专利名称：光谱调制型双锥光纤传感器信号检测方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，特别涉及一种新的光谱调制型双锥光纤传感器信号检测方法。
双锥光纤是将一段单模光纤局部高温加热到软化后沿芯轴方向拉伸而成的，几何形状如
图1所示，11为光纤包层，12为光纤芯，13为熔锥区。由于锥区直径(包括芯径)收细，在光纤中传输光波模场的分布发生改变，将产生纤芯中的基模与包层模之间的能量转换，按指数衰减的包层模消逝场将“渗出”包层-空气界面。如将光纤锥区置于折射率小于包层折射率的物质中，则将引起光纤中传输光波能量的“泄漏”而导致传输光功率的衰减，且其衰减量随外界物质折射率的增大而增大，测量双锥光纤输出光功率的变化即可得知外界物质的折射率。另外，当双锥光纤受外力作用而弯曲时，也可引起这种“泄漏”损耗增大，测量双锥光纤输出光功率的变化即可得知外界压力的大小。这就是普通光强调制型双锥光纤传感器的工作原理。利用双锥光纤作传感器可测量液体物质的物理、化学甚至生物参量。
典型光强调制型双锥光纤传感器的例子有如英国<电子学快报>1995年第31卷第20期所载的<单模光纤表面等离子波化学传感器>，美国<光学快报>1991年第16卷第2期所载<利用弯曲双锥单模光纤构成的压力传感器>等。这种光强调制型双锥光纤传感器的抗干扰能力差，容易受光源功率波动和光路损耗变化等因素的影响。为实用起见，在测量时必须采用补偿技术以消除各种不稳定因素的影响。这不仅增加了传感技术的复杂性，并使成本提高，而且补偿技术本身也会带来新的问题。
本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种新的光谱调制型双锥光纤传感信号检测方法，它是基于双锥光纤的透射谱随外界物质参量的改变而发生波长偏移的特性，具有测量精度高，工作稳定，且可实现对多个参量同时实时测量等优点。
双锥光纤除了前述单色光传输光功率可受外部物质参量的调制外，还有一个重要的特性，即由于芯模-锥区包层模的转换以及包层中传输光波能量的“泄漏”均与光波长有关，因而其输出特性对波长非常敏感。对于一个单色光源，双锥光纤的输出功率随锥区的增长及锥腰的变细而周期性增减；对于一个宽带光源，则双锥光纤的输出功率谱将呈现周期振荡特性。因此，利用双锥光纤可构成一个无反射的光学滤波器。图2给出一个典型1.5μm波段双锥光纤滤波器的透射谱，可见透射谷比透射峰更锐，5个透射谷相应的波长分别为λ01，λ02，λ03，λ04和λ05。当双锥光纤周边环绕物质的折射率改变时，透射谷(或峰)的位置(即相应的波长)亦将产生偏移。本发明人从理论证明在双锥光纤周边环绕物质折射率小于光纤包层折射率(～1.45)的范围内，透射谷(或峰)相应波长的位移Δλ与环绕物质折射率的变化ΔN成线性关系。图3给出其理论计算曲线，其中取参考波长λ0＝1535nm，起始折射率N0＝1.31(相应于坐标原点)。因此，测量透射谷(或峰)相应波长的位移，即可确定周边环绕物质的折射率。如将双锥光纤浸泡于液态物质中，由于溶液的折射率是浓度、温度以及压力等多种物理量的函数，因而利用双锥光纤滤波器透射谱对周边环绕物质折射率变化的敏感性，可实现对浓度、温度及压力等物理量的传感测量。
基于上述理论研究结果，实验证实了双锥光纤透射谷(或峰)相应波长的位移对周边环绕物质折射率变化的线性响应。
为此，本发明提出一种光谱调制型双锥光纤传感器单个参量信号实时检测方法，其特征在于包括以下步骤将所述双锥光纤滤波器浸没在已知参量N0的物质中，选取一个透射谷(或峰)对应的波长λ0作为参考点进行标定，当被测参量N发生变化时，该参考波长将发生相应的偏移Δλ＝λ-λ0，通过测量参考波长的偏移量Δλ，即可由(1)式确定被测参量N。
本发明还可对于所述多参量实时同时传感测量其步骤是将所述具有多个透射谷(或峰)的双锥光纤滤波器浸没在已知M个参量X01，X02，...X0M的物质中，在透射谱中选取M个灵敏度不同的透射谷(或峰)相应的波长(λ01，λ02，...λ0M)作为参考点进行定标。当M个参量中的一个或多个发生变化时，因物质的折射率跟随改变，引起M个透射谷(或峰)值对应的参考波长发生偏移。通过测量M个参考波长的移动量Δλ1，Δλ2，...，ΔλN，即可由(3)式确定M个被测参量。
