[发明专利]光纤传感单元及其在同时测量折射率温度的应用

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是针对局部区域内的折射率和温度监测的光纤传感单元及其应用，在大气环境、土壤水质、生物医学、生命科学和人体检测等领域可被应用。

背景技术

折射率能反映物质的某些特性，如大气中的湿度，土壤水质中的杂质和微生物含量，人体血液中的血糖含量，因此测量折射率非常具有意义。传统的测量折射率方法是使用阿贝折射率仪，但是这种方法需要采样才能测量折射率，不具备远程监测和实时测量的能力。同时基于光纤传感折射率测量方法已被广泛报道，这是由于光纤传感具有不受电磁环境干扰、灵敏度高、成本低、体积小等优点。

温度同样是测量领域中的一个重要的参量，如环境温度，人体体温，工艺工程中的温度测量等。然后在液体环境中，温度的改变会导致液体折射率的改变，这是由于液体的热光效应导致的。例如利用测量折射率方法测量人体血糖时，当人体体温改变，会导致测量出的血糖含量不准。所以在测量折射率时候必须考虑到温度因素的串扰，有效的解决这种串扰的方式是将折射率和温度同时测量出来。

目前国内外已经报道了多种基于光纤的折射率温度同时测量的方法，例如：周雨萌等人申请的实用新型专利“基于长周期光纤光栅折射率温度双参量测量(专利号CN203811537U)”，该专利工作机理在于在传感光纤上刻有两段长周期光纤光栅，这两段长周期光纤光栅相互连接且具有不同的光栅周期，即会产生两个不同的谐振峰波长。其中一段长周期光纤光栅具有涂覆层从而谐振峰只随温度线性变化而对折射率不敏感，另一部分长周期光纤光栅没有涂覆层从而其谐振峰会同时随折射率和温度线性变化。王婷婷等人申请的实用新型专利“光子晶体光纤折射率温度传感器及测量系统(专利号CN202710208U)”，作者利用单模光纤为光信号输入输出光纤、光子晶体光纤为传感器探头以及由光子晶体光纤的包层空气孔塌陷形成的椭球空气腔与传感器探头本身组成复合法布里-珀罗腔，以复合腔用于折射率和温度双参量传感。Jiejun Zhang等人在文章“Microfiber Fabry-Perot Interferometer for Dual-Parameter Sensing,J.Lightwave Technol.,vol.31,p.1608-1615”中叙述了一种将Bragg光纤光栅中心区域拉锥至微纳光纤，形成微纳光纤法布里-珀罗干涉装置。此干涉装置两端的FBG只对温度敏感，而对折射率不敏感，而两端的FBG和中间的微纳光纤形成的法布里-珀罗干涉仪对折射率和温度都敏感，所以该装置可以用于折射率温度双参量的测量。然而上述方法都有一定的弊端，如制备光栅需要用紫外激光器及相位掩膜板刻制光栅，所需成本较高并且制备工艺较复杂；基于光纤本身热光系数传感，获得灵敏度值很低。

本发明结合微纳光纤倏逝场的特殊光学特性和光纤端面菲涅尔反射的光强特性，提出了基于一种微纳多模光纤菲涅尔反射高灵敏度折射率温度同时测量传感器。该传感器具有结构简单、成本低、体积小、灵敏度高等优势，在土壤水质监测和生物医学等领域有着广泛的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有的针对折射率测量存在的温度串扰问题，提出一种光纤传感单元及其在同时测量折射率温度的应用，该光纤传感单元具有很高的折射率温度灵敏度，成本低、体积小、结构简单、易于实现。

为解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：一种光纤传感单元，由输入单模光纤，微纳多模光纤，反射单模光纤和一个反射端面构成；所述输入单模光纤，微纳多模光纤，反射单模光纤先后顺序连接，所述反射端面位于所述反射单模光纤的尾端。

所述的微纳多模光纤包括腰区和分别连接腰区两端的两个锥形区，两个锥形区分别连接所述输入单模光纤、反射单模光纤。所述腰区直径为4μm至12μm，用于支持HE₁₁模式和HE₁₂模式传播。由于HE₁₁模式和HE₁₂模式都存在较强的倏逝场，因此由这两个模式产生的干涉光谱对折射率和温度变化十分敏感。所述微纳多模光纤通过非绝热拉锥制成。所述反射端面是用光纤切割刀在反射单模光纤任意位置垂直切割获得。