本发明涉及光纤温度传感领域，尤其涉及一种利用扭曲度测温的微结构光纤温度传感器。
背景技术：
1、光纤温度传感器具有抗干扰能力强的特点，在石油化工、电力工业等领域中得到广泛应用。目前，根据调制信号的不同，光纤温度传感方式主要可分为强度调制型、角度调制型和波长调制型三类。
2、强度调制型光纤温度传感器利用光强随温度变化而改变实现测温。比如，姚建铨等人提出了一种基于氯仿、甲苯和乙醇混合填充的光子晶体光纤温度传感器，通过测量温度改变引起的限制损耗幅度的改变，实现对温度的检测。又如，w.feng等人提出了一种基于气泡和布拉格光纤光栅级联的液位和温度传感器，通过测量温度改变引起的固定波长下光强的变化，实现对温度的检测。但光强的测量易受光源强度波动以及外界环境的干扰。
3、角度调制型光纤温度传感器利用光斑随温度变化而发生旋转实现测温。为了测量光斑的旋转角度，需要光斑图像出现两个以上的光斑。比如，肖辽等人设计了一种基于光斑旋转的光纤温度传感器，通过测量三个光斑旋转角度的变化，实现对温度的检测。又如，chenji guo等人设计了一种基于螺旋长周期光纤光栅的光纤温度传感器，通过测量两个光斑的弧度变化，实现对温度的检测。但随着温度变化，每个光斑的光强会衰减或增强，使光斑图像不稳定，影响光斑旋转角度的测量。
4、波长调制型光纤温度传感器利用波长随温度变化而移动实现测温。比如，chaomei等人提出了一种填充甲苯和乙醇的双芯spr光纤温度传感器，通过测量传输损耗峰值对应波长的移动，实现对温度的检测。又如，shi qiu等人设计了一种对直光纤扭曲的光子晶体光纤温度传感器，通过测量限制损耗峰值对应波长的移动，实现对温度的检测。但损耗峰值对应波长移动的范围受光源和光谱仪工作波长范围限制，从而影响光纤温度传感器的测温范围。
5、此外，wanting shao等人设计了一种色散随波长变化曲线谷底对应波长可调的同轴双芯色散补偿微结构光纤，利用温敏材料折射率随温度变化而改变的特性，通过调节温度，使色散随波长变化曲线谷底对应波长移动，以实现在通信系统中色散补偿光纤的工作波长随温度变化而改变的技术效果，但是本文并没有涉及到利用色散随波长变化曲线谷底对应波长随温度变化而移动来测量温度的技术效果。
技术实现思路
1、针对上述技术方案的不足，本发明提供了一种同轴双芯微结构光纤温度传感器，其利用内芯模式与外芯模式产生谐振，使内芯模式的色散随波长变化曲线在谐振波长及其附近波长产生一个谷(以下简称色散谷)，且色散谷底(即数值最小的负色散所对应的点)对应波长(即谐振波长)随传感器扭曲度增大(或减小)而单调蓝移(或红移)、随传感器温度升高(或降低)而单调红移(或蓝移)。本发明的传感器，实现了以下技术效果：通过改变扭曲度使色散谷底对应波长发生移动，以抵消由于温度改变导致的色散谷底对应波长的移动，使色散谷底对应波长位置始终位于某一特定波长(下文称为工作波长)的前提下，利用扭曲度与温度的对应关系，通过扭曲度数值得到温度数值。
2、本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，采用纯石英玻璃作为基底材料，从中心向外依次为内芯、内包层、外芯和外包层四部分，同时在外芯的空气孔中填充乙醇作为温度敏感区。本发明相邻空气孔采用正六边形排布方式，通过合理设计同轴双芯微结构光纤相邻空气孔间距、内包层空气孔层数、内包层空气孔直径、外芯空气孔直径、外包层空气孔层数和外包层空气孔直径，构成同轴双芯结构的微结构光纤温度传感器。通过设计和调整其结构和参数，不仅使本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器的内芯模式与外芯模式能量发生交叠，并使两者折射率数值在工作波长处相等，导致内芯模式与外芯模式产生谐振，使内芯模式的色散随波长变化曲线在谐振波长及其附近波长产生一个谷，色散谷底对应波长即谐振波长(下文论述中，谐振波长等同于色散谷底对应波长)；同时使本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器的谐振波长随扭曲度增大(或减小)和随温度升高(或降低)而移动的方向相反。当温度改变导致谐振波长红移(或者蓝移)时，通过调整相应的扭曲度，使谐振波长随扭曲度变化的改变方向与其随温度变化的改变方向相反且数值相抵消，即谐振波长位置始终位于工作波长。利用谐振波长位置始终保持在工作波长时扭曲度与温度的对应关系，本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器实现了通过扭曲度数值得到温度数值的温度传感。为了达到上述技术效果，本发明提供的技术方案同时解决了以下2个技术问题：
3、(1)如何使得传感器内芯模式色散随波长变化曲线的谷底对应波长在温度传感范围内随温度升高而单调红移。
4、如上所述，内芯模式色散谷底对应波长即是内芯模式与外芯模式的谐振波长。因此，本发明内芯模式色散随波长变化曲线的谷底对应波长在温度传感范围内随温度升高而单调红移，实质上就是内芯模式与外芯模式的谐振波长在温度传感范围内随温度升高而单调红移。若要使谐振波长在温度传感范围内随温度升高而单调红移，在本专利中，需要同时实现以下两个技术效果1)在整个温度传感范围内，内芯模式与外芯模式在工作波长处产生谐振；2)内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线的交点对应的波长(即谐振波长)随温度升高而单调红移。
5、1)在温度传感范围内，内芯模式与外芯模式在工作波长处产生谐振的技术方案：
6、在温度传感范围内，内芯模式与外芯模式在工作波长处产生谐振，需要满足的条件为：①内芯模式与外芯模式发生适量的能量交换(或能量耦合)；②谐振波长位置位于工作波长。
7、①控制内芯模式与外芯模式能量耦合强度的技术方案：
8、若内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合太弱，将导致内芯模式色散谷底的幅值(最小负色散值的绝对值)太小；若内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合太强，内芯模式与外芯模式在谐振波长附近波长也具有较强的能量耦合强度，将导致内芯模式色散谷的宽度太大。上述两种情况不仅不利于内芯模式的色散随波长变化曲线以谐振波长为中心产生一个谷，而且不利于以色散谷底对应波长为特征波长的传感。因此，本发明需要合理设计同轴双芯微结构光纤温度传感器结构并设定参数范围，以达到调节内芯模式与外芯模式能量耦合强度的技术效果。影响内芯模式与外芯模式在谐振波长处能量耦合强度的因素包括内、外芯的形态和尺度，内芯与外芯之间的距离，以及内、外芯与其相邻包层折射率的差值。
