CN102226725B - 一种壁中波导长周期光纤光栅传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液体温度和折射率测量技术领域，具体为一种实现温度和折射率同时测量的壁中波导长周期光纤光栅传感器。本发明包括光源、输入单模光纤、传感头部分、输出单模光纤和波长解调仪，传感头部分由输入单模光纤、壁中波导毛细管光纤以及输出单模光纤经过熔融焊接组成；其中毛细管光纤包括外包层、波导层、内包层以及空气孔芯，波导层位于内包层和外包层之间，波导层上写有长周期光纤光栅，空气孔芯内壁镀有高热光系数的介质。输入端光源为宽谱光源，输出单模光纤与波长解调仪相连。本发明实现了温度和折射率同时测量，可以实现温度补偿，使折射率测量的精度有了更大提高，减小了传感器的体积，使测量方便，成本降低。
Description
技术领域
本发明涉及液体温度和折射率测量技术领域，具体为一种实现温度和折射率同时测量的壁中波导长周期光纤光栅传感器。
背景技术
折射率是流体介质重要的物理参数。流体介质诸多性质，如液体浓度、混合物成份、比重以及pH值等都可以反映在其折射率上。因此，人们通过测量液体的折射率就可以了解其物理和化学性质。折射率测量的方法有多种，常用的折射率测量仪器为阿贝测量仪。随着光纤传感技术的快速发展，基于光纤技术的折射率测量方法、技术及折射率传感器备受关注，尤其是光纤光栅的产生，其优越的性能使光纤光栅成为传感领域的佼佼者。光纤光栅传感器不仅具有抗电磁干扰、高灵敏度、响应速度快、动态范围宽、重量轻、结构紧凑、使用灵活、适用于腐蚀性或危险性环境等优点，同时还具有波长编码，便于复用构成光纤传感网络等优点。因此，基于光纤光栅的折射率传感在生物化学传感器或生物探针等方面具有很大的应用前景。
光纤光栅传感器是利用光纤材料的光敏特性，在光纤纤芯或波导层形成周期性结构，其工作原理是在满足相位匹配条件的波长处发生模间共振耦合。当光纤光栅所处环境的温度、折射率等物理量发生改变时，光纤光栅的周期或有效折射率通常也会随之发生改变，从而使得光栅的共振波长发生变化，通过测量共振波长的变化，就可以测得待测物理量的变化情况。
长周期光纤光栅的共振波长λ可由下式决定：
λ＝(neff-core-neff-cladding)Λ
式中，neff-core是纤芯或毛细管光纤波导层有效折射率，neff-cladding为包层有效折射率，Λ为光栅周期。因此光纤光栅可以作为应力，温度，折射率等的透射式传感器。
为了提高光纤光栅传感器的性能，人们提出了各种不同的基于长周期光纤光栅的传感器结构。常用的长周期光纤光栅传感器装置是将长周期光纤光栅的一端与光源连接，另一端接上波长解调仪，通过观察光谱的变化来检测环境的变化。2005年Xianfeng Chen，KaimingZhou，Lin Zhang，Ian Bennion等人在文献“Optical sensor based onhybrid LPG/FBG in D-fiber for simultaneous refractive index andtemperature measurement”中提到一种同时测量折射率和温度的D型光纤传感器，由于是经过抛光处理的，改变了光纤的结构，破坏了传感器的完整性，所以这种传感器特别脆弱，易损坏；在2007年，李恩邦提出了一种新型的同时测量液体温度和折射率的光纤传感装置，但是这种装置的传感灵敏度还不够高；2009年，Hyun Soo Jang，Kwang NoPark，Jun P.Kim，Sang Jun Sim，Oh J.Kwon，Young-Geun Han，andKyung Shik Lee等人，在文献“Sensitive DNA biosensor based on along-period grating formed on the side-poli shed fiber surface”中将长周期光纤光栅用来测量DNA，其缺点还是因为抛光作用不仅仅改变了光纤的结构且无法实现双参数传感。
由于介质的折射率随温度的变化而改变，而环境温度不是恒定不变的，只有在一定温度下测得的折射率才有意义，因此在进行液体折射率测量时有必要进行温度补偿，以提高折射率测量的精度。
发明内容
本发明目的是提出一种精度更高、体积更小、测量更简便的，可以实现温度和折射率的同时测量的壁中波导长周期光纤光栅传感器。
本发明的目的是这样实现的：
本发明为一种壁中波导长周期光纤光栅传感器包括光源、输入单模光纤、传感头部分、输出单模光纤和波长解调仪，传感头部分由输入单模光纤、壁中波导毛细管光纤以及输出单模光纤经过熔融焊接组成；其中毛细管光纤包括外包层、波导层、内包层以及空气孔芯，波导层位于内包层和外包层之间，波导层上写有长周期光纤光栅，空气孔芯内壁镀有高热光系数的介质。输入、输出单模光纤为标准单模光纤。输入端光源为宽谱光源，输出单模光纤与波长解调仪相连。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种壁中波导长周期光纤光栅传感器，由于该传感器实现了温度和折射率同时测量，可以实现温度补偿，使折射率测量的精度有了更大的提高，同时还减小了传感器的体积，测量方便，降低了成本；两包层内的高阶模同波导内的低阶模分别发生干涉，干涉后的损耗峰各自独立，互不影响，不会给测量带来串扰。
