本發(fā)明涉及傳感器測(cè)量
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度和溶液折射率的方法。
背景技術(shù)：
：全光纖化的傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)測(cè)試量敏感、傳輸信道多等優(yōu)勢(shì)廣泛地應(yīng)用于光纖傳感、光纖通信、光學(xué)加工等領(lǐng)域。通過光纖端面微加工技術(shù)或搭建具有干涉結(jié)構(gòu)的全光纖傳感器，在泵浦源作用下，輸出具有梳狀譜圖樣的干涉譜曲線。細(xì)芯光纖馬赫-曾德光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)由一段細(xì)芯光纖熔接在兩段芯徑相對(duì)較粗的摻雜稀土光纖中，摻雜稀土光纖也被用作為傳感器的增益介質(zhì)。現(xiàn)有技術(shù)中，基于雙芯光纖的馬赫-曾德干涉儀，應(yīng)用于溫度和溶液折射率的測(cè)量，干涉條紋襯幅比約為10dBm，條紋間隔約為2nm。光纖馬赫-曾德干涉儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、條紋襯比度高、梳狀譜密集等優(yōu)勢(shì)。纖芯錯(cuò)位就是光纖熔接時(shí)纖芯不匹配，根據(jù)纖芯失配原理，纖芯失配濾波器是一種結(jié)構(gòu)特殊的馬赫-曾德干涉儀。在單模-多模-單模(Singlemode-Multimode-Singlemode，SMS)結(jié)構(gòu)，輸入端單模光纖將入射光耦合入纖芯錯(cuò)位的單模光纖中，多模光纖調(diào)制后將入射光經(jīng)由輸出端單模光纖引出，光波模式沿光導(dǎo)纖維傳輸，在傳輸方向上會(huì)出現(xiàn)光強(qiáng)隨多模光纖長(zhǎng)度的改變而周期性變化的現(xiàn)象，甚至在多模光纖內(nèi)出現(xiàn)與入射光場(chǎng)幾乎相同的光場(chǎng)分布，這就是多模光纖中的模式干涉效應(yīng)。由于在一根光纖就能實(shí)現(xiàn)多種模式之間的干涉，簡(jiǎn)化了光路，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且損耗低、不受外界干擾。但是單模-多模-單模結(jié)構(gòu)的傳感器對(duì)溫度和溶液折射率的靈敏度與光纖光柵對(duì)溫度和溶液折射率的靈敏度難以區(qū)別，在用于測(cè)量時(shí)難以實(shí)現(xiàn)溫度和溶液折射率的同時(shí)測(cè)量。因此，需要一種能有效地對(duì)溫度和溶液折射率進(jìn)行同時(shí)測(cè)量的一種利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度和溶液折射率的方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的一個(gè)方面在于提供一種利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度和溶液折射率的方法，所述方法包括如下步驟：a)選取三段單模光纖進(jìn)行錯(cuò)位熔接，得到錯(cuò)位傳感器；b)將所述錯(cuò)位傳感器與光纖光柵熔接，進(jìn)行溫度標(biāo)定和溶液折射率標(biāo)定；c)采集錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量，擬合錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量隨溫度和溶液折射率變化量的關(guān)系曲線；d)利用步驟c)的關(guān)系曲線對(duì)待測(cè)溶液中的溫度和溶液折射率同時(shí)測(cè)量。在一個(gè)方面，所述標(biāo)定方法包括如下步驟：(1)將熔接后的錯(cuò)位傳感器與光纖光柵置于可控溫度變化和折射率變化的溶液中；(2)以錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波谷作為采樣點(diǎn)，逐漸改變環(huán)境中溫度的大小，同時(shí)改變?nèi)芤旱娜芤赫凵渎?，記錄梳狀譜移動(dòng)的長(zhǎng)度。在一個(gè)方面，所述改變?nèi)芤赫凵渎实姆椒òǜ淖內(nèi)芤弘x子半徑、增加溶液的濃度或降低溶液的濃度。在一個(gè)方面，所述錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量隨溫度和溶液折射率變化量的關(guān)系曲線滿足如下關(guān)系：其中Δλ1、Δλ2分別為錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量；ΔT、Δn分別為溫度和溶液折射率的變化量；KT1、KT2分別為錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的溫度靈敏度；Kn1、Kn2分別為錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的溶液折射率靈敏度；D＝KT1Kn2-KT2Kn1。在一個(gè)方面，所述溫度靈敏度和所述溶液折射率靈敏度通過計(jì)算靈敏度曲線的斜率得到。