9、内芯的形态和尺度方面：本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，以忽略中心1个空气孔的点状芯作为内芯。包围内芯的多孔结构包层作为内芯的包层(称为内包层)。内芯尺度由内芯直径决定。内芯直径为内包层第一层空气孔包围形成圆形区域的直径，其数值等于相邻空气孔间距λ。内芯直径越小，导致内芯直径与光波波长的比值越小，使内芯对内芯模式能量的束缚作用越弱。其它条件相同的情况下，内芯对内芯模式能量的束缚作用越弱，内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合越强。由以上的表达式可知，当减小λ时，内芯直径减小，导致内芯直径与光波波长的比值减小，使内芯对内芯模式能量的束缚作用减弱，可达到增强内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度的技术效果。
10、外芯的形态和尺度方面：本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，在包围内包层的第一层空气孔填充乙醇作为温度敏感区，由温度敏感区及其周围纯石英玻璃构成环状外芯，包围外芯的多孔结构包层称为外包层。对于外芯而言，从结构上看，其是内包层与外包层之间的环形区域，因此，内包层和外包层均为外芯的包层。外芯尺度由外芯环宽和环长决定。外芯环宽为内包层与外包层之间环形区域的宽度。由于内、外包层空气孔直径相同均为d1，因此，外芯环宽的计算公式为：2λ-d1。外芯环长为正六边形环状外芯相邻顶角处乙醇区域中心之间距离的总和，其计算公式为：6(n1+1)λ，其中，n1为内包层空气孔层数。一方面，外芯环宽越小，导致外芯环宽与光波波长的比值越小，使外芯对外芯模式能量的束缚作用越弱。另一方面，在同等环宽条件下，外芯环长越小，导致外芯面积越小，使外芯对外芯模式能量的束缚作用越弱。其它条件相同的情况下，外芯对外芯模式能量的束缚作用越弱，内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合越强。由以上2个表达式可知，当增大d1时，外芯环宽减小；当减小n1时，外芯环长减小；当减小λ时，外芯环宽和环长同时减小，均使外芯对外芯模式能量的束缚作用减弱，可达到增强内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度的技术效果。
11、内芯与外芯之间的距离方面：本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，内芯与外芯之间的距离为内芯中心到正六边形环状外芯顶角处乙醇区域中心之间的距离。由于内芯与外芯相隔n1层空气孔，因此，内芯与外芯之间的距离计算公式为：(n1+1)λ。其它条件相同的情况下，同轴双芯微结构光纤内芯与外芯之间的距离越小，内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合越强。由以上的表达式可知，当减小n1或减小λ时，内芯与外芯之间的距离减小，可达到增强内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度的技术效果。
12、内芯与其相邻包层(内包层)折射率的差值方面：本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，内芯折射率等于纯石英玻璃折射率ns。ns随光波波长增大而减小，但是几乎不随温度变化而改变，其计算公式为：其中，λ为光波波长。内包层平均折射率为内包层空气孔及其周围纯石英玻璃按照面积比例折算的平均折射率，其计算公式为：其中，na为空气折射率且其数值为1。因此，内芯折射率与内包层平均折射率的差值计算公式为：内芯折射率与内包层平均折射率的差值越小，导致内包层对内芯模式能量的束缚作用越弱，使内芯模式能量越容易通过内包层泄露到外芯模式。其它条件相同的情况下，内芯模式能量越容易通过内包层泄露到外芯模式，内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合越强。由以上的表达式可知，当增大λ或减小d1时，内芯折射率与内包层平均折射率的差值减小，导致内包层对内芯模式能量的束缚作用减弱，使内芯模式能量更容易通过内包层泄露到外芯模式，可达到增强内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度的技术效果。
13、外芯与其相邻包层折射率的差值方面：本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，设计足够多的外包层空气孔层数n2，避免外芯模式能量通过外包层泄露到外界，使得外芯与外包层的折射率差不影响内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度。本发明中，液态乙醇折射率ne随光波波长增大而减小，随温度升高而减小，其计算公式为：其中，t为温度。外芯平均折射率为温度敏感区及其周围纯石英玻璃按照面积比例折算的平均折射率，其计算公式为：的空气孔直径。内包层平均折射率如上段所述，其计算公式为：因此，外芯平均折射率与内包层平均折射率的差值计算公式为：外芯平均折射率与内包层平均折射率的差值越小，导致内包层对外芯模式能量的束缚作用越弱，使外芯模式能量越容易通过内包层泄露到内芯模式。其它条件相同的情况下，外芯模式能量越容易通过内包层泄露到内芯模式，内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合越强。由以上的表达式可知，当增大λ，减小d1或增大d2时，外芯平均折射率与内包层平均折射率的差值减小，导致内包层对外芯模式能量的束缚作用减弱，使外芯模式能量更容易通过内包层泄露到内芯模式，可达到增强内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度的技术效果。
