CN102322894B - 一种全光纤型长周期光纤光栅溶液多参量传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全光纤型长周期光纤光栅溶液多参量传感系统，宽带光源输出光经一个复合长周期光纤光栅进入2×2光纤耦合器的输入端；2×2光纤耦合器的一路输出光进入第一光纤布喇格光栅，另一路输出光经光纤隔离器进入第二光纤布喇格光栅。两个布喇格光纤光栅的反射光均进入光电转换模块和信号放大器后被数据采集卡采集，由计算机进行数据处理和实时显示测量结果。本发明以复合长周期光纤光栅作溶液多个参量的敏感元件，以匹配的布喇格光纤光栅作信号解调元件，实现了全光纤型多参量传感系统。本发明具有抗电磁干扰、全光纤型测量、可远程监控等优点。

Description

一种全光纤型长周期光纤光栅溶液多参量传感系统

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感技术领域，特别是涉及一种具有多参量测量功能的全光纤型长周期光纤光栅传感系统。

背景技术

溶液浓度和温度的实时监测是某些领域工业工程质量控制的重要组成部分，也是水体污染物监测、环境监测等领域的重要技术手段。光纤光栅是在光纤中建立起某种空间折射率周期分布，使在其中光的传播特性得以改变的一种光学元件。长周期光纤光栅（LPG）是一种透射型光栅，其谐振波长和谐振强度对外界环境的变化非常敏感，长周期光纤光栅的谐振峰值波长需满足相位匹配条件，如以下方程所示。

${\mathrm{\λ}}_L=(n_{\mathrm{core}}-n_{\mathrm{clad}}^p)\mathrm{\Λ}---\left(1\right)$

对温度T进行求导，得到（2）式，

$\frac{d{\mathrm{\λ}}_L}{\mathrm{dT}}={\mathrm{\λ}}_L\mathrm{\γ}(\mathrm{\α}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{temp}})---\left(2\right)$

式中α＝ΔΛ/(Λ·ΔT)是光纤的热膨胀系数，

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{temp}}=\frac{d(n_{\mathrm{core}}-n_{\mathrm{clad}}^p)}{(n_{\mathrm{core}}-n_{\mathrm{clad}})\mathrm{dT}}---\left(3\right)$

从上式可以看出，当外界温度变化的时候，由于热光效应，光纤纤芯和包层的材料折射率都会发生相应的变化，引起纤芯模和包层模有效折射率差的变化。同时，光栅的周期也会由于光纤的热胀冷缩而发生改变。由于石英材料的热膨胀系数α约为5×10^-7/℃，远小于Γ_temp的值，所以一般可忽略不计。长周期光纤光栅的温度灵敏度可表示为：

K_T＝(α_co+ξ_co)n_coΛ-(α_co+ξ_cl)n_clΛ(4)

式中α_co为纤芯的热膨胀系数，ξ_co、ξ_cl分别为纤芯和包层的热光系数。由上面的分析可知，长周期光纤光栅的谐振波长随温度呈线性变化。

另一方面，将长周期光纤光栅的外包层剥掉以后，剩下含有内包层和纤芯的裸光纤光栅，它不但具有一般LPG的特性，可吸收特定波长的光波，在其透射谱中出现数个谐振吸收损耗峰；而且，当把它放入某种溶液中时，其光栅区所处溶液的折射率会决定其模式耦合情况，其透射谱中谐振峰的峰值波长将会随周围环境溶液折射率的变化而变化，而溶液浓度的变化会引起溶液折射率的变化。因此，溶液浓度变化将引起溶液折射率发生变化，进而引起长周期光纤光栅透射谱中谐振峰发生漂移，浓度变化越大，偏移越大。因此，可通过其谐振峰值波长的移动量Δλ_L求得溶液折射率的变化，进而求得溶液浓度。

长周期光纤光栅的谐振峰的峰值波长漂移量随外界折射率的变化关系式如下：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_L}{{\mathrm{\λ}}_L}=[\frac{1}{n_{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{cl}}}\frac{d(n_{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{cl}})}{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{ex}}}+\frac{1}{\mathrm{\Λ}}\frac{\mathrm{d\Λ}}{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{ex}}}]{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{ex}}---\left(5\right)$

