CN102147362A - 一种基于锥形腐蚀的温度自补偿fbg折射率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于锥形腐蚀的温度自补偿FBG折射率传感器。本发明中宽带光源直接与3dB耦合器的第一个端口光连接，3dB耦合器的第二个端口与锥形腐蚀的光纤布拉格光栅连接，3dB耦合器的第三个端口连接到光谱仪。本发明能够有效解决折射率测量传感技术中存在的物理参量之间交叉敏感问题，实现对温度自补偿的折射率传感测量，结构紧凑，进一步提高测量精度，对外界环境，比如光纤震动有较强的抗干扰能力。同时无需级联额外的光纤光栅，大大降低了传感器成本，易于多点分布的传感测量。

Description

一种基于锥形腐蚀的温度自补偿FBG折射率传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于锥形腐蚀的光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)实现温度自补偿的折射率传感器。
背景技术
目前，折射率传感技术在环境监测、医学诊断、石油化工等生化应用领域具有重要的研究意义。基于光纤的折射率传感器由于具有体积小，不受电磁干扰，灵敏度高，重量轻，适于在易燃，易爆等苛刻环境下检测并且可以远程传感等优点，逐渐替代传统的折射率传感器，广泛应用于各种生产生活领域。
光纤光栅是近几年来发展最为迅速的光纤无源器件之一，它具有一般光纤折射率传感器的优点，并且采用波长调制方式，对光纤连接器和耦合器、光纤弯曲、光源不稳定等无需任何补偿措施，同时还可以方便地将多只光栅复用，这是其它传感器件无法比拟的。长周期光纤光栅(LPG)由于其谐振波长易受外界折射率影响，作为折射率传感器得到了广泛的研究。然而LPG本身的温度交叉敏感度较高，应力、弯曲等因素都会降低它的测量精度。光纤布拉格光栅(FBG)的耦合光仅发生于纤芯模之间，在经过传统的均匀腐蚀后用于折射率传感测量时，同样会面临交叉敏感的问题。因此，将LPG或者均匀腐蚀后的FBG用做折射率传感测量时常级联另外一个LPG或者完整的FBG单独做为温度传感器。这些措施不仅增加了传感设备的成本和复杂程度，而且不适合多点的传感测量。
针对上述问题，我们提出了一种基于锥形腐蚀的温度自补偿FBG折射率传感器。基于锥形腐蚀的FBG传感器结构紧凑，利用一个传感器就可实现温度自补偿的折射率传感测量，并且属于布拉格光栅的一种，对弯曲不敏感，不受温度影响，传感器性能稳定，因此本发明提出的传感器不会受到光纤抖动和光纤弯曲带来的干扰，测量精度高，比LPG折射率传感器和FBG折射率传感器更有优势。
发明内容
本发明目的就是为了克服现有折射率测量传感技术中存在的交叉敏感的问题，提供了一种结构紧凑的基于锥形腐蚀的温度自补偿FBG折射率传感器，此方案可以有效解决测量过程中出现的物理参量间交叉敏感问题，极大降低了传感器的复杂程度，并且对于光纤抖动和光纤弯曲等各种不稳定因素有较强的抗干扰能力。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案：
基于锥形腐蚀的温度自补偿FBG折射率传感器包括宽带光源、3dB耦合器、锥形腐蚀的光纤布拉格光栅、光谱仪。
宽带光源直接与3dB耦合器的第一个端口光连接，3dB耦合器的第二个端口与锥形腐蚀的光纤布拉格光栅连接，3dB耦合器的第三个端口连接到光谱仪。
本发明所具有的有益效果为：
当光纤的包层直径减小到某特定值(本发明中该值为20μm)时，光纤布拉格光栅纤芯的有效折射率会随外界环境折射率呈单调非线性变化，对应区域的光纤布拉格光栅波长也会发生变化。利用这一特性，将光纤布拉格光栅的包层腐蚀成锥形，腐蚀后的光纤包层直径从40μm逐渐变化为9μm，锥形腐蚀处理后的FBG用于液体折射率传感测量时，反射光谱将会展宽，形成一个宽带光谱，光谱的展宽程度与外界环境折射率呈类似指数的函数关系。由于锥形腐蚀后的光纤热膨胀系数相同，宽带光谱两侧对温度的敏感程度相同，所以当外界温度和折射率参数同时作用于锥形腐蚀的光纤布拉格光栅折射率传感器造成光谱漂移时，光谱两侧受温度影响的漂移量是相同的，实现了温度自补偿，观察整个光谱3dB带宽的变化即可实现对外界环境折射率的传感测量，观察宽带光谱长波一侧的波长变化可以实现外界环境温度的传感测量。本发明有效解决了光纤光栅折射率传感器中存在的温度与折射率的交叉敏感问题，结构紧凑，并且无需级联额外的光纤光栅，大大降低了传感器成本，易于空间多点分布的传感测量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1所示，基于锥形腐蚀的温度自补偿FBG折射率传感器，包括宽带光源1、3dB耦合器2、锥形腐蚀的光纤布拉格光栅3、光谱仪4。宽带光源1的一端与3dB耦合器2的第一个端口光连接，3dB耦合器2的第二个端口与锥形腐蚀的光纤布拉格光栅3一端光连接，3dB耦合器2的第三个端口与光谱仪4光连接。
本实施方式的工作方式为：宽带光源发出的光经3dB耦合器入射进锥形腐蚀的光纤布拉格光栅，锥形腐蚀的光纤布拉格光栅反射光经3dB耦合器传输进入光谱仪。由于光纤布拉格光栅的包层小于一定值时，其纤芯的有效折射率会受外界环境折射率的影响，呈非线性关系，所以其反射波长会受外界环境的影响，并呈非线性关系。本发明由于将光纤腐蚀成锥形，在用于液体折射率传感测量时，其反射光谱将会展宽，形成一个宽带光谱，光谱的展宽程度与外界环境折射率呈类似指数的函数关系。
由于锥形腐蚀后的光纤热膨胀系数相同，宽带光谱两侧对温度的敏感程度相同，所以当外界温度和折射率参数同时作用于锥形腐蚀的光纤布拉格光栅折射率传感器造成光谱漂移时，光谱两侧受温度影响的漂移量是相同的，实现了温度自补偿。外界环境折射率的变化对光谱3dB带宽的影响是类似指数函数的，所以观察整个光谱3dB带宽的变化即可实现对外界环境折射率的传感测量；外界温度变化对光谱长波一侧的波长漂移的影响是线性的，所以观察宽带光谱长波一侧的波长变化可以实现外界环境温度的传感测量。
本发明能够实现温度和折射率同步测量、克服交叉敏感、提高精度的关键技术为：
采用锥形腐蚀的光纤布拉格光栅。腐蚀后的光纤包层直径最大值为40μm，包层直径最小值为9μm，锥形腐蚀处理后的FBG用于液体折射率传感测量时，其反射光谱将会展宽，形成一个宽带光谱，光谱的展宽程度与外界环境折射率呈类似指数的函数关系。由于锥形腐蚀后的光纤热膨胀系数相同，宽带光谱两侧对温度的敏感程度相同，所以当外界温度和折射率参数同时作用于锥形腐蚀的光纤布拉格光栅折射率传感器造成光谱漂移时，光谱两侧受温度影响的漂移量是相同的，实现了温度自补偿，观察整个光谱3dB带宽的变化即可实现对外界环境折射率的传感测量，观察宽带光谱长波一侧的波长变化可以实现外界环境温度的传感测量。
本实施例中的锥形腐蚀的FBG是SMF-28单模光纤布拉格光栅，纤芯直径为8.3μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.14，锥形腐蚀的光纤布拉格光栅长度为20mm，光纤锥形处的最大直径为40μm，最小直径为9μ，包层直径大于20μm的部分长度为5mm，包层直径小于20μm的部分长度为15mm。

