[发明专利]温度与应变双参量传感系统及其测量方法

说明书

本发明公开了一种温度与应变双参量传感系统及其测量方法，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，光子晶体光纤纤芯支持基模和高阶模，利用纤芯基模与纤芯高阶模之间的干涉和纤芯模与包层模之间的干涉，能够同时测量温度及应变。采用傅里叶变换，通过编程，选择特定稳定的模式进行傅里叶逆变换，从而分别得到不同模式对于温度及应变的响应透射谱。结合灵敏度矩阵并选择同一波峰或波谷，测得对不同温度及应变的漂移量，从而得到传感器对于温度、应变的响应曲线。

技术领域

本发明属于光纤传感领域，尤其涉及一种温度与应变双参量传感系统及其测量方法。

背景技术

随着时代的发展，对传感器的要求也越来越高。光纤传感器因其本身的优点，在科研和工业应用中一直占有很重要的地位。

光子晶体光纤(PCF)是一种新颖的光纤，具有独特的光学性能。光子晶体光纤本身结构是带有缺陷的二位光波导阵列，其包层由折射率不同于纤芯的材料以沿光纤轴向伸展的圆孔周期性排列。这些规则排列的圆孔可以是空气孔，也可以是其他掺杂的材料组成。通过调节孔洞的大小、形状、位置分布，设计得到具有不同性质的PCF。由于光子晶体光纤具有很好的结构特性和模式特性，并且能方便得调控性能，可以用于对温度、应变、折射率等物理量的测量，因此，PCF的应用引起了研究者的广泛关注。目前已经实现了基于光子晶体光纤的温度或者应变光纤传感器。但是，目前的报道主要是单参量传感器，而实际中往往需要温度及应变同时测量。并且，已有的双参量传感器，测量方法较为简单，对外界环境的响应不够准确，限制了光纤传感器的应用范围。

专利CN201620421589.7、CN201620379742.4发明了一种应变和温度同时测量的光纤传感器，所述传感单元由输入腰椎多模光纤、传输光纤、输出腰椎多模光纤组成。该传感器利用光通过腰椎区域时耦合进包层，从而激发出包层模。在输出端腰椎多模光纤，光耦合进入单模光纤中，形成干涉。当外界应变、温度改变时，干涉衰减峰的波长位置会发生相应改变。但是，这个测量方法利用的是同一干涉图像上不同位置处干涉衰减峰的漂移量。利用的模式干涉均为纤芯基模与包层模干涉，这种测量方式容易混合了多种干涉模式，不能够很准确的得到传感器对于应变和温度的响应，并且难以控制耦合出的模式。而本专利采用的是纤芯基模与纤芯高阶模干涉、纤芯基模与包层模干涉，能够部分上设计控制模式的产生。利用两种干涉对应变和温度响应的极大不同，测量得到温度和应变的变化。本专利采用数值计算方法，能够区分不同干涉模式，这对于传感准确测量，具有很大的意义。

专利CN201410560810.2发明了温度不敏感型折射率传感器。该传感器利用光子晶体光纤与单模光纤错芯熔接，使光耦合进包层模。在另一端错芯部分，光耦合进单模光纤，形成干涉。干涉峰对温度灵敏度不高，对折射率灵敏度高。通过干涉峰或干涉谷的波长漂移得到折射率的变化。这种测量方式只能测量单一参量，而且选取单一波长或波谷，数据利用较少，误差较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种温度与应变双参量传感系统及其测量方法，基于光子晶体光纤的模式选择特性，利用模式间的马赫增德尔(Mach-Zehnder)干涉，采用傅里叶变换及傅里叶逆变换，根据其对不同温度及应变的漂移量，结合灵敏度矩阵测量温度及应变的灵敏度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种温度与应变双参量传感系统，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。光子晶体光纤分别与两端的入射端单模光纤和出射端单模光纤大电流多次放电融塌连接；宽带光源出射的光经过入射端单模光纤进入融塌连接的光子晶体光纤，一部分光在纤芯中通过，另一部分光在融塌区耦合通过包层，再经过另一端融塌区形成干涉通过输出端单模光纤，最后接入到光谱分析仪。