基于细芯光纤和标准单模光纤级联的两点海水温度传感器的制作方法

本发明属于应变检测技术领域，具体涉及一种基于细芯光纤和标准单模光纤级联的准连续两点海水温度传感器。

背景技术：

海水的温度通常是作为对海洋气候冷热性能响应的一个物理量，同时也是海水的一个重要特征。因此，海水的温度变化研究在海洋科学的研究上占有十分重要的地位。研究海水温度的变化，既是海洋学的一个重要研究内容，也对气候变化、海洋科学、海洋渔业和水声科学等学科的发展具有非常重要的意义。以往的研究多集中在大的空间尺度的过程，对海洋参数的空间分辨率要求不高。然而，随着对海洋的深入调查，人们发现许多参数在很小的空间范围内发生变化，这可能与大规模的海洋现象有着紧密的关联，如小范围内温度的分布及其变化能够反映海‐气相互作用和湍流混合过程发生的热量交换和物质循环。另外，内波中分层现象在层界面上的温度盐度也大不相同。因此，测量海水中两个或多个准连续点的温度将有可能揭示海气相互作用中发生热交换和物质循环的机制，为精细化海洋研究提供有价值的参考，而要实现准连续两点测温往往需要探测方法有小于厘米量级的空间分辨率和多点同步测量的能力。

目前，最常用的测量海水温度的方法，主要有热敏电阻，热电偶传感器测温和卫星遥感测温等方法。但这些测量方法都有一定的局限性：热敏电阻传感器测温需要定期清洗以保证其测量的准确性；热电偶测量精度只能达到参考接合点温度的测量精度，一般在1℃至2℃内；卫星遥感测温需要依靠卫星，对接收技术和硬软件要求较大，且电磁波不能穿透海面，测量精度不高。

与上述典型的海水温度检测方法相比，光纤由于自身体积微小，整个器件尺寸也较小的优势，更适合用于解决这个问题。全光纤传感器测温的原理为根据海水的折射率和海水温度关系，结合光纤材料的热光系数，应用经验公式计算即可得到较为准确的海水温度值，方便在线检测，且对海水不造成任何二次污染，因此受到广泛关注。目前报道的海水温度全光纤传感器主要有光纤光栅、锥形光纤和微光纤环形谐振腔等，这些传感器均具有特殊的结构，需要复杂的制备过程，而且有的传感器结构比较脆弱，且灵敏度也不是很高。最近报道的基于空心多模干涉传感器具有较高的测量灵敏度，也可以应用于海水温度的测量，但是其成本较高，传感器制备工艺也较为复杂，因此限制了其使用。

发明专利CN 106802190 A公开了一种高灵敏无温度交叉干扰的光纤扭转传感器，包括第一单模光纤、第一细芯光纤、锥形细芯光纤、第二细芯光纤和第二单模光纤；所述第一单模光纤的一端与第一细芯光纤相连，两者之间的错位熔接点作为第一熔接点，错位熔接用于将第一单模光纤中传输的光较为平均的耦合到第一细芯光纤的纤芯和包层中；另一端用于外接宽源光源；第一单模光纤用于将宽带光源发出的光耦合到第一细芯光纤的纤芯中；所述锥形细芯光纤设在所述第一细芯光纤和所述第二细芯光纤之间，用于将第一细芯光纤的包层中传输的光部分泄漏到外界环境中；所述第二细芯光纤的另一端连接所述第二单模光纤的一端，两者之间的错位熔接点作为第二熔接点，错位熔接用于将第二细芯光纤中纤芯和包层传输的光较为平均的耦合到第二单模光纤的纤芯中；所述第二单模光纤的另一端，作为输出端外接光谱仪；所述第一熔接点和所述第二熔接点采用光纤轴线方向对称、截面方向错位的熔接方式，与第一细芯光纤、锥形细芯光纤和第二细芯光纤一起形成光纤线内马赫-泽德干涉结构，第一、二细芯光纤与第一、二单模光纤轴线方向对称使得所述细芯光纤中被激发的包层模式数目相对较少，与细芯光纤纤芯形成模式干涉后能形成较为纯净的干涉图样，在垂直于光纤光轴的截面方向错位能使得熔接过程中分配到所述细芯光纤中纤芯和包层的光强较为平均。该发明灵的传感器敏度高、动态范围大，而且还具有结构简单、价格低廉、易于集成等优点。但是，该发明的传感器只能测量单个点的温度变化，并且该传感器的结构不牢固容易被外界扰动破坏，此外，该发明的传感器中采用的细芯光纤均采用火焰拉伸法制成，制作过程存在偶然性，不易重复。

