一种气球形双绞线微纳光纤传感器及温度、压力测量装置

本发明涉及光学测量，具体而言，涉及一种气球形双绞线微纳光纤传感器及温度、压力测量装置。

背景技术：

1、温度与压力是众多物理量中最常见、最重要的参数之一。高精度温压传感测量在国防与安全、临床医学、土木工程与建设等关键领域不可或缺。光纤传感器作为一种新型的传感技术，以其固有无源、抗电磁干扰、体积小、不易受恶劣环境影响等独特优点在众多压力传感器中脱颖而出。与传统的电容式、电阻式、电感式传感器相比，光纤温压传感器无需外部电源供电，抗电磁干扰、可靠性高，同时由于光纤细小柔软，适应性强，可以在狭小空间内灵活布置，适用于各种复杂环境。

2、微纳光纤作为光纤与纳米技术的结合，已经成为研究光传感的重要手段，而减小传感器结构的尺寸往往是使传感器响应更快、灵敏度更高、功耗更低和空间分辨率更好的必要步骤。利用光纤进行压力检测的方法有许多，包括光纤布拉格光栅(fbg)压力传感、光纤干涉测量、检测光纤结构中空腔的折射率变化等。光纤干涉测量法在空气压力监测中广泛应用，其依赖于可变形薄膜和光纤尖端。虽然微纳光纤具有诸多的性能优势，但在实际应用中，它仍然受到一些固有的限制，如测量参数相对单一、灵敏度和可重性方面存在不足，且存在测量过程中温度和压力之间交叉灵敏度的问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：

2、现有的微纳光纤传感器灵敏度和可重性方面存在不足，以及存在测量过程中温度和压力之间交叉灵敏度的问题。

3、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：

4、本发明提供了一种气球形双绞线微纳光纤传感器，包括：由双绞耦合的微纳光纤腰区和一个气球形的环路光纤组成的气球形双绞线微纳光纤，所述气球形双绞线微纳光纤嵌于柔性膜片中。

5、进一步地，所述双绞耦合的微纳光纤腰区的两条微纳光纤直径为3.2μm。

6、进一步地，双绞耦合的微纳光纤腰区的绞合匝数为10匝。

7、进一步地，所述柔性膜片为聚二甲基硅氧烷膜片。

8、进一步地，所述聚二甲基硅氧烷膜片的厚度为400μm、长度为76.2mm、宽度为25.4mm。

9、本发明还提供了一种温度、压力测量装置，包括：所述气球形双绞线微纳光纤传感器、光传感解调器、光电探测器、数据采集卡、信号处理单元和温度、压力计算单元；

10、所述气球形双绞线微纳光纤传感器用于采集温度、压力信息，温度和压力引起气球形双绞线微纳光纤周围的柔性膜片折射率分布发生改变，进一步引起光谱的波长发生偏移；

11、所述光传感解调器内部设有宽带光源，宽带光源通过光纤与所述气球形双绞线微纳光纤传感器的输入端连接，所述宽带光源发射一定波长的光信号，光信号经过双绞耦合的微纳光纤腰区后分成两路光信号进入气球形的环路光纤，两路光信号在气球形的环路光纤中传播后相遇形成干涉信号，干涉信号再次经过双绞耦合的微纳光纤腰区将携带温度和压力信息的光谱信号返回至光传感解调器内，光传感解调器实时检测返回的光谱信号；

12、所述光电探测器用于将自混合干涉信号转化为连续的模拟信号并发送至数据采集卡；

13、所述数据采集卡用于将接收的模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传送至信号处理单元；

14、所述信号处理单元用于检测的光谱数字信号的波长偏移，并将波长偏移信息传送至所述温度、压力计算单元；

15、所述温度、压力计算单元用于根据波长偏移计算温度和压力值。

16、进一步地，所述温度、压力计算单元的功能实现过程为：选择光谱中对温度灵敏度大的波谷dip1，通过测量不同温度下dip1处光谱的波长偏移量，构建波长偏移与温度的关系曲线，计算对温度的传感灵敏度；选择光谱中对压力灵敏度大的波谷dip2，通过测量不同压力下dip2处光谱的波长偏移量，构建波长偏移与压力的关系曲线，计算对压力的传感灵敏度；