14、综上，本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，减小n1或增大d2，均会增强内芯模式与外芯模式能量耦合强度。另外，通过改变λ和d1调控内芯模式与外芯模式能量耦合强度，需要综合考虑改变λ对内、外芯尺度，内芯与外芯之间的距离以及内、外芯与其相邻包层折射率的差值的影响；改变d1对外芯尺度以及内、外芯与其相邻包层折射率的差值的影响。如前所述，若内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合太弱，将导致内芯模式色散谷底的幅值太小；若内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合太强，内芯模式与外芯模式在谐振波长附近波长也具有较强的能量耦合强度，将导致内芯模式色散谷的宽度太大。因此，本发明综合调整参数λ、n1、d1以及d2控制内芯模式与外芯模式能量耦合强度，实现以色散谷底对应波长作为特征波长的传感。
15、②控制谐振波长位置的技术方案：
16、根据耦合模理论，内芯模式与外芯模式折射率数值的差值越小，两个模式能量耦合越强，内芯模式与外芯模式折射率数值相等是两个模式产生谐振的必要条件之一，内芯模式与外芯模式折射率数值相等对应的波长为谐振波长。本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，为了使内芯模式与外芯模式折射率数值相等以满足谐振条件，并且使谐振波长位置位于工作波长，需要分别调节内芯模式和外芯模式折射率随波长变化关系。影响内、外芯模式折射率随波长变化关系的因素分别包括：内、外芯模式折射率上限，内、外芯模式折射率下限，以及内、外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。其中，内、外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值又主要由内、外芯与光波波长相对尺度决定。
17、内芯模式折射率随波长变化关系方面：本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，内芯模式折射率以内芯折射率(即纯石英玻璃折射率)作为其上限，在短波处(光波波长无穷小时)，内芯模式折射率趋近于内芯模式折射率上限，即内芯模式折射率趋近于ns。其它条件相同的情况下，内芯模式折射率上限越大，导致内芯模式折射率数值越大，使谐振波长红移；反之，使谐振波长蓝移。内芯模式折射率以内包层平均折射率作为其下限，在长波处(光波波长无穷大时)，内芯模式折射率趋近于内芯模式折射率下限，即内芯模式折射率趋近于其它条件相同的情况下，内芯模式折射率下限越大，导致内芯模式折射率数值越大，使谐振波长红移；反之，使谐振波长蓝移。当光波波长从短波向长波移动时，内芯模式折射率随波长红移曲线的斜率为负数，其绝对值主要由内芯直径与光波波长的比值和内芯周长决定，内芯直径和内芯周长分别为λ和πλ。一方面，内芯直径越大，光波波长与内芯直径的比值越小，当光波波长改变相同数值时，光波波长与内芯直径的比值变化幅度越小，导致内芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值越小，使内芯模式折射率变化幅度越小。另一方面，内芯周长越大，导致内芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值越小，使内芯模式折射率变化幅度越小。其它条件相同的情况下，内芯模式折射率变化幅度越小，导致内芯模式折射率数值越大，使谐振波长红移；反之，使谐振波长蓝移。由以上的表达式可知，当减小d1时，内芯模式折射率下限增大；当增大λ时，内芯模式折射率下限以及内芯直径和周长均增大。因此，当减小d1或增大λ时，均导致内芯模式折射率数值增大，使谐振波长红移；反之，使谐振波长蓝移。
18、外芯模式折射率随波长变化关系方面：本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，外芯模式折射率以外芯平均折射率作为其上限，在短波处，外芯模式折射率趋近于外芯模式折射率上限，即外芯模式折射率趋近于其它条件相同的情况下，外芯模式折射率上限越小，导致外芯模式折射率数值越小，使谐振波长红移；反之，使谐振波长蓝移。外芯模式折射率以与外芯相邻包层平均折射率作为其下限，在长波处，外芯模式折射率趋近于外芯模式折射率下限，即外芯模式折射率趋近于其它条件相同的情况下，外芯模式折射率下限越小，导致外芯模式折射率数值越小，使谐振波长红移；反之，使谐振波长蓝移。当光波波长从短波向长波移动时，外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率为负数，其绝对值主要由外芯环宽与光波波长的比值和外芯环长决定，外芯环宽和外芯环长分别为2λ-d1和6(n1+1)λ。一方面，外芯环宽越小，光波波长与外芯环宽的比值越大，当光波波长改变相同数值时，光波波长与外芯环宽的比值变化幅度越大，导致外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值越大，使外芯模式折射率变化幅度越大。另一方面，外芯环长越小，导致外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值越大，使外芯模式折射率变化幅度越大。其它条件相同的情况下，外芯模式折射率变化幅度越大，导致外芯模式折射率数值越小，使谐振波长红移；反之，使谐振波长蓝移。由以上的表达式可知，当增大d1时，外芯模式折射率下限和外芯环宽减小；当减小λ时，外芯模式折射率上限和下限以及外芯环宽和环长均减小；当增大d2时，外芯模式折射率上限减小；当减小n1时，外芯环长减小。因此，当增大d1，减小λ，增大d2或减小n1时，均导致外芯模式折射率数值减小，使谐振波长红移；反之，使谐振波长蓝移。