全光纤Mach-Zehnder型干涉仪(以下简称MZI)具有结构简单坚固，体积小巧，制作简单，成本低廉，抗电磁干扰等优点，已被广泛应用于应变，温度，折射率，液位检测和生物医疗等领域。但是，目前基于MZI的温度传感只能用于一个点或者两个相距较远的点(距离通常大于20cm)。已有的基于标准单模光纤和细芯光纤级联的马赫泽德干涉仪温度传感器，是在两段普通单模光纤之间中接入一段细芯单模光纤，通过纤芯不匹配的结构，有效地激发出包层模式的光波，并与纤芯模产生干涉。对于上述这种只接入一段细芯光纤的传感器，当海水的温度变化较小时，不管接入的细芯光纤芯径和长度多少，其透射谱中都会存在或干涉峰值波长的改变量较小灵敏度较低，或光谱消光比较小不易分辨峰移量等问题，且都只能测量单点海水的温度。即使将两个上述传感器进行串联，也只能用于距离较远的两个点温度传感，且串联后的光谱由于两套干涉信号的直接叠加很容易变得混乱而难以解调和分析。因此可用于海水准连续两点温度传感的全光纤MZI亟待被研发。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于细芯光纤和标准单模光纤级联的两点海水温度传感器，以解决海水中准连续两点温度传感的技术问题，该传感器结构简单，机械强度也较好，测量准确，灵敏度高，可重复性好且具有一定的灵活性。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种基于细芯光纤和标准单模光纤级联的两点海水温度传感器，包括依次相连的第一单模光纤、第一细芯单模光纤和第二单模光纤，所述第一细芯单模光纤的前端与第一单模光纤的后端错位地熔接在一起，所述第一细芯单模光纤的后端与第二单模光纤的前端无错位地熔接在一起；所述第二单模光纤的后端依次无错位熔接有第二细芯单模光纤和第三单模光纤。

优选的，所述第一单模光纤、第二单模光纤与第三单模光纤均包括纤芯和以及包裹在纤芯外部的包层，所述纤芯的直径为8.2μm，纤芯与包层的总直径为125μm。

优选的，所述第一细芯单模光纤的长度为0.85cm。

优选的，所述第一细芯单模光纤包括纤芯和以及包裹在纤芯外部的包层，所述第一细芯单模光纤的总直径125μm，纤芯直径3.6μm。

优选的，所述第二单模光纤的长度为6.45cm。

优选的，所述第二细芯单模光纤的长度为0.35cm。

优选的，所述第二细芯单模光纤包括纤芯和以及包裹在纤芯外部的包层，所述第二细芯单模光纤的总直径125μm，纤芯直径4.4μm。

优选的，所述第一细芯单模光纤的前端与第一单模光纤的后端之间的错位熔接区域的外部套设有金属管，所述金属管与错位熔接区域之间通过PDMS进行连接。

进一步，利用PDMS进行封装加固的方法为：将金属管去除一部分侧壁后套设于错位熔接区域处，用PDMS主剂与硬化剂以质量比10：1比例混合均匀后，利用静置的方式使PDMS的混合液中的气泡浮至表面并破裂，之后将混合液注入金属管，然后再放置于120℃的加热台上固化15分钟。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过分析MZI的工作原理，设计了MZI的组成结构和各段光纤的芯径及长度；经过设计及优化后的干涉光谱明显分为三部分，光谱的短波部分主要来自第一细芯光纤，长波部分主要来自第二单模光纤，中间部分是上述两者之间的过渡部分；本发明还对前端的单模光纤与细芯光纤之间采用错位熔接，并对错位熔接区域进行了PDMS封装加固。本发明结构简单牢固，测量准确，灵敏度高，重复性好，能够对准连续两点海水温度进行传感，且在一定范围内(范围大概为一厘米到二十厘米)，两点的距离灵活可调。