Claims (3)

1.一种基于锥形腐蚀的温度自补偿FBG折射率传感器包括宽带光源、3dB耦合器、锥形腐蚀的光纤布拉格光栅、光谱仪，其特征在于：
宽带光源直接与3dB耦合器的第一个端口光连接，3dB耦合器的第二个端口与锥形腐蚀的光纤布拉格光栅连接，3dB耦合器的第三个端口连接到光谱仪。
2.如权利要求1所述的锥形腐蚀的光纤布拉格光栅，其特征在于腐蚀成锥形，且光纤锥形处的最大直径为40μm，最小直径为9μm，长度为20mm。
3.如权利要求1所述的锥形腐蚀的光纤布拉格光栅，其特征在于当光纤的包层直径减小到某特定值(本发明中该值为20μm)时，光纤布拉格光栅纤芯的有效折射率会随外界环境折射率呈单调非线性变化，对应区域的光纤布拉格光栅波长也会发生变化。利用这一特性，将光纤布拉格光栅的包层腐蚀成锥形，腐蚀后的光纤包层直径最大值为40μm，包层直径最小值为9μm，锥形腐蚀处理后的FBG用于液体折射率传感测量时，反射光谱将会展宽，形成一个宽带光谱，光谱的展宽程度与外界环境折射率呈类似指数的函数关系。由于锥形腐蚀后的光纤热膨胀系数相同，宽带光谱两侧对温度的敏感程度相同，所以当外界温度和折射率参数同时作用于锥形腐蚀的光纤布拉格光栅折射率传感器造成光谱漂移时，光谱两侧受温度影响的漂移量是相同的，实现了温度自补偿，观察整个光谱3dB带宽的变化即可实现对外界环境折射率的传感测量，观察宽带光谱长波一侧的波长变化可以实现外界环境温度的传感测量。本发明有效解决了光纤光栅折射 率传感器中存在的温度与折射率的交叉敏感问题，结构紧凑，并且无需级联额外的光纤光栅，大大降低了传感器成本，易于空间多点分布的传感测量。 
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