λ_L为初始谐振峰波长，Δλ_L为谐振峰值波长的移动量，Δn_ex为外界折射率变化量，n_co、n_cl分别为长周期光纤光栅的基模和包层模的有效折射率。利用LPG测量溶液浓度的原理就是通过理论计算和实验测量找到（5）式中括号内的折射率敏感系数，然后建立起外界折射率变化Δn_ex与谐振峰值波长移动量Δλ_L的对应关系，再根据溶液浓度变化和折射率变化量之间的关系，得知被测溶液的浓度。根据这些关系进行适当的定标，即可得到谐振峰值波长的漂移量与溶液浓度的一一对应关系。利用适当的解调方法，解调出长周期光纤光栅的谐振损耗峰值波长或其漂移量，即可计算出溶液浓度。

在现有技术中，若采用光纤布喇格光栅作为温度的传感元件，因普通光纤布喇格光栅的温度灵敏系数较小，测量温度时误差较大。若采用长周期光纤光栅进行多参量测量时，多使用光谱仪等进行波长信号的测量，而使得波长信号解调的成本较高。因此目前的长周期光纤光栅多参量系统，通常性价比低、难以实现远程监控并且重复性差，同时测量的信噪比也不高，从而影响到测量的精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够利用长周期光纤光栅实现多个参量实时测量的全光纤型传感系统，并提供利用光纤元件实时解调长周期光纤光栅多个谐振峰波长的技术方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种全光纤型长周期光纤光栅溶液多参量传感系统，包括宽带光源、待测溶液、复合长周期光纤光栅、第一2×2光纤耦合器、第一光纤布喇格光栅、折射率匹配液、光纤隔离器、第二2×2光纤耦合器、第二光纤布喇格光栅、光电转换模块、信号放大器、数据采集卡、计算机，所述的宽带光源输出光经过所述的复合长周期光纤光栅进入第一2×2光纤耦合器的输入端；所述的第一2×2光纤耦合器的第一路输出光进入第一光纤布喇格光栅；所述的第一2×2光纤耦合器的第二路输出光依次进入所述的光纤隔离器、第二2×2光纤耦合器、第二光纤布喇格光栅；所述的第一光纤布喇格光栅和第二光纤布喇格光栅的反射光经所述的光电转换模块后进入所述的信号放大器；所述的信号放大器将收到的信号放大后由所述的数据采集卡采集到所述的计算机中；所述的复合长周期光纤光栅其传感头由两个长周期光纤光栅串联熔接而成，其中一个为裸长周期光纤光栅，另一个为经过二次涂敷封装的长周期光纤光栅。

所述的复合长周期光纤光栅作为溶液多参量传感的传感头，用于溶液浓度和温度的同时测量，或用于负载量和温度参量的同时测量。

所述的复合长周期光纤光栅由两个长周期光纤光栅串联而成，测量时其被浸入所述的待测溶液中；其中一个长周期光纤光栅为裸光纤光栅，另一个长周期光纤光栅为经过二次涂敷封装的长周期光纤光栅。

所述的第一光纤布喇格光栅和第二光纤布喇格光栅为系统的信号解调元件；且均经过温度补偿封装，其反射谱峰值波长不随环境温度的改变而漂移，且其反射谱峰值波长与所述的复合长周期光纤光栅的谐振峰值波长匹配。

还包括光谱仪，所述的光谱仪连接第二2×2光纤耦合器的输出端，所述的光谱仪用于同步监测复合长周期光纤光栅的谐振峰的峰值波长随被测参量的漂移。

所述的第一光纤布喇格光栅和第二光纤布喇格光栅的透射端安装有折射率匹配液。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

（1）本发明只需一个光纤光栅就能实现溶液浓度和溶液温度的同时测量，且不需光谱仪等昂贵的波长解调设备，根据光电转换模块的输出值就可以精确的计算出光栅波长，再与初始波长相比较，就可以得出波长漂移量，从而得知被测量的大小。

（2）本发明利用波长匹配的光纤布喇格光栅作信号解调元件，可通过增大光纤布喇格光栅的半高带宽的方法来有效提高系统的测量分辨率。

（3）本发明利用复合长周期光纤光栅透射谱谐振峰的两侧的线性滤波效应和其与光纤布喇格光栅的波长匹配效应实现了信号的实时解调，可通过提高长周期光纤光栅的谐振损耗峰的损耗比来有效提高测量分辨率。

（4）本发明中的第二个光纤耦合器的一个输出端可备选加入光谱仪，以实现光纤光栅解调和光谱仪监测的同步进行，通过光谱仪验证全光纤型信号传感和解调系统的有效性。

（5）本发明当复合长周期光纤光栅受被测参量调制其特征峰值波长漂移时，由于匹配光纤布喇格光栅的峰值特征波长不变，使得长周期光纤光栅谐振峰值波长与布喇格光纤光栅反射峰值波长的相对位置变化，以及入射到匹配光纤布喇格光栅上的光信号的光谱功率密度线性变化。因此布喇格光纤光栅反射光随被测参量的变化而线性变化，光电转换和模数转换后的信号与被测参量成一一对应关系，即实现解调，具有解调速度快、无双值问题等优点。