19、本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，综合考虑内、外芯模式折射率随波长变化关系对谐振波长位置的影响：当增大d2时，外芯模式折射率上限减小，使谐振波长红移；反之，使谐振波长蓝移。当减小n1时，外芯环长减小，使谐振波长红移；反之，使谐振波长蓝移。由于内、外芯模式折射率下限相同，当改变d1或λ时，内、外芯模式折射率下限改变相同数值，导致内、外芯模式折射率数值同时发生变化，使得通过改变d1或λ调控内、外芯模式折射率下限对谐振波长位置影响小。当增大d1时，外芯环宽减小，使谐振波长红移；反之，使谐振波长蓝移。当减小λ时，不仅外芯模式折射率上限减小，而且内芯直径和周长以及外芯环宽和环长均减小，但外芯环宽与内芯直径相比减小的幅度更大，外芯环长与内芯周长相比减小的幅度更大，导致外芯模式折射率数值减小的幅度大于内芯模式折射率数值减小的幅度，使谐振波长红移；反之，使谐振波长蓝移。
20、综上，本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，减小λ，减小n1，增大d1或增大d2，均会使谐振波长红移；反之，使谐振波长蓝移。工作波长的选择需要兼顾激光器的输出波长范围和光谱仪的测量波长范围。因此，本发明综合调整参数λ、n1、d1以及d2控制谐振波长位置使其位于工作波长。
21、2)谐振波长随温度升高而单调红移的技术方案：
22、本发明在第n1+1层空气孔填充乙醇作为温度敏感区，由温度敏感区及其周围的纯石英玻璃共同构成具有温敏特性的外芯。由1)可知，外芯模式折射率上限为温度敏感区及其周围纯石英玻璃按照面积比例折算的平均折射率。乙醇折射率随温度升高而减小，会导致外芯模式折射率上限随温度升高而减小，使外芯模式折射率数值随温度升高而减小。但同时，如(1)所述，内芯模式与外芯模式在谐振波长处发生能量耦合，所以外芯也作为内芯的包层。该部分等效折射率数值随温度升高而减小，也会导致内芯模式折射率下限随温度升高而减小，进而会使内芯模式折射率数值随温度升高而减小。外芯模式折射率数值减小会使谐振波长红移，而内芯模式折射率数值减小会使谐振波长蓝移。另外，其它条件相同的情况下，内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值越小，单位温度改变时谐振波长(内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线的交点对应的波长)变化量越大。因此，谐振波长随温度升高的红移量跟内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值成反比，减小内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值，会使谐振波长随温度升高的红移量增大。本发明为了使谐振波长随温度升高而单调红移，同时增大谐振波长对温度的灵敏度(即单位温度改变时谐振波长变化量)，需要增大外芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度，减小内芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度，以及减小内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值。
23、增大外芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度方面：本发明中，外芯模式折射率上限的计算公式为：其中ne是乙醇折射率，其随温度升高而减小。由以上的表达式可知，d2与λ的比值越大，导致外芯模式折射率上限随温度升高而减小的幅度越大，使外芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度越大。因此，当增大d2或减小λ时，均增大外芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度。
24、减小内芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度方面：本发明中，内芯模式与外芯模式在谐振波长处发生能量耦合，使内芯模式能量通过内包层泄露到外芯模式，所以外芯也作为内芯的包层。外芯模式折射率数值随温度升高而减小，会导致内芯模式折射率下限随温度升高而减小，进而会使内芯模式折射率数值随温度升高而减小。因此，减小内芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度，实质上就是减弱内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度。由1)可知，当增大n1时，外芯环长和内芯与外芯之间的距离增大；当减小d2时，外芯平均折射率与内包层平均折射率的差值增大；当增大λ时，内芯直径和周长，外芯环宽和环长以及内芯与外芯之间的距离增大；当减小λ时，内芯折射率与内包层平均折射率的差值以及外芯平均折射率与内包层平均折射率的差值增大；当减小d1时，外芯环宽减小；当增大d1时，内芯折射率与内包层平均折射率的差值以及外芯平均折射率与内包层平均折射率的差值增大，以上均会使内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度减弱。因此，要减弱内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度，不仅需要增大n1或减小d2，还需要综合考虑λ对内、外芯尺度，内芯与外芯之间的距离以及内、外芯与其相邻包层折射率的差值的影响和d1对外芯尺度以及内、外芯与其相邻包层折射率的差值的影响。另外，由1)可知，若内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合太弱，将导致内芯模式色散谷底的幅值太小。因此，本发明需要综合考虑1)和本段所述内容共同调整参数λ、n1、d1以及d2控制内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度。