附图说明

图1为本发明的实施例1的结构示意图；

图2为实施例1中FSR随SMF2段的长度变化图；

图3为实施例1中光谱对比图；

图4为对比例1的传感器结构示意图；

图5为对比例1中两段普通单模光纤之间只熔接一段4.0cm Nufern 460-HP光纤的透射光谱；

图6为对比例1中两段普通单模光纤之间只熔接一段2.8cm Nufern780-HP光纤的透射光谱；

图7为对比例2的传感器结构示意图；

图8为对比例2的透射光谱；

图9为实施例2中不同温度下传感器结构的输出光谱1；

图10为实施例2中不同温度下传感器结构的输出光谱2；

图11为实施例2中的传感器II在不同温度下的输出光谱；

图12为实施例2中传感器II的B1、B2、B3三个典型位置在不同温度下的输出光谱。

具体实施方式

本发明提出了一种由多段单模光纤细芯光纤级联组成的全光纤马赫-泽德干涉仪，用于海水中准连续两点温度传感。通过分析MZI的工作原理，设计了MZI的结构和各段光纤的芯径及长度，获得了清晰的干涉谱。通过进一步的优化，干涉光谱明显分为三部分，光谱的前端部分来自第一细芯光纤，最后部分主要来自第二单模光纤，中间部分是上述两者之间的过渡部分。另外，为了使两根光纤之间的熔接拼接更牢固，引入了一种实用而简单的加固方法。基于制作的MZI，展示了准连续两点温度传感，估计了灵敏度，并将本传感器测量值与温度计测量值进行了对比。

本发明的实验仪器与耗材如下：

超连续激光源 熔接机

光谱仪(AQ6370C)

加热台

聚二甲基硅氧烷(PDMS)

单模光纤(SMF-28) 纤芯直径8.2微米，总直径125微米

细芯光纤

(1)Nufern 460-HP 纤芯直径2.5微米，总直径125微米

(2)Nufern 780-HP 纤芯直径4.4微米，总直径125微米

(3)Nufern 980-HP 纤芯直径3.6微米，总直径125微米

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1传感器结构设计

如图1所示，一种基于细芯光纤和标准单模光纤级联的两点海水温度传感器，包括依次相连的第一单模光纤(命名为SMF1)、第一细芯单模光纤(命名为TCF1)和第二单模光纤(命名为SMF2)，TCF1的前端与SMF1的后端错位地熔接在一起，TCF1的后端与SMF2的前端无错位地熔接在一起。SMF2的后端依次无错位熔接有第二细芯单模光纤(命名为TCF2)和第三单模光纤(命名为SMF3)。

由于错位熔接点非常脆弱，因此，SMF1与TCF1之间的错位熔接区域需要用PDMS(聚二甲基硅氧烷)封装。PDMS(polydimethylsiloxane)，是聚二甲基硅氧烷的英文缩写，是有机硅的一种，因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，成为一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。PDMS封装方式为：将金属管去除一部分侧壁后套设于错位熔接区域处，用PDMS主剂与硬化剂以质量比10：1比例混合均匀后，利用静置的方式使PDMS的混合液中的气泡浮至表面并破裂，之后将混合液注入金属管，然后再放置于120℃的加热台上固化15分钟。

SMF1、SMF2和SMF3均为包括纤芯和以及包裹在纤芯外部的包层的标准单模光纤，其总直径为125μm，纤芯的直径为8.2μm。

TCF1的长度为0.85cm，TCF1为包括纤芯和以及包裹在纤芯外部的包层的细芯单模光纤，TCF1采用总直径为125μm、纤芯直径为3.6μm的Nufern 980-HP。TCF2为包括纤芯和以及包裹在纤芯外部的包层的细芯单模光纤，TCF2为总直径为125μm、纤芯直径为4.4μm的Nufern 780-HP。

