CN102829893A - 一种通过腐蚀得到不同直径光纤光栅来同时测量温度和应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过腐蚀得到不同直径光纤光栅来同时测量温度和应力的方法，包括光纤光栅解调仪或者实现类似功能的装置和通过腐蚀方法得到的不同直径光纤光栅。光纤光栅解调仪快速扫描不同波长激光，当波长激光满足光纤光栅的中心波长反射条件时，该波长光会回射到光纤光栅解调仪并记录。由于不同直径的光纤光栅有不同的应力灵敏度，相同的温度灵敏度，两个光纤光栅在相同的环境影响下会产生不同的中心波长漂移，利用两个光栅得到的波长漂移方程联立，即可解方程分别得到环境温度和应力的变化情况。本方案充分利用了不同直径光纤光栅应力灵敏度不同的特点，简单易行，成本低廉，能够有效的克服光纤光栅交叉敏感问题。

Description

一种通过腐蚀得到不同直径光纤光栅来同时测量温度和应力的方法

技术领域

本发明涉及一种通过腐蚀得到不同直径光纤光栅来同时测量温度和应力的方法。

背景技术

光纤技术的飞速发展促使以光纤光栅为基础的光纤光栅传感器正成为传感器研究领域中的一大热点。目前国内外研究较多的是在普通光敏单模光纤中写入的光纤光栅，这种光纤光栅在实际应用中存在着难以消除的温度、应力交叉敏感问题，该问题严重影响着光纤光栅在传感领域的应用。

根据光耦合模理论，光纤光栅的中心反射波长为：

λ_B=2n_effΛ            （1）

其中，n_eff代表光纤中光场传输模式的有效折射率，Λ代表光纤光栅的空间周期。由公式（1）我们可以知道，中心反射波长是随n_eff和Λ两个参量变化的。应变会引起光纤中的弹光效应和光纤光栅周期的变化，温度会引起光纤中的热光效应以及热膨胀效应等，而这些效应都会共同的影响到光纤的n_eff和Λ两个参量。如果我们将应变Δε和温度变化ΔT同时作用时光纤光栅的中心波长偏移量写为：

Δλ_B=K_εΔε+K_TΔT    （2）

其中K_ε为光纤光栅的应变灵敏度，K_T为光纤光栅的温度灵敏度。根据公式（2）我们可以看出，当应变和温度同时发生变化时，光纤光栅无法区分到底是因为哪个因素造成的波长漂移。该问题即为光纤光栅的交叉敏感问题。为了克服交叉敏感效应，实现温度和应力的同时准确测量，人们提出了许多种技术方案。其方案的本质都在于，引入两个或者多个光栅，采用不同的方法使得K_ε（应力灵敏度）和K_T（温度灵敏度）不同，这样当温度和应力同时变化时，可以写出两个如公式（2）的方程，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}=K_{\mathrm{\ϵ}1}\mathrm{\Δ\ϵ}+K_{T2}\mathrm{\ΔT}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}=K_{\mathrm{\ϵ}2}\mathrm{\Δ\ϵ}+K_{T1}\mathrm{\ΔT}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中Δε（应力变化量）和ΔT（温度变化量）为未知量，其余量均可测量得到。这样，系数不同的一个二元一次方程组，通过求解即可分别得出应力和温度变化量。下面简要的介绍三种方案。

两个或者两个以上光纤光栅组合。通过在光纤的同一点上写入不同中心波长的光纤光栅，同种纤芯材料、不同光栅常数的光纤光栅，相当于两个光纤光栅的温度灵敏度系数和应力灵敏度系数不同。当外部环境的温度和应变同时发生变化时，两个光纤光栅分别存在一定量的中心波长漂移。

用2个直径不同的FBG。在两个不同直径而材料相同的光纤中分别写入光栅，这两个光栅将具有不同的应力响应和相同的温度相应特性。利用这一点，我们将光纤光栅写入不同直径的光纤，一般取为125μm和80μm（光纤的直径型号），然后将两根光纤熔接，当光纤光栅所受温度和应力同时改变时,由于这2个光栅是由相同材料构成,所以它们具有相同的温度响应特性;但又因为2段光纤的直径不同,所以光纤的弹性系数不同，相同的应力会使较细光纤光栅产生更大的形变，从而导致更大的中心波长漂移，从而导致其应力响应特性不同。该方案与本文提出的方案相似，但是却有重要不同，下文中将进行分析说明。