25、减小内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值方面：本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，内芯直径和外芯环宽分别为λ和2λ-d1，内芯周长和外芯环长分别为πλ和6(n1+1)λ。为了保证同轴双芯微结构光纤端面空气孔不重叠，λ必须大于d1。由于内芯直径小于外芯环宽并且内芯周长小于外芯环长，因此，内芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值大于外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。内芯直径和周长越大或外芯环宽和环长越小，使内芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值越小或外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值越大。其它条件相同的情况下，内芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值越小或外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值越大，内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值越小。由以上的表达式可知，当增大d1时，外芯环宽减小；当减小n1时，外芯环长减小，均导致外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值增大。当减小λ时，外芯环宽与内芯直径相比减小的幅度更大，外芯环长与内芯周长相比减小的幅度更大，导致外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值增大的幅度更大。因此，当增大d1，减小n1或减小λ时，均减小内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值。
26、综上，本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，需要综合考虑改变λ对内、外芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度以及内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值的影响；改变n1和d1对内芯模式折射率随温度升高而减小的幅度以及内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值的影响；改变d2对内、外芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度的影响。因此，本发明综合调整参数λ、n1、d1以及d2使谐振波长随温度升高而单调红移并且增大谐振波长对温度的灵敏度。
27、(2)如何使得传感器谐振波长在温度传感范围内随扭曲度增大而单调蓝移，以抵消由于温度升高导致的谐振波长单调红移。
28、若要使谐振波长在温度传感范围内随扭曲度增大而单调蓝移，以抵消由于温度升高导致的谐振波长单调红移，从而实现通过扭曲度数值得到温度数值的温度传感。在本专利中，需要同时实现以下两个技术效果1)谐振波长随扭曲度增大而单调蓝移；2)谐振波长对扭曲的灵敏度(即单位扭曲度改变时谐振波长变化量)与谐振波长对温度的灵敏度相匹配。
29、1)谐振波长随扭曲度增大而单调蓝移的技术方案：
30、本发明以内芯的中心作为扭曲中心对同轴双芯微结构光纤扭曲后，相较于扭曲前的直光纤，其横截面各个位置折射率增大的比例的计算公式为：其中α为扭曲度，ρ为扭曲半径。随着扭曲度或扭曲半径的增大，会增大扭曲后的同轴双芯微结构光纤横截面各个位置折射率增大的比例。扭曲后的同轴双芯微结构光纤内包层、外芯和外包层平均折射率随扭曲度增大而增大，即外芯模式折射率上限和下限随扭曲度增大而增大，使外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大。扭曲后的同轴双芯微结构光纤内芯和内包层平均折射率随扭曲度增大而增大，即内芯模式折射率上限和下限随扭曲度增大而增大，使内芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大。外芯模式折射率数值增大会使谐振波长蓝移，而内芯模式折射率数值增大会使谐振波长红移。本发明为了使谐振波长随扭曲度增大而单调蓝移，需要增大外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度和减小内芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度。
31、增大外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度方面：本发明中，扭曲前的同轴双芯微结构光纤内芯、内包层、外芯和外包层平均折射率分别记为n1、n2、n3和n4。相较于扭曲前的直光纤，扭曲后的同轴双芯微结构光纤内芯、内包层、外芯和外包层平均折射率增大的平均比例分别记为k1、k2、k3和k4。扭曲后的同轴双芯微结构光纤内芯、内包层、外芯和外包层平均折射率随扭曲度增大而增大的幅度分别为n1k1、n2k2、n3k3和n4k4。为了增大外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度，需要增大外芯模式折射率上限和下限随扭曲度增大而增大的幅度，即增大n2k2、n3k3和n4k4。从平均折射率的角度来看，需要增大n2、n3和n4。n2和n4的计算公式为：n3的计算公式为：由以上的表达式可知，当减小d2时，n3增大；当减小d1时，n2和n4增大；当增大λ时，n2、n3、n4增大。从平均折射率增大的平均比例的角度来看，需要增大k2、k3和k4。在相同扭曲度下，k2、k3和k4分别由内包层、外芯和外包层平均扭曲半径决定。内包层平均扭曲半径的计算公式为：外芯平均扭曲半径的计算公式为：(n1+1)λ，外包层平均扭曲半径的计算公式为：其它条件相同的情况下，内包层、外芯和外包层平均扭曲半径越大，k2、k3和k4越大。由以上的表达式可知，当增大λ或n1时，内包层、外芯和外包层平均扭曲半径增大，使k2、k3和k4增大；当增大n2时，外包层平均扭曲半径增大，使k4增大。因此，增大λ，增大n1，增大n2，减小d1或减小d2，均会增大外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度。
