本發(fā)明屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種傳感器。

背景技術(shù)：

光纖傳感器與其他傳感器相比具有體積小、重量輕、靈敏度高、不受電磁干擾、耐腐蝕等特點(diǎn)，使得光纖傳感器應(yīng)用范圍極廣，幾乎涉及了國防以及國民經(jīng)濟(jì)所有領(lǐng)域和人們的日常生活。

溫度是表示物體冷熱程度的物理量。在氣象、材料、工業(yè)、航空、醫(yī)藥等領(lǐng)域中，溫度的準(zhǔn)確檢測具有舉足輕重的作用。目前比較常見的光纖溫度傳感器主要有級聯(lián)型、光纖光柵型、薩格奈克干涉型等。如童崢嶸等提出了一種基于多模-單模-多模(Multimode-single mode-multimode,MSM)結(jié)構(gòu)與布拉格光柵(Fiber bragg grating,FBG)級聯(lián)同時(shí)測量溫度和折射率的傳感器，實(shí)驗(yàn)中測得的MSM結(jié)構(gòu)與FBG的溫度靈敏度分別為55.2pm/℃和15.8pm/℃；Hatta等提出了一種基于單模-多模-單模光纖結(jié)構(gòu)的溫度傳感器，在特定波長處實(shí)現(xiàn)了寬范圍的溫度測量。光纖光柵型，如姜德生等利用氫敏化處理的多模光纖制作了多模光纖光柵，其溫度靈敏度達(dá)到了9.8pm/℃；Pake等提出了一種在光纖布拉格光柵涂覆聚二甲基硅氧烷的溫度傳感器，溫度靈敏度可從10pm/℃增加到42pm/℃。薩格奈克干涉型，如綦菲等通過在邊孔光纖中注入乙醇溶液，利用乙醇的折射率隨溫度的變化，改變邊孔光纖的雙折射系數(shù)，從而使薩格奈克干涉儀的輸出譜發(fā)生波長漂移，實(shí)現(xiàn)了溫度傳感；Lim等提出了一種利用兩段保偏光纖構(gòu)成的薩格奈克干涉儀，所形成的溫度傳感器靈敏度可達(dá)65.3pm/℃。以上文獻(xiàn)對傳感器的溫度響應(yīng)特性進(jìn)行了深入且有意義的研究，但是，在測量溫度時(shí)，常常會受到外界環(huán)境折射率的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、制備簡單、靈敏度高、測量準(zhǔn)確的對折射率不敏感的級聯(lián)型單模-少模-單模光纖溫度傳感器。

本發(fā)明包括光源、傳感單元、光譜儀，所述傳感單元包括入射單模光纖、少模光纖和出射單模光纖，所述入射單模光纖的一端通過導(dǎo)入單模光纖與光源連接，其另一端與少模光纖的一端無錯(cuò)位熔接，該少模光纖的另一端與出射單模光纖的一端無錯(cuò)位熔接，該出射單模光纖的另一端與光譜儀連接。

所述光源選用波長范圍為1520-1610nm的寬帶光源；

所述入射和出射的單模光纖的纖芯直徑為9μm、包層直徑125μm；少模光纖的長度為81.5mm、纖芯直徑為20μm、包層直徑125μm。

所述級聯(lián)型單模-少模-單模光纖傳感器，由于少模光纖與單模光纖模場不匹配，致使在入射單模光纖與少模光纖熔接點(diǎn)處單模光纖的纖芯模式耦合到少模光纖的纖芯中，激發(fā)出多個(gè)纖芯模式，因此，其起到了模式分束器的作用；同理，出射單模光纖與單模光纖的熔接點(diǎn)可以當(dāng)做為模式合束器，這樣就形成了馬赫-曾德爾干涉儀。

當(dāng)外界溫度變化時(shí)，光纖中的熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)會引起光纖的模式有效折射率和幾何形狀的改變。由于熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致的光纖幾何形狀的變化十分微小，因此只考慮光纖中的熱光效應(yīng)引起的光纖模式有效折射率的改變。外界溫度變化引起的m級干涉條紋波峰(或波谷)的波長漂移量Δλ_m可以表示為

式中Δn為熱光效應(yīng)導(dǎo)致的FMF纖芯中的基模和某一高階模式的有效折射率的差值變化量。因此，通過檢測溫度引起的波長漂移量Δλ_m的變化，就可以實(shí)現(xiàn)溫度的檢測。同理，通過檢測外界環(huán)境折射率引起的波長漂移量Δλ_m的變化，也可以實(shí)現(xiàn)折射率的檢測。

本發(fā)明與需要技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、結(jié)構(gòu)緊湊、制備簡單，只需將一段少模光纖無錯(cuò)位熔接在兩段單模光纖之間即可。

