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专利号: 2023114949105
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种温度压力光纤传感器的灵敏度测量方法,其特征在于,所述传感器包括相互连接的MZ干涉结构和F‑P干涉结构,所述MZ干涉结构用于测量温度,所述F‑P干涉结构用于测量压力;

所述灵敏度测量方法包括以下几个步骤:

利用宽带光源BBS、光谱分析仪OSA搭建通过所述传感器对压力和温度进行同时测量的试验环境;

在对压力和温度两个变量同时进行控制的条件下,将所述宽带光源BBS发出的光信号射入所述传感器F‑P干涉结构的空接端,所述光信号经所述F‑P干涉结构和所述MZ干涉结构传播后得到反射光波以及透射光波;

使所述反射光波以及透射光波传播到所述光谱分析仪OSA中,得到一个F‑P反射光谱以及一个MZ透射光谱;

基于所述F‑P反射光谱特性以及MZ透射光谱特性随压力和温度变化而产生的变化情况得到所述传感器的压力灵敏度以及温度灵敏度;

所述F‑P反射光谱特性以及MZ透射光谱特性随压力和温度变化而产生的变化情况,包括:当温度恒定,所述F‑P干涉结构的反射波中心波长漂移量ΔλB与光纤布拉格光栅轴向应变量ε1关系式为:ΔλB=λB(1‑Pε)ε1=Kεε1,

其中,Pε为光纤布拉格光栅的有效弹光系数,Kε为光纤布拉格光栅的应变系数pm/με,Kε=1.18pm/με,λB为中心波长,λB=1550nm;

当压力恒定,所述MZ干涉结构的透射波波谷位移量Δλm与施加的温度变化率ε2关系式为:其中,λm为第m阶干涉波谷的中心波长, 是纤芯模式和第m个包层模式之间的有效折射率RI差,T表示温度,ΔT表示温度变化量,ε2为纤芯和第m个包层模式之间的有效折射率RI差随温度T的变化率,ε2=dL2/L2,L2表示两个拉锥结构腰椎之间的相互作用长度;

其中,所述MZ干涉结构包括拉锥花生混合光纤结构,所述拉锥花生混合光纤结构包括相互熔接在一起的花生光纤结构和拉锥光纤结构;

所述F‑P干涉结构包括光纤布拉格光栅结构,所述光纤布拉格光栅结构熔接在所述拉锥花生混合光纤结构中花生光纤结构的空接端。

2.根据权利要求1所述的温度压力光纤传感器的灵敏度测量方法,其特征在于,所述拉锥光纤结构包括中端熔融为双锥体的一段单模光纤,所述花生光纤结构包括单端带有微球结构的两段单模光纤,所述两段单模光纤的微球结构熔接在一起。

3.根据权利要求1所述的温度压力光纤传感器的灵敏度测量方法,其特征在于,所述光纤布拉格光栅结构包括纤芯内写入激光干涉条纹的一段光栅光纤,所述激光干涉条纹用于在其纤芯内产生沿其纤芯轴向的折射率周期性变化。

4.根据权利要求1所述的温度压力光纤传感器的灵敏度测量方法,其特征在于,所述F‑P干涉结构的布拉格方程为:λB=2neffΛ,其中,λB为中心波长,λB=1550nm,neff表示纤芯模式的折射率,Λ表示栅格周期;

m

所述MZ干涉结构的干涉强度I和相位差φ 的计算公式为:

m

其中,I1和I2分别是MZ干涉结构中纤芯模式和包层模式的光强,φ 是纤芯模式和包层模式的相位差, 是纤芯模式和第m个包层模式之间的有效折射率RI差,G是MZ干涉结构的干涉长度,λ为输入波长;

所述MZ干涉结构的自由光谱范围FSR的计算公式为:

m

当相位差φ 等于(2m+1)π,m=1,2,3…,透射率在该波长处达到谷值,第m阶干涉波谷的中心波长λm的计算公式为:

5.根据权利要求1‑4任一项所述的温度压力光纤传感器的灵敏度测量方法,其特征在于,所述传感器的制备方法包括:分别制备拉锥光纤结构、花生光纤结构以及光纤布拉格光栅;

将所述拉锥光纤结构的单模光纤SMF部分与所述花生光纤结构的单模光纤SMF部分熔接在一起,得到所述MZ干涉结构;

将所述MZ干涉结构的花生光纤结构空接端SMF部分与所述光纤布拉格光栅的SMF部分熔接在一起,得到所述传感器。

6.根据权利要求5所述的温度压力光纤传感器的灵敏度测量方法,其特征在于,所述制备拉锥光纤结构包括:将一段去除涂层的SMF放入熔接机中并采用功率80bit、放电时间

2000ms的电弧对该SMF进行多次放电,得到所述拉锥光纤结构。

7.根据权利要求5所述的温度压力光纤传感器的灵敏度测量方法,其特征在于,所述制备花生光纤结构,包括:将一段SMF放入熔接机中并采用功率+80bit、放电时间2000ms且偏离该SMF端面25μm的电弧对其端面进行放电处理形成微球腔,得到带有微球结构的单模光纤;

采用标准放电功率、放电时间1000ms的电弧对两段带有微球结构的单模光纤的微球进行放电熔接,得到所述花生光纤结构。

8.根据权利要求5所述的温度压力光纤传感器的灵敏度测量方法,其特征在于,所述制备光纤布拉格光栅,包括:将一段光敏光纤紧贴一段可抑制零级衍射且可最大化一级衍射的光栅掩膜放置,并将紫外光经所述光栅掩膜正射入该光敏光纤,利用相位光栅掩模近场衍射所产生的干涉条纹在光纤中形成周期性扰动的折射率,得到光纤布拉格光栅。