32、减小内芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度方面：本发明中，为了减小内芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度，需要减小内芯模式折射率上限和下限随扭曲度增大而增大的幅度，即减小n1k1和n2k2。从平均折射率的角度来看，需要减小n1和n2。n1等于ns，n2的计算公式为：由以上的表达式可知，当增大d1或减小λ时，n2减小。从平均折射率增大的平均比例的角度来看，需要减小k1和k2。在相同扭曲度下，k1和k2分别由内芯和内包层平均扭曲半径决定。内芯平均扭曲半径的计算公式为：内包层平均扭曲半径的计算公式为：其它条件相同的情况下，内芯和内包层平均扭曲半径越小，k1和k2越小。由以上的表达式可知，当减小λ时，内芯和内包层平均扭曲半径减小，使k1和k2减小；当减小n1时，内包层平均扭曲半径减小，使k2减小。因此，增大d1，减小λ或减小n1，均会减小内芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度。
33、本发明综合考虑上面两段所述，从平均折射率的角度来看，由于外包层平均扭曲半径大于内包层平均扭曲半径，在相同扭曲度下，k4>k2，当减小d1或增大λ时，n4和n2增大相同数值，导致n4k4和n2k2同时增大，会同时增大内芯模式和外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度，但n4k4增大的幅度大于n2k2增大的幅度，使增大外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度的作用更明显。当减小d2或增大λ时，n3增大，从而增大外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度。从平均折射率增大的平均比例的角度来看，当增大λ时，外芯平均扭曲半径增大的幅度大于内芯平均扭曲半径增大的幅度，导致k3增大的幅度大于k1增大的幅度；外包层平均扭曲半径增大的幅度大于内包层平均扭曲半径增大的幅度，导致k4增大的幅度大于k2增大的幅度，均会同时增大内芯模式和外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度，但增大外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度的作用更明显。当增大n1时，外芯平均扭曲半径增大，导致k3增大，从而增大外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度；外包层平均扭曲半径增大的幅度大于内包层平均扭曲半径增大的幅度，导致k4增大的幅度大于k2增大的幅度，会同时增大内芯模式和外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度，但增大外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度的作用更明显。当增大n2时，外包层平均扭曲半径增大，导致k3增大，从而增大外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度。
34、综上，本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，增大λ，增大n1，增大n2，减小d1或减小d2，均使谐振波长随扭曲度增大而单调蓝移，可实现谐振波长随扭曲度增大而单调蓝移抵消其随温度升高而单调红移的技术效果。
35、2)谐振波长对扭曲的灵敏度与谐振波长对温度的灵敏度相匹配的技术方案：
36、本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，谐振波长随扭曲度增大而单调蓝移抵消其随温度升高而单调红移，使谐振波长位置始终位于工作波长。在谐振波长位置始终位于工作波长的前提下，若单位温度改变时扭曲度变化量(即谐振波长对温度的灵敏度与谐振波长对扭曲的灵敏度的比值)太小，导致传感器灵敏度太小，使传感器难以通过扭曲度数值测量温度数值的变化。因此，为了能够通过扭曲度数值得到温度数值，需要增大单位温度改变时扭曲度变化量，即需要增大谐振波长对温度的灵敏度以及减小谐振波长对扭曲的灵敏度，使谐振波长对扭曲的灵敏度与谐振波长对温度的灵敏度相匹配。
37、增大谐振波长对温度的灵敏度方面：为了增大谐振波长对温度的灵敏度，需要增大外芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度，减小内芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度，以及减小内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值。首先，如(1)所述，增大d2或减小λ，均增大外芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度。其次，减小内芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度，实质上就是减弱内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度。由(1)可知，增大n1或减小d2，内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度减弱；调节λ和d1需要综合考虑λ对内、外芯尺度，内芯与外芯之间的距离以及内、外芯与其相邻包层折射率的差值的影响和d1对外芯尺度以及内、外芯与其相邻包层折射率的差值的影响。另外，若内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合太弱，将导致内芯模式色散谷底的幅值太小。所以，内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度需要综合考虑谐振波长随温度升高而单调红移，增大谐振波长对温度的灵敏度以及色散谷底幅值的大小后，共同调整参数λ、n1、d1以及d2。最后，如(1)所述，增大d1，减小n1或减小λ，均减小内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值。