本实施例将SMF1-TCF1-SMF2-TCF2-SMF3依次连接，其获得的传感结构可以应用于海水中的准连续两点温度测量。其原理如下：

光波在输入单模光纤中以基模的形式传播，绝大部分光能量束缚在纤芯内。在第1个熔接点处(SMF1与TCF1交界处)，由于芯径的不匹配和错位熔接，部分光注入TCF1的包层，从而激发包层模在包层中传输，其有效折射率与外界液体的折射率有关。另一部分光耦合进TCF1的纤芯，以纤芯模的形式在纤芯内传播，其有效折射率不受到外界液体折射率的影响。由于相位差，包层模和纤芯模发生干涉。这构成了第一个模式干涉单元(以下用IMI-A表示)。

在通过TCF1后，两部分光将在SMF2中重新耦合。然而，在TCF1-SMF2熔接点处，TCF1的包层中传输的包层模式的一部分将直接进入SMF2的包层中以包层模式短距离传播，并且这个包层模式会和纤芯模式发生干涉，形成第二个模式干涉单元(以下用IMI-B表示)。但是SMF2如果过长，其中的包层模式就会发生退化，为了保持SMF2中包层模的传播，本发明将SMF2截断至6.45cm左右，然后与一段非常短的0.35cm的TCF2(Nufern780-HP)熔接。由于TCF2长度很短，该段光纤自身产生的自由光谱范围很大，这样就可以避免其对整个光谱的过多调制和干扰。

为了进一步验证IMI-B部分的干涉主要发生在SMF2部分，本发明基于以下理论测量了具有不同长度的SMF2的透射光谱(除SMF2部分的长度不同外，其他部分的结构组成均同图1)，见图2。

其中Δneff是纤芯模和包层模有效折射率之间的差，m是MZI的干涉级次，L是发生干涉区域的长度，Δλdip，m是两个相邻干涉最小值之间的波长间隔(即自由光谱范围，以下简称FSR)。

如图2所示，随着SMF2长度的增加，FSR逐渐下降。这个实验结果与上述理论公式(1)是相符的，从而验证了干涉现象的确发生在SMF2段内。此外，从图2可以看出，SMF2如果过长(大概大于20cm)，其中的包层模式就会发生衰退，为了保持SMF2中包层模的传播，我们将SMF2切断至6.45cm，然后与一个非常短的0.35cm的TCF2(Nufern780-HP)熔接。由于TCF2长度很短，自身的自由光谱范围很大，这样就可以避免其对整个光谱的过多调制和干扰。

最后，用SMF3与TCF2连接，用作与光谱仪连接信号输出，光谱仪收集得到的透射光谱见图3。如图3所示，第一个干涉仪IMI-A的干涉效应主要在短波段占据主导地位，第二个干涉仪IMI-B的干涉效应主要在长波段占据主导地位，为了对比，图3中的实线是只在两根标准单模光纤中间错位熔接一段长为0.85cm的Nufern 980-HP细芯光纤(TCF1)的透射光谱，虚线是加上SMF2、TCF2后本发明涉及的整个MZI结构的透射光谱。可以看出，图3中的透射谱中即包含IMI-A干涉单元的干涉信息也包含IMI-B干涉单元的干涉信息，并且两套干涉在光谱中的表现是相对独立的，一个主导短波区域，一个主导长波区域，所以理论上不但适合同时测量两点的海水温度，而且还很方便进行光谱分析。

综上，从结构上说，本发明中采用的细芯光纤为商业成品，不存在偶然性，且在错位熔接处用了PDMS封装保护，结构稳定不易损坏。从产生光谱上说，输出光谱中包含两套干涉光谱，且这两套光谱对整个光谱的调制是相对独立的，一个主导短波区域，一个主导长波区域，所以从理论上讲可以实现两点海水温度的同时测量，且可以利用傅里叶分析的方法很方便地对光谱进行分析，为后续传感灵敏度的提高提供参考。