本发明所述双锥光纤滤波器采用单模光纤局部高温熔烧拉制而成，通过在宽带光源通光监测下控制双锥光纤锥长、锥度和锥腰等结构参量，对所选光源波谱形成一个或多个透射谷(或峰)。
在所述双锥光纤滤波器中还可引入增敏机制，进一步提高传感灵敏度。
所述增敏机制可采用减小锥腰直径、增大光纤锥角和长度以获得带宽较窄的多谷(峰)透射谱，或采用多锥级连获得更窄带宽的单谷(峰)透射谱。
所述增敏机制还可通过在锥区光纤外表面镀敷增敏材料(如铝、生物膜等)薄膜来实现。
本发明工作原理如下在双锥光纤滤波器透射谱中取一个透射谷(或峰)的位置作为参考波长λ0(既然透射谷一般比透射峰更锐，选取透射谷作参考点可获得更高的分辨率)，当周边环绕物质折射率从N0变成N时，参考波长将从λ0移到λ1，且参考波长的位移Δλ＝λ1-λ0与环绕物质折射率的变化ΔN＝N-N0成线性关系ΔN＝KΔλ(1)式中K是一个比例常数，决定于光纤的结构参量(数值孔径、芯径等)和光纤锥的结构参量(锥长、锥度及锥腰等)，可由实验测定。通过对已知物质折射率N0的标定，测量Δλ即可确定未知环绕物质的折射率的变化ΔN。
上述方法中所述多参量同时传感测量可利用具有多个透射谷(或峰)的双锥光纤滤波器来实现。对于M个参量X01，X02，…X0M的传感，可在透射谱中取M个灵敏度不同的透射谷(或峰)相应的波长(λ01，λ02，...λ0M)作为参考点。当M个参量中的一个或多个发生变化时，物质的折射率N跟随改变，引起M个透射谷(或峰)对应的参考波长发生偏移，由式(1)可写出ΔN1＝f11(X1-X01)+f12(X2-X02)+...+f1M(XM-X0M)＝K1Δλ1ΔN1＝f21(X1-X01)+f22(X2-X02)+...+f2M(XM-X0M)＝K2Δλ2(2)ΔNM＝fM1(X1-X01)+fM2(X2-X02)+...+fMM(XM-X0M)＝KMΔλM从严格的物理关系来说，式中的fij(i，j＝1，2，...M)应分别表示为折射率变化与M个参量X01，X02，X0M相关的函数(不一定是常数)。由此得到F11(X1-X01)+F12(X2-X02)+...+F1M(XM-X0M)＝Δλ1F21(X1-X01)+F22(X2-X02)+...+F2M(XM-X0M)＝Δλ2(3)FM1(X1-X01)+FM2(X2-X02)+...+FMM(XM-X0M)＝ΔλM或缩写为ΣjFij(Xj-X0j)=Δλi---(3′)]]>式中Fij＝fij/Ki为第i个参考点对第j个参量的参考波长偏移传感变换函数，均可由实验测定。这样，测出Δλ1，Δλ2，...ΔλM就可由(3)式求出M个参量的变化量ΔXj＝(Xj-X0j)。
与普通光强调制型双锥光纤传感方法相比，本发明具有如下的效果第一、基于双锥光纤透射谷(或峰)相应波长移动的传感方法不受系统功率起伏及光路损耗变化的影响，因而传感测量的精确度和可靠性大大提高。
第二、鉴于双锥光纤滤波器的透射谱的多谷(峰)值特性，同一传感器可实现对多个参量的实时同时传感测量。
鉴于本发明光谱调制型双锥光纤传感器的上述优良特性，可在海洋工程(海水盐度、温度、压力的测量)、环境工程(污染监测)及生物医学(血清免疫检测)等领域获得重要应用。
附图简要说明图1为双锥光纤结构示意图。
图2为双锥光纤滤波器典型透射谱的理论计算曲线。
图3为光谱调制型双锥光纤传感特性的理论计算曲线。
图4为本发明实施例1中用的双锥光纤滤波器的透射谱图5为本发明实施例1的光谱调制型双锥光纤盐度传感器的ΔS～Δλ测试曲线。
图6为本发明实施例2中用的双锥光纤滤波器的透射谱。
图7为本发明实施例2的光谱调制型双锥光纤盐度/温度传感器的ΔS～Δλ测试曲线。
图8为本发明实施例2的光谱调制型双锥光纤盐度/温度传感器的ΔT～Δλ测试曲线。