38、减小谐振波长对扭曲的灵敏度方面：为了减小谐振波长对扭曲的灵敏度，需要减小外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度，增大内芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度，以及增大内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值。如(2)中1)所述，增大λ，增大n1，增大n2，减小d1或减小d2，均会增大外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度；增大d1，减小λ或减小n1，均会减小内芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度；减小d1，增大λ或增大n1，会同时增大内芯模式和外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度，但增大外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度的作用更明显。反之，减小λ，减小n1，减小n2，增大d1或增大d2，均会减小外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度；减小d1，增大λ或增大n1，均会增大内芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度；增大d1，减小λ或减小n1，会同时减小内芯模式和外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度，但减小外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度的作用更明显。所以，本发明优先考虑谐振波长随扭曲度增大而单调蓝移的前提下，减小λ，减小n1，减小n2，增大d1或增大d2，从而减小谐振波长对扭曲的灵敏度。此外，其它条件相同的情况下，内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值越小，单位扭曲度改变时谐振波长变化量越大。因此，谐振波长随扭曲度增大的蓝移量跟内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值成反比，增大内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值，会使谐振波长随扭曲度增大的蓝移量减小。如上段所述，增大d1，减小n1或减小λ，均减小内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值。反之，减小d1，增大n1或增大λ，均增大内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值。
39、综上，本发明的同轴双芯微结构光纤温度传感器，需要综合考虑改变λ、n1、n2、d1以及d2对谐振波长对温度的灵敏度和谐振波长对扭曲的灵敏度的影响后，调整参数λ、n1、n2、d1以及d2使单位温度改变时扭曲度变化量增大，从而增大传感器灵敏度，以实现通过扭曲度数值得到温度数值的温度传感。
40、为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
41、一种利用扭曲度测温的微结构光纤温度传感器，采用纯石英玻璃作为基底材料；所有空气孔采用正六边形排布方式；包括内芯、内包层、外芯和外包层四部分；所述内芯为忽略中心1个空气孔形成的实心区域；所述外芯由温度敏感区及其周围的纯石英玻璃构成；所述内包层由包围内芯的空气孔及其周围的纯石英玻璃构成；所述外包层由包围外芯的空气孔及其周围的纯石英玻璃构成；所述温度敏感区为填充乙醇的区域；
42、所有空气孔的相邻空气孔间距为λ；所述内包层和外包层的空气孔层数分别为n1和n2，其空气孔直径均为d1；所述外芯的空气孔直径为d2；所述温度敏感区位于第n1+1层空气孔。
43、进一步的，所述相邻空气孔间距λ的范围为2.309-2.329μm。
44、进一步的，所述内包层空气孔层数n1的范围为1-3。
45、进一步的，所述外包层空气孔层数n2的范围为1-3。
46、进一步的，所述内包层和外包层空气孔直径d1的范围为1.838-1.858μm。
47、进一步的，所述外芯空气孔直径d2的范围为1.56-1.58μm。
48、由于采用了上述技术方案，本发明取得技术效果如下：
49、本发明提出了一种利用改变扭曲度使色散谷底对应波长发生移动，以抵消由于温度改变导致的色散谷底对应波长的移动，使色散谷对应波长保持不变，从而利用扭曲度测温的微结构光纤温度传感器。
50、本发明以色散谷底对应波长作为特征波长进行温度传感，而非其他方案中以损耗峰顶对应波长作为特征波长进行温度传感。本发明采用内芯模式产生色散谷和色散谷底对应波长位置位于工作波长的技术方案，使色散谷底对应波长作为特征波长。在内芯模式产生色散谷的方面，利用了λ、n1、d1以及d2调控内、外芯尺度，内芯与外芯之间的距离以及内、外芯与其相邻包层折射率的差值，从而控制内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度，使内芯模式的色散随波长变化曲线以谐振波长为中心产生一个谷。在色散谷底对应波长位置位于工作波长方面，利用了λ、n1、d1以及d2调控外芯模式折射率上限，内、外芯模式折射率下限以及内、外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，从而调节内、外芯模式折射率数值，使色散谷底对应波长位置位于工作波长。上述技术方案的共同作用下，实现了以色散谷底对应波长作为特征波长的技术效果。本发明以色散谷底对应波长作为特征波长，与现有技术中以损耗峰顶对应波长作为特征波长相比，其好处在于克服了光强易受光源强度波动干扰的不足。
