一种利用纤芯气泡光纤同时测量温度和溶液折射率的方法与流程

本发明涉及传感器测量技术领域，特别涉及一种利用纤芯气泡光纤同时测量温度和溶液折射率的方法。

背景技术：

全光纤化的传感器具有结构紧凑、使用寿命长、对测试量敏感、传输信道多等优势广泛地应用于光纤传感、光纤通信、光学加工等领域。通过光纤端面微加工技术或搭建具有干涉结构的全光纤传感器，在泵浦源作用下，输出具有梳状谱图样的干涉谱曲线。细芯光纤马赫-曾德光纤传感器结构简单且易于实现，该结构由一段细芯光纤熔接在两段芯径相对较粗的掺杂稀土光纤中，掺杂稀土光纤也被用作为传感器的增益介质。现有技术中，基于双芯光纤的马赫-曾德干涉仪，应用于温度和应变的测量，干涉条纹衬幅比约为10dBm，条纹间隔约为2nm。光纤马赫-曾德干涉仪具有结构简单、条纹衬比度高、梳状谱密集等优势，常被用于光纤传感领域。

纤芯气泡光纤在纤芯中制作中纤芯内形成气泡，气泡能够使得纤芯有效折射率发生变化，在纤芯中传输的光经过气泡，光程发生改变，产生模间干涉，由于在一根光纤就能实现多种模式之间的干涉，简化了光路，使结构更加紧凑，而且损耗低、不受外界干扰，具有很好的发展前景。但是，在现有技术中，对于气泡光纤的应用于对单一的的温度或溶液折射率的测量。

针对现有技术中的缺陷，发明人发现气泡光纤对温度和溶液折射率的灵敏度与光纤光栅对温度和溶液折射率均具有不同的灵敏度，可以实现对温度和溶液折射率的同时测量。

因此，要一种能有效地对温度和溶液折射率进行同时测量的一种利用纤芯气泡光纤同时测量温度和溶液折射率的方法。

技术实现要素：

本发明在一个方面提供了一种利用纤芯气泡光纤同时测量温度和溶液折射率的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

a)在两段光纤纤芯端面进行刻槽处理；

b)将步骤a)中两段光纤带有刻槽的端面相互熔接，熔接的两端面刻槽相互对应，所述熔接过程中刻槽发生膨胀，纤芯位置产生气泡，得到纤芯气泡光纤；

c)将所述纤芯气泡光纤与光纤光栅熔接，进行温度标定和溶液折射率标定；

d)采集纤芯气泡光纤与光纤光栅的波长漂移量，拟合纤芯气泡光纤与光纤光栅的波长漂移量随温度和溶液折射率变化量的关系曲线；

e)利用步骤d)的关系曲线对待测环境中的温度和溶液折射率同时测量。

优选地，所述标定方法包括如下步骤：

(1)将熔接后的纤芯气泡光纤与光纤光栅置于可控温度变化和折射率变化的溶液中；

(2)以纤芯气泡光纤与光纤光栅的波谷作为采样点，逐渐改变环境中温度的大小，同时改变环境的溶液折射率，记录梳状谱移动的长度。

优选地，所述改变溶液折射率的方法包括改变溶液离子半径、增加溶液的浓度或降低溶液的浓度。

优选地，所述纤芯气泡光纤与光纤光栅的波长漂移量随温度和溶液折射率变化量的关系曲线满足如下关系：

其中Δλ₁、Δλ₂分别为纤芯气泡光纤和光纤光栅的波长漂移量；ΔT、Δh分别为温度和溶液折射率的变化量；K_T1、K_T2分别为纤芯气泡光纤和光纤光栅的温度灵敏度；K_n1、K_n2分别为纤芯气泡光纤和光纤光栅的溶液折射率灵敏度；D＝K_T1K_n2-K_T2K_n1。