本發(fā)明的另一個(gè)方面在于提供一種用于同時(shí)測(cè)量溫度和溶液折射率的系統(tǒng)，所述測(cè)量系統(tǒng)依次連接泵浦光源、波分復(fù)用器、增益光纖、第一單模光纖、錯(cuò)位傳感器、光纖光柵、第二單模光纖和光譜儀；所述錯(cuò)位傳感器由三段單模光纖錯(cuò)位熔接；所述錯(cuò)位傳感器與所述光纖光柵熔接在一起用于對(duì)溫度和溶液折射率進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。在另一個(gè)方面，所述增益光纖為一段摻雜稀土元素的光纖。本發(fā)明將錯(cuò)位傳感器和光纖光柵熔接在一起，由于光纖光柵和錯(cuò)位傳感器具有不同的溫度和溶液折射率傳感靈敏度，錯(cuò)位傳感器與光纖光柵在溫度和溶液震懾率改變的情況下產(chǎn)生不同的的波長(zhǎng)漂移量，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)溫度以及溶液折射率進(jìn)行測(cè)量。應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。附圖說明參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：圖1示意性示出了本發(fā)明利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度和溶液折射率的流程圖；圖2示出了本發(fā)明三段單模光纖錯(cuò)位熔接的示意圖；圖3示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中錯(cuò)位傳感器與光纖光柵熔接對(duì)溫度和溶液折射率標(biāo)定的示意圖；圖4示出了本發(fā)明錯(cuò)位傳感器的波長(zhǎng)漂移示意圖；圖5示出了本發(fā)明與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移示意圖。具體實(shí)施方式通過參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例；可以通過不同形式來對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。在下文實(shí)施例中，對(duì)本發(fā)明的一種利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度和溶液折射率的方法做詳細(xì)說明的過程中，一些相關(guān)的技術(shù)術(shù)語應(yīng)當(dāng)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所能夠理解的。為了清楚的說明本發(fā)明的內(nèi)容，在如下實(shí)施例中給出了本發(fā)明利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度和溶液折射率的具體流程。如圖1所示本發(fā)明利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度和溶液折射率的流程圖，具體地，利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度和溶液折射率的方法，所述方法包括如下步驟：步驟S101：熔接錯(cuò)位傳感器，選取三段單模光纖進(jìn)行錯(cuò)位熔接，得到錯(cuò)位傳感器；步驟S102：溫度和溶液折射率標(biāo)定，將所述錯(cuò)位傳感器與光纖光柵熔接，進(jìn)行溫度標(biāo)定和溶液折射率標(biāo)定；步驟S103：擬合曲線，采集錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量，擬合錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量隨溫度和溶液折射率變化量的關(guān)系曲線；步驟S104：溫度和溶液折射率同時(shí)測(cè)量，利用步驟S103的關(guān)系曲線對(duì)待測(cè)環(huán)境中的溫度和溶液折射率同時(shí)測(cè)量。錯(cuò)位傳感器的熔接如圖2所示本發(fā)明三段單模光纖錯(cuò)位熔接的示意圖100，首先選取三段單模光纖，所述單模光纖包括包層和纖芯，光路傳播過程中由于纖芯錯(cuò)位實(shí)現(xiàn)模間干涉。將選取的三段單模光纖其中的第一段單模光纖101與第二段單模光纖102進(jìn)行錯(cuò)位熔接。優(yōu)選地，選擇手動(dòng)調(diào)節(jié)熔接機(jī)參數(shù)，固定上述第一段單模光纖101，對(duì)第二段單模光纖102錯(cuò)位調(diào)節(jié)后，通過放電熔接完成兩段單模光纖的熔接。同樣地，采用相同的步驟固定第三段單模光纖103，對(duì)熔接好的第一段單模光纖101和第二段單模光纖102進(jìn)行熔接，手動(dòng)調(diào)節(jié)熔接機(jī)參數(shù)，通過放電完成三段單模光纖的熔接。本實(shí)施例中，優(yōu)選三段單模光纖長(zhǎng)度一致。溫度和溶液折射率的標(biāo)定將錯(cuò)位熔接好的三段單模光纖作為錯(cuò)位傳感器與光纖光柵進(jìn)行熔接。如圖3所示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中錯(cuò)位傳感器與光纖光柵熔接對(duì)溫度和溶液折射率標(biāo)定的示意圖200，搭建測(cè)量系統(tǒng)，所述測(cè)量通過光纖204系統(tǒng)依次連接泵浦光源201、波分復(fù)用器202、增益光纖203、第一單模光纖205、錯(cuò)位傳感器206、光纖光柵208、第二單模光209纖、光譜儀210和溫度控制器207。