附图说明
图1壁中波导长周期光纤光栅传感器结构示意图；
图2壁中波导长周期光纤光栅传感器传感头示意图；
图3壁中波导毛细管光纤横截面示意图；
图4经处理的壁中波导毛细管光纤横截面示意图；
具体实施方式
下面对本发明做进一步说明：
如图1所示，图1为本发明壁中波导长周期光纤光栅传感器示意图。该传感器包括入射光源01，传感头03，接收端波长解调仪02以及输入输出单模光纤。其中宽谱光源可以是LED光源或者ASE光源，传感头部分通常用AB胶固定在玻璃基片上。通过监测传感器透射谱漂移的方法实现温度和折射率同时测量。
如图2所示，图2为本发明壁中波导长周期光纤光栅实现温度和折射率测量的传感器传感头示意图。该传感头由输入单模光纤1，毛细管光纤3以及输出单模光纤2级联而成。其中单模光纤1、2采用标准单模光纤(G652)，纤芯直径8.2μm，包层直径125μm，数值孔径0.14。首先将其去涂覆层，然后用光纤切割刀切割端面，使切割端面与光纤轴线垂直。毛细管光纤3的外径也是125μm，包括波导层、内外包层以及空气孔芯。取一段长6cm左右的毛细管光纤，去掉表面的涂覆层，使用切割刀切割端面，使其端面与光纤轴线垂直。接着将端面处理后的单模光纤1、2分别和毛细管光纤3放入光纤焊接机中熔接，需要保证两光纤轴心在同一直线上。然后，用CO2激光器发出的激光照射毛细管光纤，在毛细管光纤的波导层写入长周期光纤光栅，周期Λ的大小根据实际需要而定。测量过程中，外包层的高阶模同波导层低阶模相干损耗峰会随温度和外界折射率变化而发生漂移，而内包层高阶模同波导层低阶模相干损耗峰只随温度变化而发生漂移，且二者产生的损耗峰相互独立。
如图3所示，图3为本发明壁中波导长周期光纤光栅实现温度和折射率测量传感器的壁中波导毛细管光纤横截面示意图。该壁中波导毛细管光纤包括薄波导层5，厚度为十几个微米，长周期光纤光栅就写在此薄波导层上；内包层8和外包层6，具有将光束缚在薄波导层5中的作用，外径为125μm，两包层的厚度根据实际情况而定；空气孔芯7，直径为40-60μm。
如图4所示，图4为本发明壁中波导长周期光纤光栅温度和折射率传感器经处理的壁中波导毛细管光纤横截面示意图。在内包层8的内壁上镀高热光系数介质9如氧化锡，厚度为50nm左右，或者利用毛细现象在空气孔芯内注入高热光系数的液体10，这些高热光系数的介质随环境温度的改变其折射率发生变化，从而导致内包层8的有效折射率发生变化。
该壁中波导长周期光纤光栅传感器同时测量温度和折射率的工作原理是：宽带光源出射的光在输入单模光纤中以基模的形式传播，并在单模光纤和毛细管光纤交界面处激励起多个低阶模，这些低阶模沿着毛细管光纤的波导层向前传输，当遇到长周期光纤光栅时，低阶模被耦合成高阶模，一部分进入毛细管光纤的内包层，一部分进入毛细管光纤的外包层，未发生耦合的低阶模继续沿着毛细管光纤波导层向前传播。然后包层中的高阶模又被长周期光纤光栅耦合回波导层，并与波导层内的低阶模发生干涉，干涉后的光通过输出单模光纤进入波长解调仪。在波长解调仪上可以看到，在满足谐振波长条件λi＝(neff-core-nieff-cladding)Λ处会出现一个损耗峰，其中λi为谐振波长，neff-core为波导层有效折射率，nieff-cladding为i阶包层模的有效折射率。由长周期光纤光栅谐振波长条件可知，当作用于长周期光纤光栅的环境因素，如温度、折射率等，发生改变时，光栅周围介质的折射率就会随之产生变化，从而引起光纤波导层低阶模和包层模式有效折射率发生相应的改变，最终导致谐振波长的变化。这样我们就可以通过检测谐振波长λi的变化来感知外界环境的变化。由于毛细管光纤内包层的折射率neff-cladding与外包层的折射率neff-cladding不同，因此二者的谐振波长也不相同，即透射谱的损耗峰不会相互重叠。通过检测光纤光栅谐振波长的漂移，就可以获得待测温度和折射率的动态变化信息。
Claims (3)
1.一种壁中波导长周期光纤光栅传感器，包括光源、输入单模光纤、传感头部分、输出单模光纤和波长解调仪，其特征是：传感头部分由输入单模光纤、壁中波导毛细管光纤以及输出单模光纤经过熔融焊接组成；其中壁中波导毛细管光纤包括外包层、波导层、内包层以及空气孔芯，波导层位于内包层和外包层之间，波导层上写有长周期光纤光栅，空气孔芯内壁镀有高热光系数的介质，介质的折射率随环境温度的改变发生变化。
2.根据权利要求1所述的壁中波导长周期光纤光栅传感器，其特征是：输入、输出单模光纤为标准单模光纤。
3.根据权利要求1或2所述的壁中波导长周期光纤光栅传感器，其特征是：光源为宽谱光源，输出单模光纤与波长解调仪相连。
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