优选地，所述温度灵敏度和所述溶液折射率灵敏度通过计算灵敏度曲线的斜率得到。

本发明的另一个方面在于提供一种用于同时测量温度和溶液折射率的系统，所述测量系统依次连接泵浦光源、波分复用器、增益光纤、第一单模光纤、纤芯气泡光纤、光纤光栅、第二单模光纤和光谱仪；

所述纤芯气泡光纤由两段端面带有刻槽的光纤熔接；所述纤芯气泡光纤与所述光纤光栅熔接在一起用于对温度和溶液折射率进行同时测量。

优选地，所述增益光纤为一段掺杂稀土元素的光纤。

本发明将纤芯气泡光纤和光纤光栅熔接在一起，由于光纤光栅和纤芯气泡光纤具有不同的温度和溶液折射率传感灵敏度，实现了同时对温度以及溶液折射率进行测量。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出了本发明利用纤芯气泡光纤同时测量温度和溶液折射率的流程图；

图2示出了本发明纤芯气泡光纤熔接的示意图；

图3示出了本发明一个实施例中纤芯气泡光纤与光纤光栅熔接对温度和溶液折射率标定的示意图；

图4示出了本发明纤芯气泡光纤的波长漂移示意图；

图5示出了本发明与光纤光栅的波长漂移示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。在下文实施例中，对本发明的一种利用纤芯气泡光纤同时测量温度和溶液折射率的方法做详细说明的过程中，一些相关的技术术语应当是本领域技术人员所能够理解的。为了清楚的说明本发明的内容，在如下实施例中给出了本发明利用纤芯气泡光纤同时测量温度和溶液折射率的具体流程。如图1所示本发明利用纤芯气泡光纤同时测量温度和溶液折射率的流程图，具体地，利用纤芯气泡光纤同时测量温度和溶液折射率的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S101：熔接纤芯气泡光纤，在两段光纤端面进行刻槽处理；将所述两段经过刻槽的光纤带有刻槽的端面相互熔接，熔接的两端面刻槽相互对应，所述熔接过程中刻槽发生膨胀，纤芯位置产生气泡，得到纤芯气泡光纤；

步骤S102：温度和溶液折射率标定，将所述纤芯气泡光纤与光纤光栅熔接，进行温度标定和溶液折射率标定；

步骤S103：拟合曲线，采集纤芯气泡光纤与光纤光栅的波长漂移量，拟合纤芯气泡光纤与光纤光栅的波长漂移量随温度和溶液折射率变化量的关系曲线；

步骤S104：温度和溶液折射率同时测量，利用步骤S103的关系曲线对待测环境中的温度和溶液折射率同时测量。

纤芯气泡光纤的熔接

如图2所示本发明纤芯气泡光纤熔接的示意图100，首先选取两段光纤，所述光纤包括包层101和纤芯102，在两段光纤的一个端面分别进行刻槽处理，将所述两段光纤带有刻槽的端面相互熔接，熔接的两端面刻槽相互对应，所述熔接过程中刻槽发生膨胀，纤芯位置产生气泡103，得到纤芯气泡光纤；光路在纤芯气泡光纤的纤芯102传播过程中经过纤芯气泡光纤的的气泡103处实现干涉。优选地，选择手动调节熔接机参数，将两段光纤带有刻槽的端面对应对齐，通过放电熔接完成两段光纤的熔接。本实施例中，优选相互熔接的两段段光纤长度一致。

温度和溶液折射率的标定

将熔接好的带有气泡的纤芯气泡光纤与光纤光栅进行熔接。如图3所示本发明一个实施例中纤芯气泡光纤与光纤光栅熔接对温度和溶液折射率标定的示意图200，搭建测量系统，所述测量通过光纤204系统依次连接泵浦光源201、波分复用器202、增益光纤203、第一单模光纤205、纤芯气泡光纤206、光纤光栅208、第二单模光209纤、光谱仪210和温度控制器207。纤芯气泡光纤206与光纤光栅208置于可以控制温度和折射率变化的溶液211中。在一些实施例中，增益光纤203优选掺杂稀土元素的光纤。