2、對折射率不敏感，測量結(jié)果準(zhǔn)確。

3、利用纖芯中不同模式之間的干涉，基于馬赫-曾德爾干涉原理實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境信息的檢測，靈敏度高，有著很廣闊的應(yīng)用前景，在光纖傳感方面有巨大的應(yīng)用潛力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的示意簡圖；

圖2為本發(fā)明傳感單元的結(jié)構(gòu)示意簡圖；

圖3為本發(fā)明傳感單元的傳輸光譜圖；

圖4為本發(fā)明傳感器測量折射率實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；

圖5為本發(fā)明在不同溫度下的傳輸光譜圖；

圖6為本發(fā)明在27.6℃～93.8℃溫度范圍內(nèi)，傳輸譜線與溫度變化之間的關(guān)系圖；

圖7為本發(fā)明在不同折射率下的傳輸光譜圖；

圖8為本發(fā)明在1.3471～1.4439折射率范圍內(nèi)，傳輸譜線與折射率變化之間的關(guān)系圖。

圖中：1-寬帶光源、2-傳感單元、3-光譜儀、4-導(dǎo)出單模光纖、5-溫控箱、6-導(dǎo)入單模光纖、7-入射單模光纖、8-入射單模光纖與少模光纖熔點(diǎn)、9-少模光纖、10-出射單模光纖與少模光纖熔點(diǎn)、11-出射單模光纖、12-單模光纖包層、13-單模光纖纖芯、14-少模光纖包層、15-少模光纖纖芯、16-玻璃槽、17-折射率溶液。

具體實(shí)施方式

在圖1所示的折射率不敏感的級聯(lián)型單模-少模-單模光纖溫度傳感器示意圖中，傳感單元2的一端通過導(dǎo)入單模光纖6與寬帶光源1連接，該傳感單元2的另一端通過導(dǎo)出單模光纖4與光譜儀3連接，傳感單元2設(shè)在溫控箱5內(nèi)，從光譜儀3記錄對應(yīng)溫度下的傳輸光譜，如圖5所示；如圖2所示，所述傳感單元2包括入射單模光纖7、少模光纖9和出射單模光纖11，入射單模光纖7的一端與導(dǎo)入單模光纖6連接，其另一端與少模光纖9的一端通過熔接點(diǎn)8無錯(cuò)位熔接，該少模光纖9的另一端與出射單模光纖11的一端通過熔接點(diǎn)10無錯(cuò)位熔接，該出射單模光纖11的另一端與光譜儀3連接，所述入射和出射的單模光纖的纖芯直徑為9μm，包層直徑125μm；少模光纖的長度為81.5mm、纖芯直徑為20μm、包層直徑125μm。

在傳感器制備的過程中，采用古河FITEL S178型光纖熔接機(jī)，波長范圍為1520-1610nm的ASE3700型寬帶光源以及AQ6375型光學(xué)光譜儀。在切割光纖時(shí)，盡量保證光纖端面的平整度和潔凈度，并采用手動熔接的方式進(jìn)行FMF與SMF之間的熔接，由于熔接機(jī)采用的是推進(jìn)熔接的方式，故在光纖對準(zhǔn)時(shí)，要將兩段光纖留有一定空隙以保證光纖熔接端面的切合度和平整度，達(dá)到無錯(cuò)位熔接的最好效果，將熔接電流設(shè)置為100mA，以激發(fā)穩(wěn)定的傳輸模式。在熔接的過程中，用光功率計(jì)分別測出熔接FMF前后的傳感器輸出功率，通過計(jì)算可得該傳感器結(jié)構(gòu)的熔接損耗，大量熔接實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)干涉結(jié)構(gòu)的損耗范圍為1～2dB。如圖3所示為少模光纖的長度為81.5mm的傳輸光譜。從圖3中可以得到，在傳感單元中產(chǎn)生了明顯的馬赫-曾德爾干涉現(xiàn)象，形成了比較好的干涉條紋。

如圖4所示，傳感單元2的一端通過導(dǎo)入單模光纖6與寬帶光源1連接，該傳感單元2的另一端通過導(dǎo)出單模光纖4與光譜儀3連接，傳感單元2設(shè)在帶有折射率溶液17的玻璃槽16中，通過滴加不同濃度的折射率溶液來達(dá)到測量折射率的效果，并從光譜儀3記錄對應(yīng)不同折射率下的傳輸光譜，如圖7所示。

從圖6、圖8中可以得到，傳感器對應(yīng)的溫度以及折射率靈敏度分別為-85.9pm/℃和3.69734nm/RIU，可以看出本發(fā)明的傳感器對溫度十分敏感而對折射率不敏感。在具體檢測待測物體的溫度時(shí)，從光譜分析儀讀出不同谷值波長的漂移量，即可得出溫度的變化量。