51、本发明保持色散谷底对应波长不变的方式进行温度传感，而非其他方案中特征波长随温度变化而移动的方式进行温度传感。本发明采用色散谷底对应波长随温度升高而单调红移和色散谷底对应波长随扭曲度增大而单调蓝移的技术方案，使色散谷底对应波长保持不变。在色散谷底对应波长随温度升高而单调红移的方面，利用了λ、n1、d1和d2调控外芯模式折射率上限随温度升高而减小的幅度以及内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度，从而增大外芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度和减小内芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度，使色散谷底对应波长随温度升高而单调红移。在色散谷底对应波长随扭曲度增大而单调蓝移的方面，利用了λ、n1、n2、d1和d2调控内、外芯模式折射率上限和下限以及内芯、内包层、外芯和外包层平均扭曲半径，从而增大外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度和减小内芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度，使色散谷底对应波长随扭曲度增大而单调蓝移。上述技术方案的共同作用下，色散谷底对应波长随扭曲度增大而单调蓝移抵消其随温度升高而单调红移，实现了保持色散谷底对应波长不变的技术效果。本发明保持色散谷底对应波长不变，与现有技术中特征波长随温度变化而移动相比，其好处在于克服了温度测量范围受光源和光谱仪工作波长范围限制的不足。
52、本发明利用扭曲度测温，而非利用其它物理量测温。本发明采用增大色散谷底对应波长对温度的灵敏度和减小色散谷底对应波长对扭曲的灵敏度的技术方案，使单位温度改变时扭曲度变化量增大，从而利用扭曲度测温。在增大色散谷底对应波长对温度的灵敏度的方面，利用了λ、n1、d1和d2调控外芯模式折射率上限随温度升高而减小的幅度，内芯模式与外芯模式在谐振波长处的能量耦合强度以及内、外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值，从而增大外芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度，减小内芯模式折射率数值随温度升高而减小的幅度以及减小内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值，使色散谷底对应波长对温度的灵敏度增大。在减小色散谷底对应波长对扭曲的灵敏度的方面，利用了λ、n1、n2、d1和d2调控内、外芯模式折射率上限和下限，内芯、内包层、外芯和外包层平均扭曲半径以及内、外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值，从而减小外芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度，增大内芯模式折射率数值随扭曲度增大而增大的幅度以及增大内芯模式与外芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值，使色散谷底对应波长对扭曲的灵敏度减小。上述技术方案的共同作用下，增大了单位温度改变时扭曲度变化量，使传感器灵敏度增大，实现了利用扭曲度测温的技术效果。本发明利用扭曲度测温，其好处在于可以精确控制扭曲度并且能够检测微小的温度变化。
53、本发明采用纯石英玻璃作为基底材料；所有空气孔采用正六边形排布方式；忽略中心1个空气孔作为内芯；温度敏感区为填充乙醇的区域；外芯由温度敏感区及其周围的纯石英玻璃构成；内包层由包围内芯的空气孔及其周围的纯石英玻璃构成；外包层由包围外芯的空气孔及其周围的纯石英玻璃构成。综合考虑内芯模式产生色散谷，色散谷底对应波长位置位于工作波长，色散谷底对应波长随温度升高而单调红移，色散谷底对应波长随扭曲度增大而单调蓝移，增大色散谷底对应波长对温度的灵敏度和减小色散谷底对应波长对扭曲的灵敏度的技术方案后，通过调整λ、n1、n2、d1和d2，产生了在保持色散谷底对应波长位置位于工作波长不变的前提下利用扭曲度测温的技术效果，实现了高稳定性、高灵敏度和宽测温范围的温度传感。
54、采用该技术方案，实施例最终得到的结果为：工作波长位于1550nm处，扭曲度测量的温度范围为-104-76℃，传感器最大灵敏度可达到0.119(rad/mm)/℃。
1.一种利用扭曲度测温的微结构光纤温度传感器，采用纯石英玻璃作为基底材料，其特征在于：从中心向外依次包括内芯、内包层、外芯和外包层，光纤内部设置有若干空气孔，光纤端面所有空气孔以正六边形排布方式，所述内芯为忽略中心1个空气孔形成的实心区域；所述外芯由温度敏感区及其周围的纯石英玻璃构成；所述内包层由包围内芯的空气孔及其周围的纯石英玻璃构成；所述外包层由包围外芯的空气孔及其周围的纯石英玻璃构成；所述温度敏感区为填充乙醇的区域；所有空气孔的相邻空气孔间距为λ；所述内包层和外包层的空气孔层数分别为n1和n2，其空气孔直径均为d1；所述外芯的空气孔直径为d2；所述温度敏感区位于第n1+1层空气孔。
2.根据权利要求1所述的一种利用扭曲度测温的微结构光纤温度传感器，其特征在于：内芯直径为内包层第一层空气孔包围形成圆形区域的直径，数值为λ，外芯环宽为2λ-d1，外芯环长为6(n1+1)λ，内芯与外芯之间的距离为(n1+1)λ，内芯、内包层、外芯和外包层平均扭曲半径分别为(n1+1)λ和
3.根据权利要求1所述的一种利用扭曲度测温的微结构光纤温度传感器，其特征在于：内、外包层平均折射率以及内、外芯模式折射率下限计算公式为：
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种利用扭曲度测温的微结构光纤温度传感器，其特征在于：所述相邻空气孔间距λ的范围为2.309-2.329μm。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种利用扭曲度测温的微结构光纤温度传感器，其特征在于：所述内包层空气孔层数n1的范围为1-3。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种利用扭曲度测温的微结构光纤温度传感器，其特征在于：所述外包层空气孔层数n2的范围为1-3。
7.根据权利要求1-3任一项所述的一种利用扭曲度测温的微结构光纤温度传感器，其特征在于：所述内包层和外包层空气孔直径d1的范围为1.838-1.858μm。
8.根据权利要求1-3任一项所述的一种利用扭曲度测温的微结构光纤温度传感器，其特征在于：所述外芯空气孔直径d2的范围为1.56-1.58μm。