（6）本发明中所用的光纤和元器件的工艺水平都已非常成熟，制作方便可行，可广泛用于各种领域，对推动光纤光栅多参量传感技术的实用化尤其是在水体环境监测、某些工业工程的质量监测中的实用化具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明复合长周期光纤光栅的透射谱示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种全光纤型长周期光纤光栅多参量传感系统，如图1所示，包括宽带光源1、一个复合长周期光纤光栅3、第一2×2光纤耦合器4、第一布喇格光纤光栅5、折射率匹配液6、光纤隔离器7、第二2×2光纤耦合器8、第二布喇格光纤光栅9、光电转换模块10、信号放大器11、数据采集卡12和计算机13。所述的宽带光源1输出光经过所述的复合长周期光纤光栅3进入所述的第一2×2光纤耦合器4的输入端；所述的第一2×2光纤耦合器4的输出光一部分经其一个输出端臂进入所述的第一光纤布喇格光栅5；另一部分输出光经所述的第一2×2光纤耦合器4的另一个输出端臂依次进入所述的光纤隔离器7和所述的第二2×2光纤耦合器8；所述的第二2×2光纤耦合器8的输出光进入所述的第二光纤布喇格光栅9；所述的两个光纤布喇格光栅的透射光均进入所述的折射率匹配液6，所述的两个光纤布喇格光栅的反射光依次经过所述的光电转换模块10后进入所述的信号放大器11；所述的信号放大器11将收到的信号放大后由所述的数据采集卡12采集到所述的计算机13中，由计算机13进行数据处理和显示。所述的第二2×2光纤耦合器8的输出端还可以连接一光谱仪14，用于同步监测复合长周期光纤光栅的谐振峰的峰值波长随被测参量的漂移。

本发明中复合长周期光纤光栅传感头3由两个长周期光纤光栅串联熔接而成，其透射谱如图2所示。其中LPG₁为裸长周期光纤光栅，而LPG₂为经过二次涂敷封装的长周期光纤光栅。当复合长周期光纤光栅（CLPG）被浸入溶液中时，其透射谱中的谐振峰λ_L1既随溶液温度变化而漂移，也随溶液浓度变化而漂移；而其透射谱中的谐振峰λ_L2仅随溶液温度变化而漂移，不随溶液浓度变化而漂移。因此，Δλ_L1由溶液浓度变化和溶液温度变化共同引起，Δλ_L2仅由溶液温度变化引起。

利用上述复合长周期光纤光栅作溶液浓度和温度的传感元件时，λ_L1和λ_L2的漂移量与溶液浓度和温度的变化量均成良好线性关系，已知峰值波长的初始值，测量实时的峰值波长λ_L1和λ_L2（或两者的漂移量Δλ_L1和Δλ_L2），即可计算出溶液浓度和温度。

Δλ_L1＝K_1C·ΔC+K_1T·ΔT    (6)

Δλ_L2＝K_2C·ΔC+K_2T·ΔT    (7)

其中，

而K_1C和K_2C为两个谐振峰波长随浓度的漂移系数，K_1T和K_2T为两个谐振峰波长随温度的漂移系数。因LPG₂经过二次涂敷封装，所以K_2C≈0。

本发明中光纤隔离器7用于防止第二个匹配光纤布喇格光栅9的反射光进入第一个2×2光纤耦合器4，这样就有效防止了信号的干扰，以及参量间的交叉敏感。

所述的第一个光纤布喇格光栅的反射谱峰值波长与所述的复合长周期光纤光栅的第一个谐振峰值波长（图2中为1508nm）相匹配；所述的第二个光纤布喇格光栅的反射谱峰值波长与所述的复合长周期光纤光栅的第二个谐振峰值波长（图2中为1600nm）相匹配；即两个光纤布喇格光栅的反射谱峰值波长分别处于复合光纤长周期光栅两个谐振峰右侧的线性上升区的中间位置。由于两个匹配光纤布喇格光栅的反射峰值波长和其反射谱均不变，当复合光纤长周期光纤光栅受被测参量调制其谐振峰值特征波长漂移时，匹配光纤布喇格光栅反射的光功率将线性变化，并与被测参量成一一对应关系，由光功率值的变化量和变化规律可反推计算出被测参量的值，即实现解调，从而使本发明具有解调速度快、无双值问题等优点。

