絕熱 拉錐制成。
[0010] 所述反射端面是用藍(lán)寶石光纖切割刀在微納多模光纖腰區(qū)上的任意位置垂直切 割獲得。
[0011] 一種所述光纖傳感單元在同時(shí)測(cè)量折射率溫度的應(yīng)用：信號(hào)光源發(fā)出的寬譜光通 過(guò)光纖耦合器進(jìn)入所述光纖傳感單元，產(chǎn)生干涉光譜，然后干涉光譜傳輸?shù)竭_(dá)光纖傳感單 元的反射端面發(fā)生部分反射，產(chǎn)生反射的干涉光譜被解調(diào)裝置接收；當(dāng)光纖傳感單元外部 的折射率和溫度發(fā)生改變時(shí)，分別引起干涉光譜的諧振波長(zhǎng)和強(qiáng)度的變化；解調(diào)裝置解調(diào) 出反射的干涉光譜的波長(zhǎng)和強(qiáng)度變化量，即實(shí)現(xiàn)折射率和溫度的同時(shí)測(cè)量。
[0012] 所述解調(diào)裝置包括光譜探測(cè)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；所述光譜探測(cè)模塊接收反射的 干涉光譜；所述數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)獲得的反射的干涉光譜進(jìn)行正弦或者余弦函數(shù)擬合，計(jì)算 得到反射的干涉光譜的自由光譜范圍和信號(hào)強(qiáng)度。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下主要的優(yōu)點(diǎn)：
[0014] 其一.采用了基于光纖倏逝場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，以光纖作為光波的傳輸和傳感器件，具 有不受電磁環(huán)境干擾、靈敏度高、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。
[0015] 其二.基于微納多模光纖菲涅爾反射原理，傳感單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，易于制 造。
[0016] 其三.用于折射率、溫度同時(shí)測(cè)量，有效的避免了單純測(cè)量折射率參量時(shí)引入溫 度因素的串?dāng)_。
[0017] 其四.對(duì)獲得的反射的干涉光譜進(jìn)行正弦或者余弦函數(shù)擬合，獲得自由光譜范圍 和信號(hào)強(qiáng)度，用矩陣公式計(jì)算出出折射率和溫度雙參量，數(shù)據(jù)處理方式簡(jiǎn)單且可靠性高。
[0018] 其五.用藍(lán)寶石光纖切割刀在微納多模光纖腰區(qū)任意垂直切割獲得的傳感器是 探針形式，尺寸小、植入性強(qiáng)，這種結(jié)構(gòu)能在生命科學(xué)和人體醫(yī)學(xué)上有良好應(yīng)用前景。
[0019] 本發(fā)明不僅可以應(yīng)用于大氣環(huán)境、土壤水質(zhì)監(jiān)測(cè)、還可以用于生物醫(yī)學(xué)、生命科學(xué) 和人體檢測(cè)等領(lǐng)域研宄。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說(shuō)明。
[0021] 圖1為本發(fā)明的傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1.信號(hào)光源；2.光纖耦合器；3.光 纖傳感單元；5.解調(diào)裝置；12光電探測(cè)模塊；13數(shù)據(jù)處理模塊。
[0022] 圖2是本發(fā)明的光纖傳感單元反射端面的一種制備過(guò)程示意圖。圖中：6.輸入單 模光纖；7.微納多模光纖；8.反射單模光纖；