本發(fā)明涉及光纖傳感，尤其涉及一種基于并聯(lián)少模光纖游標(biāo)干涉儀的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、光纖傳感技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要組成部分，其以光波為載體，光纖為媒介，基于光纖本身的物理性質(zhì)，通過(guò)觀察內(nèi)部光波的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)各種物理量的高精度測(cè)量和信號(hào)的傳輸。光纖傳感的基本原理為：當(dāng)外部環(huán)境(溫度，折射率，位移等)發(fā)生變化時(shí)，將改變光纖中傳輸光的振幅、相位、偏振態(tài)等參數(shù)，進(jìn)而影響傳感系統(tǒng)輸出光譜。追蹤這些變化便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境參量的傳感。

2、公告號(hào)為cn109959403b的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種多參量大容量傳感系統(tǒng)，包括依次通過(guò)光纖連接的窄線寬脈沖激光器、摻餌光放大器、環(huán)形器、匹配干涉儀、反射光檢測(cè)單元和計(jì)算機(jī)；所述環(huán)形器上連接有偏心光纖，偏心光纖上刻寫(xiě)有超低反射率光柵陣列。上述方案提供的傳感系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)雜亂無(wú)章的干涉光譜，因此很難應(yīng)用游標(biāo)效應(yīng)放大其靈敏度，導(dǎo)致濃度檢測(cè)靈敏度偏低，因此，提供一種基于并聯(lián)少模光纖游標(biāo)干涉儀的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)，以提高重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度，是非常有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出了一種基于并聯(lián)少模光纖游標(biāo)干涉儀的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)。通過(guò)將少模mi光纖干涉儀以及單模mzi光纖干涉儀通過(guò)光環(huán)形器并聯(lián)連接，兩者的光譜疊加形成包絡(luò)譜，使得重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)對(duì)微小的波長(zhǎng)變化更加敏感，提高了重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度。

2、本發(fā)明提供了一種基于并聯(lián)少模光纖游標(biāo)干涉儀的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)，包括窄帶光源、傳輸光纖、光環(huán)形器、少模mi光纖干涉儀、單模mzi光纖干涉儀、光電探測(cè)器以及數(shù)據(jù)采集模塊，其中，

3、所述窄帶光源出射的第一光信號(hào)通過(guò)所述傳輸光纖耦合至所述光環(huán)形器的第一端；

4、所述光環(huán)形器的第二端與所述少模mi光纖干涉儀連接，所述第一光信號(hào)通過(guò)所述光環(huán)形器的第二端傳輸至所述少模mi光纖干涉儀，所述少模mi光纖干涉儀將第二光信號(hào)回返至所述光環(huán)形器的第二端；

5、所述光環(huán)形器的第三端與所述單模mzi光纖干涉儀連接，且所述單模mzi光纖干涉儀浸入待測(cè)溶液中，所述第二光信號(hào)通過(guò)所述光環(huán)形器的第三端輸出至所述單模mzi光纖干涉儀，當(dāng)所述待測(cè)溶液的離子濃度改變時(shí)，所述少模mi光纖干涉儀和所述單模mzi光纖干涉儀的峰值波長(zhǎng)發(fā)生相反方向的移動(dòng)并形成包絡(luò)譜，使所述單模mzi光纖干涉儀向所述光電探測(cè)器發(fā)射的第三光信號(hào)的光強(qiáng)發(fā)生變化；

6、所述單模mzi光纖干涉儀通過(guò)所述光電探測(cè)器與數(shù)據(jù)采集模塊連接，以使所述第三光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)存儲(chǔ)于所述數(shù)據(jù)采集模塊。

7、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述少模mi光纖干涉儀包括第一單模光纖和少模光纖，所述第一單模光纖與所述少模光纖正對(duì)熔接，所述少模光纖的長(zhǎng)度為7.2cm，所述少模光纖為四模光纖。

8、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述單模mzi光纖干涉儀包括依次設(shè)置的第二單模光纖、第三單模光纖以及第四單模光纖，且所述第二單模光纖、所述第三單模光纖以及所述第四單模光纖兩兩之間錯(cuò)位熔接，所述第三單模光纖的長(zhǎng)度為6cm。

9、更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述第二單模光纖、所述第三單模光纖以及所述第四單模光纖兩兩之間的熔接偏置量為10～12μm。

10、更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述少模光纖的纖芯直徑為14μm，包層直徑為125μm，纖芯折射率為1.449，包層折射率為1.444，所述第二單模光纖、所述第三單模光纖以及所述第四單模光纖的纖芯直徑均為9μm，包層直徑均為125μm，纖芯折射率均為1.468，包層折射率均為1.463。

11、更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述單模mzi光纖干涉儀外套設(shè)有直徑為3mm且長(zhǎng)度為10cm的玻璃毛細(xì)管。