本发明具体实施方式如下：（1）在选择并确定宽带光源时，应选择功率谱密度较大的光源，一般应大于-20dB/nm，以保证入射到传感光栅上的光功率较大，使得解调光纤布喇格光栅反射的信号光功率较大，以提高测量的精度；（2）光纤布喇格光栅的波长选择非常重要，应处于长周期光纤光栅谐振峰两侧线性上升区或线性下降区的中间位置；（3）应选择3dB带宽较大的光纤布喇格光栅作为信号解调元件，使得在被测参量有小量变化时，匹配光纤布喇格光栅的反射光有较大变化，以提高信噪比和测量的分辨率；（4）确定光纤长周期光栅时，应尽可能选择谐振峰损耗比较大的长周期光纤光栅，以提高测量系统的灵敏度；（5）可加入备选的光谱仪实时监测长周期光纤光栅的谐振峰值波长随被测参量的漂移情况，以作为利用匹配布喇格光纤光栅解调信号的参考和验证。

不难发现，本发明利用单个复合长周期光纤光栅实现溶液浓度和温度两个参量的同时测量，并利用匹配布喇格光纤光栅实现长周期光纤光栅谐振峰的波长解调，是一种性价比高的全光纤型多参量传感测量系统。本发明还具有抗电磁干扰、可测参量灵活、可远程监控及可实现无损测量等优点。

需要说明的是，本发明实现的一种全光纤型光纤长周期光栅溶液多参量传感系统也可用于负载量和环境温度等其他参量的测量。

Claims (6)

1.一种全光纤型长周期光纤光栅溶液多参量传感系统，包括宽带光源（1）、待测溶液（2）、复合长周期光纤光栅（3）、第一2×2光纤耦合器（4）、第一光纤布喇格光栅（5）、折射率匹配液（6）、光纤隔离器（7）、第二2×2光纤耦合器（8）、第二光纤布喇格光栅（9）、光电转换模块（10）、信号放大器（11）、数据采集卡（12）、计算机（13），其特征在于，所述的宽带光源（1）输出光经过所述的复合长周期光纤光栅（3）进入第一2×2光纤耦合器（4）的输入端；所述的第一2×2光纤耦合器（4）的第一路输出光进入第一光纤布喇格光栅（5）；所述的第一2×2光纤耦合器（4）的第二路输出光依次进入所述的光纤隔离器（7）、第二2×2光纤耦合器（8）、第二光纤布喇格光栅（9）；所述的第一光纤布喇格光栅（5）和第二光纤布喇格光栅（9）的反射光经所述的光电转换模块（10）后进入所述的信号放大器（11）；所述的信号放大器（11）将收到的信号放大后由所述的数据采集卡（12）采集到所述的计算机（13）中；所述的复合长周期光纤光栅（3）其传感头由两个长周期光纤光栅串联熔接而成，其中一个为裸长周期光纤光栅，另一个为经过二次涂敷封装的长周期光纤光栅。

2.根据权利要求1所述的全光纤型长周期光纤光栅溶液多参量传感系统，其特征在于，所述的复合长周期光纤光栅（3）作为溶液多参量传感的传感头，用于溶液浓度和温度的同时测量，或用于负载量和温度参量的同时测量。

3.根据权利要求1所述的全光纤型长周期光纤光栅溶液多参量传感系统，其特征在于，所述的复合长周期光纤光栅（3）由两个长周期光纤光栅串联而成，测量时其被浸入所述的待测溶液（2）中；其中一个长周期光纤光栅为裸光纤光栅，另一个长周期光纤光栅为经过二次涂敷封装的长周期光纤光栅。

4.根据权利要求1所述的全光纤型长周期光纤光栅溶液多参量传感系统，其特征在于，所述的第一光纤布喇格光栅（5）和第二光纤布喇格光栅（9）为系统的信号解调元件；且均经过温度补偿封装，其反射谱峰值波长不随环境温度的改变而漂移，且其反射谱峰值波长与所述的复合长周期光纤光栅的谐振峰值波长匹配。

5.根据权利要求1所述的全光纤型长周期光纤光栅溶液多参量传感系统，其特征在于，还包括光谱仪（14），所述的光谱仪（14）连接第二2×2光纤耦合器（8）的输出端，所述的光谱仪（14）用于同步监测复合长周期光纤光栅的谐振峰的峰值波长随被测参量的漂移。

6.根据权利要求1所述的全光纤型长周期光纤光栅溶液多参量传感系统，其特征在于，所述的第一光纤布喇格光栅（5）和第二光纤布喇格光栅（9）的透射端安装有折射率匹配液（6）。

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