17、通过检测dip1和dip2处光谱的波长偏移量，实现温度t和压力p的同时测量。

18、进一步地，该装置的温度测量范围为36℃-42℃，压力测量范围为0-245.0pa。

19、相较于现有技术，本发明的有益效果是：

20、本发明一种气球形双绞线微纳光纤传感器，采用双绞耦合的微纳光纤腰区和一个气球形的环路光纤，大幅度提升了传感器的灵敏度和实用性。通过测试表明：在压力0-245.0pa、温度36℃-42℃的测量范围内，反射光谱具有良好的线性响应；传感器的温度传感灵敏度为2904.10pm/℃，压力灵敏度为54.43pm/pa；理论最大温度分辨率为0.0013℃，最大压力分辨率为0.0730pa。本发明可实现温度和压力的同时、准确测量

21、本发明传感器还具有尺寸小、成本低、易制造和灵敏度高的优点。

技术特征：

1.一种气球形双绞线微纳光纤传感器，其特征在于，包括：由双绞耦合的微纳光纤腰区和一个气球形的环路光纤组成的气球形双绞线微纳光纤，所述气球形双绞线微纳光纤嵌于柔性膜片中。

2.根据权利要求1所述的气球形双绞线微纳光纤传感器，其特征在于，所述双绞耦合的微纳光纤腰区的两条微纳光纤直径为3.2μm。

3.根据权利要求2所述的气球形双绞线微纳光纤传感器，其特征在于，双绞耦合的微纳光纤腰区的绞合匝数为10匝。

4.根据权利要求1所述的气球形双绞线微纳光纤传感器，其特征在于，所述柔性膜片为聚二甲基硅氧烷膜片。

5.根据权利要求4所述的气球形双绞线微纳光纤传感器，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷膜片的厚度为400μm、长度为76.2mm、宽度为25.4mm。

6.一种温度、压力测量装置，其特征在于，包括：所述气球形双绞线微纳光纤传感器、光传感解调器、光电探测器、数据采集卡、信号处理单元和温度、压力计算单元；

7.根据权利要求6所述的温度、压力测量装置，其特征在于，所述温度、压力计算单元的功能实现过程为：选择光谱中对温度灵敏度大的波谷dip1，通过测量不同温度下dip1处光谱的波长偏移量，构建波长偏移与温度的关系曲线，计算对温度的传感灵敏度；选择光谱中对压力灵敏度大的波谷dip2，通过测量不同压力下dip2处光谱的波长偏移量，构建波长偏移与压力的关系曲线，计算对压力的传感灵敏度；

8.根据权利要求6所述的温度、压力测量装置，其特征在于，该装置的温度测量范围为36℃-42℃，压力测量范围为0-245.0pa。

技术总结
本发明一种气球形双绞线微纳光纤传感器及温度、压力测量装置，涉及光学测量技术领域，为解决现有的微纳光纤传感器灵敏度和可重性方面存在不足，以及存在测量过程中温度和压力之间交叉灵敏度的问题。气球形双绞线微纳光纤传感器，包括：由双绞耦合的微纳光纤腰区和一个气球形的环路光纤组成的气球形双绞线微纳光纤，所述气球形双绞线微纳光纤嵌于柔性膜片中。气球形双绞线微纳光纤传感器安装于温度、压力测量装置，可实现温度和压力的同时、准确、高灵敏度测量。

技术研发人员：梁洪卫,范家起,张佳韪,阚玲玲,姜春雷,杜佳丽,郭敏飞,聂蕊
受保护的技术使用者：东北石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5