本发明提出的实施例一是利用上述测量方法实现了对盐水溶液浓度的高分辨率测量。采用1.5μm波段的单模光纤局部熔拉成双锥光纤，锥长17.5mm，锥腰直径8μm，用掺铒光纤放大的自发辐射光源，谱宽1515～1575nm。先将双锥光纤置于盐度S0＝0Wt.％的水溶液中进行标定，从光谱仪测出其输出光谱，选择其中一个透射谷所对应的波长λ0＝1539.7nm作为参考波长，如图4所示。再改变溶液浓度S，从光谱仪观察到输出光谱发生平移，图5给出盐度ΔS～Δλ的测试曲线。可以看到，盐水浓度S与参考波长移动量Δλ呈线性关系ΔS＝S-S0＝RΔλ (4)式中R为比例常数，即曲线的斜率，反映双锥光纤浓度传感器的传感灵敏度。在本实施例中，实验测得R＝0.72wt.％/nm。
作为本发明的第二个实施例，考虑对盐水溶液浓度S和温度T的同时传感。选用一个图6所示透射谱的双锥光纤滤波器，将其置于已知盐度S0和温度T0的盐水溶液中进行标定，在透射谱中选2个灵敏度不同的透射谷相应的波长λ01＝1527.5nm，λ02＝1549.2nm作为参考点。再改变溶液浓度和温度，从光谱仪观察到输出光谱发生平移，根据(3)式，浓度S和温度T与两个参考波长偏移Δλ1和Δλ2的关系由下式确定A(S-S0)+B(T-T0)＝Δλ1C(S-S0)+D(T-T0)＝Δλ2(5)式中A、B分别为波长λ01处浓度和温度变化引起的波长偏移，C、D分别为波长λ02处浓度和温度变化引起的波长偏移。精确标定这些参量时应考虑其非线性关系，为简单起见，可取线性近似。图7和8分别给出对透射谷值波长λ01测得的ΔS～Δλ1和ΔT～Δλ1关系曲线，由此可标定A＝5.42nm/wt.％，B＝-0.35nm/wt.％。用同样的方法对透射谷值波长λ02测出ΔS～Δλ2和ΔT～Δλ2的关系曲线，可标定C＝6.75nm/℃，D＝-0.37nm/℃。这样，当浓度和温度同时发生变化时，测出Δλ1和Δλ2就可由(5)式同时求出浓度S和温度T。
权利要求
1.一种光谱调制型双锥光纤传感器单个参量信号实时检测方法，其特征在于将所述双锥光纤滤波器浸没在已知参量N0的物质中，选取一个透射谷(或峰)对应的波长λ0作为参考点进行标定，当被测参量N发生变化时，该参考波长将发生相应的偏移Δλ＝λ-λ0，通过测量参考波长的偏移量Δλ，即可确定被测参量N。
2.一种光谱调制型双锥光纤传感器多参量信号同时实时检测方法，其特征在于，对于所述多参量实时同时传感测量是将所述具有多个透射谷(或峰)的双锥光纤滤波器浸没在已知M个参量X01，X02，...X0M的物质中，在透射谱中选取M个灵敏度不同的透射谷(或峰)相应的波长(λ01，λ02，...λ0M)作为参考点进行定标，当M个参量中的一个或多个发生变化时，因物质的折射率跟随改变，引起M个透射谷(或峰)值对应的参考波长发生偏移，通过测量M个参考波长的移动量Δλ1，Δλ2，...，ΔλN，即可确定M个被测参量。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述双锥光纤滤波器采用单模光纤局部高温熔烧拉制而成，通过在宽带光源通光监测下控制双锥光纤锥长、锥度和锥腰等结构参量，对所选光源波谱形成一个或多个透射谷(或峰)。
4.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于在所述双锥光纤滤波器中引入增敏机制可提高传感灵敏度。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于所述增敏机制可采用减小锥腰直径、增大光纤锥角和长度以获得带宽较窄的多谷(峰)透射谱，或采用多锥级连获得更窄带宽的单谷(峰)透射谱。
6.按权利要求4所述的方法，其特征在于所述增敏机制还可通过在锥区光纤外表面镀敷增敏材料薄膜来实现。
全文摘要
本发明涉及一种新的光谱调制型双锥光纤传感器信号检测方法。该方法基于双锥光纤滤波器透射谱的一个或多个谷(或峰)相应波长的位移Δλ对环绕物质折射率变化ΔN的线性响应。与现有光强调制型双锥光纤传感器相比，基于该方法的双锥光纤传感器不受系统功率起伏以及光路损耗变化的影响，并可实现对多个参量的实时同时传感测量。
文档编号G01D5/353GK1168972SQ9711257
公开日1997年12月31日 申请日期1997年6月27日 优先权日1997年6月27日
发明者彭江得, 陈智浩, 顾东华, 刘小明, 唐平生, 周炳琨 申请人:清华大学