[发明专利]温度与应变双参量传感系统及其测量方法

权利要求书

1.一种温度与应变双参量传感系统，其特征在于，包括宽带光源、输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤、光谱仪；输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤依次同心连接，从宽带光源发出的光经输入单模光纤入射到光子晶体光纤，激发起对外界温度、应变敏感的纤芯基模、纤芯高阶模和包层模模式，光通过光子晶体光纤与输出单模光纤的熔接处耦合到输出单模光纤并发生干涉,光谱仪采集干涉谱，光子晶体光纤的包层由空气包层与外包层组成，空气包层由空气孔堆积而成，呈圆形或者正六边形；纤芯直径为2.7～19.4μm，单个空气孔直径为1～5μm，相邻空气孔间距为1.6～11.2μm。

2.根据权利要求1所述的温度与应变双参量传感系统，其特征在于，纤芯材质为二氧化硅，空气孔的孔壁为二氧化硅材质，空气包层的等效折射率范围为1.2～1.45，光子晶体光纤中空气孔的层数为1～5层，包层直径为110～220μm，包层材料为二氧化硅。

3.根据权利要求2所述的温度与应变双参量传感系统，其特征在于，光子晶体光纤的空气包层为3层空气孔，纤芯为实心，光子晶体光纤长度范围为1～5cm。

4.一种温度与应变双参量的测量方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一系统，包括以下步骤，将宽带光源、输入单模光纤、光子晶体光纤、输出单模光纤、光谱仪顺次连接，从宽带光源发出的光经输入单模光纤入射到光子晶体光纤后，激发起对外界温度、应变敏感的纤芯基模、纤芯高阶模和包层模模式；光通过光子晶体光纤与输出单模光纤的熔接处耦合到输出单模光纤并发生干涉，光子晶体光纤所处的温度、应变发生改变，干涉峰的波长位置发生改变，通过对干涉透射谱进行傅里叶变换及逆变换来检测不同模式干涉时干涉峰波长的移动，实现对外界应变、温度的同时测量。

5.根据权利要求4所述的温度与应变双参量的测量方法，其特征在于，对光谱仪中的干涉透射谱采取傅里叶变换，对纤芯基模和纤芯高阶模产生干涉的空间频谱、纤芯模和包层模产生干涉的空间频谱进行傅里叶逆变换分别得到对于温度及应变的干涉图像，结合灵敏度矩阵，计算得到对温度及应变的响应曲线。

6.根据权利要求4或5所述的温度与应变双参量的测量方法，其特征在于，包层模与纤芯基模、纤芯高阶模耦合进入输出单模光纤，选择光子晶体光纤的长度L为1～5cm，使得纤芯中的基模与高阶模之间存在相位差、纤芯模与包层模之间存在相位差，且相位差满足Φ＝2πΔnL/λ，从而纤芯中的基模与高阶模、纤芯模与包层模发生干涉，式中Δn为模式之间的折射率差，范围为0.01～0.2，λ为真空中的波长，L为干涉臂光子晶体光纤的长度。

7.根据权利要求4或5所述的温度与应变双参量的测量方法，其特征在于，在无应变条件下，环境温度变化时，测出包层模与纤芯模干涉峰、纤芯基模与纤芯高阶模干涉峰的特征波长随温度变化的拟合曲线，计算得到该传感系统温度灵敏度。

8.根据权利要求4或5所述的温度与应变双参量的测量方法，其特征在于，在环境温度恒定的条件下，对该系统施加应力，应变从0增加到一设定值，得到包层模与纤芯模干涉峰、纤芯基模与纤芯高阶模干涉谱的特征波长随应变变化的拟合曲线，计算得到该传感系统的应变灵敏度。

9.根据权利要求5所述的温度与应变双参量的测量方法，其特征在于，通过灵敏度矩阵，可以得到当温度及应变同时改变的时候，多模光纤的投射干涉光波长的变化为：

Δλ₁为纤芯模之间干涉的透射光波长在温度、应变改变时的变化量，Δλ₂为纤芯模与包层模之间干涉的透射光波长在温度、应变改变时的变化量，ΔT为光纤所处环境温度的变化量，Δε为光纤所受应变的变化量，k_1,T为纤芯模之间干涉的透射光波长对温度变化的线性灵敏度系数,k_1,ε为纤芯模之间干涉的透射光波长对应变变化的线性灵敏度系数,k_2,T为纤芯模与包层模之间干涉的透射光波长对温度变化的线性灵敏度系数，k_2,ε为纤芯模与包层模之间干涉的透射光波长对应变变化的线性灵敏度系数。