将所述纤芯气泡光纤206与所述光纤光栅208熔接在一起置于温度和溶液折射率均为可控的溶液211中对溶液211的温度的变化量与折射率变化量进行标定。具体地，标定过程的步骤如下：

步骤1：将熔接后的纤芯气泡光纤206与光纤光栅208置于可控温度变化和折射率变化的溶液211中；

步骤2：以纤芯气泡光纤206与光纤光栅208的波谷作为采样点，逐渐改变环境中温度的大小，同时改变溶液211的溶液折射率，记录梳状谱移动的长度。

在上述标定过程中，环境中的温度通过温度控制器207对环境的温度逐渐增加，同时逐渐增加溶液211的浓度。应当理解的是，对于标定过程中环境的改变可以选择逐渐降低环境中的温度大小和溶液折射率的大小、增加环境中温度的大小同时降低溶液折射率的大小、降低环境中温度的大小同时增加溶液折射率的大小多种方式的一种或多种。溶液折射率的改变可以选择改变溶液离子半径、增加溶液的浓度或降低溶液的浓度。

在本发明中，由于纤芯气泡光纤和光纤光栅具有不同的温度和溶液折射率传感灵敏度，纤芯气泡光纤与光纤光栅在温度和溶液折射率改变的情况下产生不同的的波长漂移量。

本实施例中，通过对温度和溶液折射率改变的情况下采集到纤芯气泡光纤与光纤光栅的波长漂移量，进而拟合用于测量温度和溶液折射率同时变化的曲线。本实施例的下文中，具体说明曲线拟合的方法。

曲线的拟合

在本实施例上述过程中，对温度和溶液折射率的改变进行记录，得到温度的变化量ΔT；溶液折射率的变化量Δh。如图4所示本发明纤芯气泡光纤的波长漂移示意图，如图5所示本发明光纤光栅的波长漂移示意图，采集记录的梳状谱移动的长度，得到纤芯气泡光纤的波长漂移量Δλ₁；光纤光栅的波长漂移量Δλ₂。

计算灵敏度曲线的斜率，得到纤芯气泡光纤和光纤光栅的温度灵敏度K_T1、K_T2；纤芯气泡光纤和光纤光栅的溶液折射率灵敏度K_n1、K_n2。经过矩阵计算得到纤芯气泡光纤和光纤光栅的波长漂移量满足如下关系：

对上述公式(1)得到关系进行矩阵转置计算得到：

其中，其中Δλ₁、Δλ₂分别为纤芯气泡光纤和光纤光栅的波长漂移量；ΔT、Δn分别为温度和溶液折射率的变化量；K_T1、K_T2分别为纤芯气泡光纤和光纤光栅的温度灵敏度；K_n1、K_n2分别为纤芯气泡光纤和光纤光栅的溶液折射率灵敏度；D＝K_T1K_n2-K_T2K_n1。

温度和溶液折射率的同时测量

本实施例以温度和溶液折射率均变化的环境中说明本发明的温度和溶液折射率的同时测量。将所述测量系统的纤芯气泡光纤与光纤光栅置于温度和溶液折射率同时变化的环境中，以纤芯气泡光纤与光纤光栅的波谷作为采样点，记录纤芯气泡光纤与光纤光栅的梳状谱移动的长度，从而得到纤芯气泡光纤与光纤光栅的波长漂移量。这里以纤芯气泡光纤波长漂移量Δλ₁为例，光纤光栅传感器波长漂移量Δλ₂为例。

由公式直接读取温度和溶液折射率的变化量，从而实现温度和溶液折射率的同时测量。

本发明将纤芯气泡光纤和光纤光栅熔接在一起，由于光纤光栅和错位干涉结构具有不同的温度和溶液折射率传感灵敏度，纤芯气泡光纤与光纤光栅在温度和溶液折射率改变的情况下产生不同的的波长漂移量，实现同时对温度以及溶液折射率进行测量。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。