其中，錯(cuò)位傳感器為上述三段單模光纖錯(cuò)位熔接得到。錯(cuò)位傳感器206與光纖光柵208置于可以控制溫度和折射率變化的溶液211中。在一些實(shí)施例中，增益光纖203優(yōu)選摻雜稀土元素的光纖。將所述錯(cuò)位傳感器206與所述光纖光柵208熔接在一起置于溫度和折射率均為可控的溶液211中對(duì)溶液211的溫度的變化量與折射率的變化量進(jìn)行標(biāo)定。具體地，標(biāo)定過程的步驟如下：步驟1：將熔接后的錯(cuò)位傳感器206與光纖光柵208置于可控溫度變化和折射率變化的溶液211中；步驟2：以錯(cuò)位傳感器206與光纖光柵208的波谷作為采樣點(diǎn)，逐漸改變環(huán)境中溫度的大小，同時(shí)改變?nèi)芤?11的溶液折射率，記錄梳狀譜移動(dòng)的長(zhǎng)度。在上述標(biāo)定過程中，溶液中的溫度通過溫度控制器207對(duì)溶液的溫度逐漸增加，同時(shí)逐漸增加溶液211的濃度。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)于標(biāo)定過程中可以選擇逐漸降低環(huán)境中的溫度大小和溶液折射率的大小、增加環(huán)境中溫度的大小同時(shí)降低溶液折射率的大小、降低環(huán)境中溫度的大小同時(shí)增加溶液折射率的大小多種方式的一種或多種。溶液折射率的改變可以選擇改變?nèi)芤弘x子半徑、增加溶液的濃度或降低溶液的濃度。在本發(fā)明中，由于錯(cuò)位傳感器和光纖光柵具有不同的溫度和溶液折射率傳感靈敏度，錯(cuò)位傳感器與光纖光柵在溫度和溶液折射率改變的情況下產(chǎn)生不同的的波長(zhǎng)漂移量。本實(shí)施例中，通過對(duì)溫度和溶液折射率改變的情況下采集到錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量，進(jìn)而擬合用于測(cè)量溫度和溶液折射率同時(shí)變化的曲線。本實(shí)施例的下文中，具體說明曲線擬合的方法。曲線的擬合在本實(shí)施例上述過程中，對(duì)溫度和溶液折射率的改變進(jìn)行記錄，得到溫度的變化量ΔT；溶液折射率的變化量Δn。如圖4所示本發(fā)明錯(cuò)位傳感器的波長(zhǎng)漂移示意圖，如圖5所示本發(fā)明光纖光柵的波長(zhǎng)漂移示意圖，采集記錄的梳狀譜移動(dòng)的長(zhǎng)度，得到錯(cuò)位傳感器的波長(zhǎng)漂移量Δλ1；光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量Δλ2。計(jì)算靈敏度曲線的斜率，得到錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的溫度靈敏度KT1、KT2；錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的溶液折射率靈敏度Kn1、Kn2。經(jīng)過矩陣計(jì)算得到錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量滿足如下關(guān)系：Δλ1Δλ2=KT1Kn1KT2Kn2ΔTΔn---(1)]]>對(duì)上述公式(1)得到關(guān)系進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)置計(jì)算得到：ΔTΔn=1DKn2-Kn1-KT2KT1Δλ1Δλ2---(2)]]>其中，其中Δλ1、Δλ2分別為錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量；ΔT、Δn分別為溫度和溶液折射率的變化量；KT1、KT2分別為錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的溫度靈敏度；Kn1、Kn2分別為錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的溶液折射率靈敏度；D＝KT1Kn2-KT2Kn1。溫度和溶液折射率的同時(shí)測(cè)量本實(shí)施例以溫度和溶液折射率均變化的環(huán)境中說明本發(fā)明的溫度和溶液折射率的同時(shí)測(cè)量。將所述測(cè)量系統(tǒng)的錯(cuò)位傳感器與光纖光柵置于溫度和溶液折射率同時(shí)變化的環(huán)境中，以錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波谷作為采樣點(diǎn)，記錄記錄梳狀譜移動(dòng)的長(zhǎng)度，從而得到錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量。這里以錯(cuò)位傳感器波長(zhǎng)漂移量Δλ1為例，光纖光柵傳感器波長(zhǎng)漂移量Δλ2為例。由公式直接讀取溫度和溶液折射率的變化量，從而實(shí)現(xiàn)溫度和溶液折射率的同時(shí)測(cè)量。本發(fā)明將錯(cuò)位傳感器和光纖光柵熔接在一起，由于光纖光柵和錯(cuò)位傳感器具有不同的溫度和溶液折射率傳感靈敏度，錯(cuò)位傳感器與光纖光柵在溫度和溶液折射率改變的情況下產(chǎn)生不同的的波長(zhǎng)漂移量，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)溫度以及溶液折射率進(jìn)行測(cè)量。結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3