对比例1

与实施例1不同的是，通过普通光纤熔接设备将细芯光纤两端分别与标准单模光纤(SMF-28e)无偏心熔接。利用超连续光源入射到如图4所示的传感器结构，用AQ6370C光谱仪(最高分辨率可达20pm)来测量传感系统的透射光谱。实验过程中所用液体为盐浓度为33‰的海水溶液。

当细芯光纤Nufern 460-HP的长度为4.0cm时，其透射光谱见图5。选取谱线中，波谷为特征峰。如图5所示，通过加热台改变海水温度，可以看出，随着温度的增大，光谱曲线明显向长波长方向移动。其温度传感灵敏度为13pm/℃。

当细芯光纤选用长度为2.8cm、纤芯直径为4μm的Nufern 780-HP时，其透射光谱见图6。如图6所示，通过加热台改变海水温度，可以看出，随着温度的增大，光谱曲线明显向长波长方向移动。其温度灵敏度为32pm/℃。

对比图5和图6可以看出，只熔接Nufern 460-HP的结构的FSR要远远大于只熔接Nufern 780-HP结构的传感器，其动态范围比较大，但灵敏度偏低。而只熔接Nufern 780-HP结构的传感器，从图6中我们可以明显看到，该光谱的干涉消光比比较浅，不利于观察到明显的特征峰及后续峰移的观察，并且上述两种结构仅适用于单点的海水温度测量。

对比例2

与对比例1不同的是，为了提高灵敏度，和制造更明显的模式干射效应，设计如图7所示的错位熔接结构，在两段单模光纤中，错位熔接一段长度为0.85cm的Nufern 980-HP细芯光纤，所得到的光谱如图8(a)中实线所示(使用PDMS封装前)。但因为错位熔接处不牢固，错位连接区域选择如实施例1所述的PDMS封装方式来稳定结构，封装后的结构透射光谱如图8(a)中的虚线所示(图8b是单独错位熔接TCF1后不接SMF2、TCF2的结构的测温谱)。从图8(b)可以看出，随着温度的增大，光谱曲线明显向长波长方向移动，其温度灵敏度为46.3pm/℃。可以看出，这种封装没有使谱线发生太大的改变，这种轻微的改变可能是由于PDMS的折射率(折射率为1.406)与空气的折射率(折射率为1)相差较大所导致的，也有可能是因为封装固化后PDMS对光纤的应力造成的。但是对比例2中的这种传感器方式，也仅能用来测量单点海水温度，对于两点海水温度的测量并不适用。

综上，对比例1中的无错位熔接，在单点测温中就可能出现灵敏度低、消光比低等问题，而对比例2中的SMF-TCF-SMF的结构因为只有一套干涉信号，因此只适用于单点温度测量，不适合用作准连续两点海水温度传感。即使将对比例2中的两个传感器进行串联，也会导致两个传感器消光比比较高的这部分干涉信号(这部分信号都集中在1150nm到1270nm波段)在同一波段直接叠加而导致透射光谱非常混乱，无法辨认。

实施例2两点温度的测量

为了演示本发明在准连续两点海水温度传感中的应用，本发明进行了如下实验：将图1所示的IMI-A部分浸入到第一个海水容器中作为第一个测温点，IMI-B部分浸入到第二个海水容器中作为第二个测温点；两个容器的间距约为1cm(认为是准连续分布的两点)；通过加热台分别改变两个测温点处的海水温度，并利用热电偶温度计进行两点海水温度测量校正。

首先，在只改变IMI-A处第一个测温点温度的情况下，我们得到如图9所示的透射光谱图，并选取其中的两个典型峰Peak A，Peak B的峰移情况进行分析。如图9所示，随着温度逐渐增加，上述两个峰均向长波方向偏移。由于此部分实验中IMI-B处的海水温度始终保持12.8℃，所以输出光谱的变化仅由第一个测温点处的温度变化引起。通过追踪A，B两个峰，我们得到了这两个峰的峰移量与温度变化的关系，如图9所示，斜率就是对应的灵敏度，分别为42.7pm/℃和9.7pm/℃。