12、更進(jìn)一步優(yōu)選的，還包括傳感裝置盒、載片以及玻璃棒，所述載片一側(cè)的末端設(shè)置有外延部，所述單模mzi光纖干涉儀安裝于所述載片上，所述傳感裝置盒包括第一盒體和第二盒體，所述第二盒體設(shè)置于所述第一盒體的一側(cè)，所述第二盒體用于放置所述光環(huán)形器和所述少模mi光纖干涉儀，所述第一盒體上開(kāi)設(shè)有多對(duì)凹槽，所述載片的外延部及所述玻璃棒均設(shè)置于對(duì)應(yīng)的凹槽內(nèi)，且所述玻璃棒與所述載片呈間隔相對(duì)設(shè)置，所述玻璃棒用于支撐所述載片，所述第一盒體用于承接廢液。

13、更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述多對(duì)凹槽包括第一凹槽、第二凹槽以及第三凹槽，所述載片的外延部卡接于所述第一凹槽，所述玻璃棒設(shè)置于所述第二凹槽或所述第三凹槽內(nèi)，且所述第一凹槽與所述第二凹槽的深度相同，所述第一凹槽的深度小于所述第三凹槽的深度。

14、更進(jìn)一步優(yōu)選的，當(dāng)所述玻璃棒設(shè)置于所述第二凹槽內(nèi)時(shí)，使所述載片和所述單模mzi光纖干涉儀處于水平狀態(tài)；當(dāng)所述玻璃棒設(shè)置于所述第三凹槽內(nèi)時(shí)，使所述載片和所述單模mzi光纖干涉儀處于傾斜狀態(tài)。

15、更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述窄帶光源的輸出光線的波長(zhǎng)為1540nm，所述光環(huán)形器工作波長(zhǎng)為1500nm～1570nm。

16、本發(fā)明提供的一種基于并聯(lián)少模光纖游標(biāo)干涉儀的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：

17、(1)通過(guò)將少模mi光纖干涉儀以及單模mzi光纖干涉儀通過(guò)光環(huán)形器并聯(lián)兩者的光譜疊加形成包絡(luò)譜，包絡(luò)譜中的包絡(luò)峰具有更窄的帶寬和更高的峰值，使得重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)對(duì)微小的波長(zhǎng)變化更加敏感，提高了重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度，并且包絡(luò)譜的自由譜區(qū)比單個(gè)干涉儀的自由譜區(qū)更大，重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)具有更寬的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，同時(shí)兩干涉儀間采取并聯(lián)式結(jié)構(gòu)連接，優(yōu)化了干涉儀光譜，兩干涉儀間互不影響，有利于干涉儀的光譜調(diào)控與結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化。

18、(2)通過(guò)將少模mi光纖干涉儀以及單模mzi光纖干涉儀分開(kāi)制作，并通過(guò)光環(huán)形器并聯(lián)連接，避免了傳統(tǒng)光纖干涉儀采用串聯(lián)的方式導(dǎo)致的兩干涉儀光譜疊加、互相影響以及不利于對(duì)單元干涉儀進(jìn)行光譜調(diào)控與結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化的問(wèn)題，同時(shí)兩干涉儀間采取并聯(lián)式結(jié)構(gòu)連接，優(yōu)化了干涉儀光譜，兩干涉儀間互不影響，有利于單元干涉儀的光譜調(diào)控與結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，同時(shí)，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)使傳感器體積減小。

19、(3)通過(guò)將少模光纖與單模光纖的纖芯直徑和折射率區(qū)別設(shè)置，有助于優(yōu)化模式場(chǎng)匹配，減少光纖連接處的損耗，少模模光纖相較于多模光纖有著更少的傳輸模式，模間干涉種類(lèi)更少，更易于確定干涉成分，從而克服了傳統(tǒng)的由多模光纖、光子晶體光纖制作的干涉儀模式眾多、不便于調(diào)控模式激發(fā)與控制光譜fsr的缺陷，同時(shí)基于少模光纖的模間干涉構(gòu)建反射式少模mi光纖干涉儀，相較于具有相同干涉效果的mzi光纖干涉儀，少模mi光纖干涉儀所需的光傳輸路徑可減小一半，從而可大幅降低傳感器尺寸。

技術(shù)特征：

1.一種基于并聯(lián)少模光纖游標(biāo)干涉儀的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)，其特征在于，包括窄帶光源(1)、傳輸光纖(2)、光環(huán)形器(3)、少模mi光纖干涉儀(4)、單模mzi光纖干涉儀(5)、光電探測(cè)器(6)以及數(shù)據(jù)采集模塊(7)，其中，

2.如權(quán)利要求1所述的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述少模mi光纖干涉儀(4)包括第一單模光纖和少模光纖，所述第一單模光纖與所述少模光纖正對(duì)熔接，所述少模光纖的長(zhǎng)度為7.2cm，所述少模光纖為四模光纖。

3.如權(quán)利要求1所述的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述單模mzi光纖干涉儀(5)包括依次設(shè)置的第二單模光纖、第三單模光纖以及第四單模光纖，且所述第二單模光纖、所述第三單模光纖以及所述第四單模光纖兩兩之間錯(cuò)位熔接，所述第三單模光纖的長(zhǎng)度為6cm。

4.如權(quán)利要求3所述的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述第二單模光纖、所述第三單模光纖以及所述第四單模光纖兩兩之間的熔接偏置量為10～12μm。

5.如權(quán)利要求4所述的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述少模光纖的纖芯直徑為14μm，包層直徑為125μm，纖芯折射率為1.449，包層折射率為1.444，所述第二單模光纖、所述第三單模光纖以及所述第四單模光纖的纖芯直徑均為9μm，包層直徑均為125μm，纖芯折射率均為1.468，包層折射率均為1.463。

6.如權(quán)利要求1所述的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述單模mzi光纖干涉儀(5)外套設(shè)有直徑為3mm且長(zhǎng)度為10cm的玻璃毛細(xì)管。

7.如權(quán)利要求6所述的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)，其特征在于，還包括傳感裝置盒(8)、載片(9)以及玻璃棒(10)，所述載片(9)一側(cè)的末端設(shè)置有外延部(91)，所述單模mzi光纖干涉儀(5)安裝于所述載片(9)上，所述傳感裝置盒(8)包括第一盒體(81)和第二盒體(82)，所述第二盒體(82)設(shè)置于所述第一盒體(81)的一側(cè)，所述第二盒體(82)用于放置所述光環(huán)形器(3)和所述少模mi光纖干涉儀(4)，所述第一盒體(81)上開(kāi)設(shè)有多對(duì)凹槽，所述載片(9)的外延部(91)及所述玻璃棒(10)均設(shè)置于對(duì)應(yīng)的凹槽內(nèi)，且所述玻璃棒(10)與所述載片(9)呈間隔相對(duì)設(shè)置，所述玻璃棒(10)用于支撐所述載片(9)，所述第一盒體(81)用于承接廢液。

8.如權(quán)利要求7所述的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述多對(duì)凹槽包括第一凹槽(811)、第二凹槽(812)以及第三凹槽(813)，所述載片(9)的外延部(91)卡接于所述第一凹槽(811)，所述玻璃棒(10)設(shè)置于所述第二凹槽(812)或所述第三凹槽(813)內(nèi)，且所述第一凹槽(811)與所述第二凹槽(812)的深度相同，所述第一凹槽(811)的深度小于所述第三凹槽(813)的深度。

9.如權(quán)利要求8所述的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)所述玻璃棒(10)設(shè)置于所述第二凹槽(812)內(nèi)時(shí)，使所述載片(9)和所述單模mzi光纖干涉儀(5)處于水平狀態(tài)；當(dāng)所述玻璃棒(10)設(shè)置于所述第三凹槽(813)內(nèi)時(shí)，使所述載片(9)和所述單模mzi光纖干涉儀(5)處于傾斜狀態(tài)。

10.如權(quán)利要求1所述的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述窄帶光源(1)的輸出光線的波長(zhǎng)為1540nm，所述光環(huán)形器(3)工作波長(zhǎng)為1500nm～1570nm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種基于并聯(lián)少模光纖游標(biāo)干涉儀的重金屬離子濃度傳感系統(tǒng)。創(chuàng)新性構(gòu)建了少模光纖MI作為游標(biāo)增敏單元，并與MZI傳感單元并聯(lián)實(shí)現(xiàn)增敏，涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。少模光纖僅能傳輸幾個(gè)光纖模式，模間干涉種類(lèi)少，可顯著簡(jiǎn)化光譜形狀、提高對(duì)比度。同時(shí)，MI的反射式結(jié)構(gòu)可減小腔長(zhǎng)即傳感器尺寸。另一方面，傳統(tǒng)串聯(lián)游標(biāo)中單元干涉儀的切割、熔接偏差會(huì)導(dǎo)致整個(gè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的光譜畸變，傳感器制作效率較低。為克服這一問(wèn)題，本發(fā)明創(chuàng)新性將MI與MZI由串聯(lián)改為并聯(lián)，從而可將兩個(gè)單元干涉儀分開(kāi)制作，避免相互影響，大大提高了傳感器制作的可控性。

技術(shù)研發(fā)人員：文曉艷,李欣堯,姚耀宗,惠宇翔,劉強(qiáng),張磊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26