类似地，在只改变IMI-B处第二个测温点温度的情况下，本发明得到如图10所示的光谱图，可以看到随着温度逐渐增加，这两个峰也向右移动。输出光谱如图10所示，由于此部分实验中样品第一个测温点处的海水温度始终保持14.3℃，因此输出光谱的变化仅由IMI-B处的温度变化引起。图10表明两种峰均随着温度的升高向长波方向移动。通过追踪上述A、B两个峰，得到他们峰移量与温度变化的关系，如图10所示，斜率就是对应的灵敏度，分别为8.4pm/℃和39.2pm/℃。

综上，由实施例1和实施例2获得的基于细芯光纤和标准单模光纤级联的两点海水温度传感器，能够测量海水两点的温度变化。虽然对于小于15pm/℃以下的灵敏度通常被认为是对温度不敏感的，但严格起见，本发明采用如下矩阵对两点间的温度交叉灵敏度进行校正，即两个典型干涉峰峰A和峰B移动量ΔλA、ΔλB与两个点的温度变化量ΔTA、ΔTB之间存在如下关系：

得到的上述矩阵适用于两点温度任意变化的情况。为了检验上述矩阵，本发明采用了test1(t1)、test2(t2)两个样品来检验，样品t1、t2的测试及计算结果如表1所示。将峰的位置代入上式中计算得到test1和test2样品温度，实验中样品的温度由温度计测得，测试样品数据如下表所示。结果表明利用本发明的传感器所测量的海水温度改变量与热电偶测得的改变量基本相符，表明该结构的测量具有良好的精度。

表1利用本发明的传感器进行样品test1、test2的测试

在上述实施例2中，由于海水容器的长度为3.5cm，所以被加热的IMI-B部分长度为3.5厘米，而第二个干涉仪IMI-B(SMF2)的总长为6.45cm，因此我们制作了另外一个类似结构的传感器II(左端无限长SMF1-0.85cmTCF1-6.3cmSMF2-0.4cmTCF2-右端无限长SMF3)进行了被加热的SMF2长度与传感灵敏度关系的实验，所述传感器II的结构见图12(a)。其透射光谱如11(a)所示，我们选择了不同的加热长度作为典型长度，分别为1.5cm、3cm、3.5cm和5cm。1548nm左右的干涉峰值被选为典型峰值(由B’峰表示)。相应地，在图11(b)-11(e)中画出了峰B’随温度变化的情况，并将不同温度下的峰值波长绘制在了图11(f)-11(i)中，灵敏度依次为27.75pm/℃、38.29pm/℃、39.62pm/℃、47.5pm/℃。为了进一步分析灵敏度对长度的依赖性，图11(j)画出了灵敏度随加热长度变化的关系，图中显示随着加热长度的增加，灵敏度会近似线性地增加。而这也与下述温度灵敏度的理论公式相符合：

根据上面的(3)式，我们可以得出，第二个测温点的位置对灵敏度没有影响，只要第二个测温点位于SMF2的长度范围内即可。为了验证这一点，我们选择了第二个测温点的三个不同位置(图12(a)中的B1、B2和B3)作为三个典型的位置。将第二个干涉仪IMI-B浸入海水部分长度固定为3.0cm。同样的方法，在图12(b)、12(c)和12(d)中绘制了峰B1、B2和B3随温度变化的情况，通过线性拟合得知三个位置对应的灵敏度分别是39.41pm/℃、38.2pm/℃和37.10pm/℃，这说明测温点位置确实与灵敏度无关，换句话说，两个测温点的距离可以在1cm到6.45cm甚至更大的范围内(一般不超过20厘米)自由调节，都不会影响两个点的测温灵敏度，具有一定的灵活性和创新性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。