对2个光纤光栅采用不同封装。利用某些有机物对温度和应力的响应不同,从封装增加光纤光栅对温度(或应力)灵敏度,克服交叉敏感效应。

目前,利用光纤光栅对温度、应力进行同时区分测量技术仍面临一系列难题:（1)光纤纤芯掺杂浓度分布不易控制;（2)解调方案结构复杂、精度低而且成本高;（3)大部分有机物封装材料不能用于恶劣环境下(即不耐高温、高压);（4)不同直径光纤熔接中高损耗的问题。

发明内容

为了解决上文中提到的光纤光栅交叉敏感的问题，并克服以往方案中的不足和缺陷，本发明提供了一种通过腐蚀方法得到不同直径光纤光栅，可以同时分别温度和应力变化的光纤光栅传感方案。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种通过腐蚀得到不同直径光纤光栅来同时测量温度和应力的方法，包括以下步骤：

步骤一：使用氢氟酸将普通光敏单模光纤腐蚀10-20毫米，使腐蚀部分的直径比普通光敏单模光纤的未腐蚀部分小25-85微米，腐蚀部分与未腐蚀部分之间直径减小的过渡区域为0.01-0.3毫米；

步骤二：在步骤一中所得到光纤的腐蚀部分与未腐蚀部分结合部位的两侧分别写入光纤光栅；

步骤三：将普通光敏单模光纤的一端连接光纤光栅解调仪装置，然后由光纤光栅解调仪装置产生激光并扫描一定的波长范围，当扫描波长满足光纤光栅的中心波长反射条件时，光能量反射回光纤光栅解调仪，不满足时，则光能量通过光纤光栅发射出去；

步骤四：通过分别记录两个光栅反射回光纤光栅解调仪对应的波长随时间的变化，即可分别得到两个不同直径光纤光栅的中心波长随时间的受外界环境变化引起的漂移；

步骤五：由公式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}=K_{\mathrm{\ϵ}1}\mathrm{\Δ\ϵ}+K_{T1}\mathrm{\ΔT}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}=K_{\mathrm{\ϵ}2}\mathrm{\Δ\ϵ}+K_{T2}\mathrm{\ΔT}\end{array}\right.$

代入已知的两个光栅的温度和应变灵敏度，及用光纤光栅解调仪测量得到的中心波长偏移，即可通过解方程组得到需要的温度和应力变化量，其中Δλ_B1为第一光栅的中心波长的漂移，Δλ_B2为第二光栅的中心波长的漂移，K_ε1为第一光栅的应力灵敏度，K_ε2为第二光栅的应力灵敏度，K_T1为第一光栅的温度灵敏度，K_T2为第二光栅的温度灵敏度，Δε为应力变化量，ΔT为温度变化量，第一光栅为写入光纤腐蚀部分的光栅，第二光栅为写入光纤未腐蚀部分的光栅。

所述的方法，所述步骤一中，普通光敏单模光纤腐蚀的长度为10-20毫米。

所述的方法，所述步骤一中，普通光敏单模光纤腐蚀部分的直径比普通光敏单模光纤的未腐蚀部分小25-85微米。

所述的方法，所述步骤三中光纤光栅解调仪装置所扫描的波长范围应涵盖写入的光纤光栅的反射波长。

另外，光纤腐蚀部分与未腐蚀部分之间直径减小的过渡区域应尽可能小，一般应不大于0.3毫米，而且两个光纤光栅在写入光纤时，应尽可能的紧挨在一起，其间的距离为0最好。

本发明的技术效果在于，利用不同直径光纤光栅的应力灵敏度不同，通过腐蚀的方法得到不同直径光纤光栅，最终将两个光纤光栅的应力灵敏度、温度灵敏度及中心波长漂移分别代入中心波长漂移公式，通过解二元一次方程组可以同时分别得到环境的温度和应力变化量。本方案充分利用了不同直径光纤光栅应力灵敏度不同的特点，简单易行，成本低廉，能够有效的克服光纤光栅交叉敏感问题。该方法与原有的不同直径光纤光栅消除交叉敏感的方案不同，不存在相互熔接的环节，不会造成大熔接损耗。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为腐蚀后的普通光敏单模光纤；

图2为写入光纤光栅后的光纤示意图；

图3为本发明进行温度和应力同时传感的结构示意图；

图4为本发明实施例的温度试验结果图；

图5为本发明实施例的应力试验结果图；

其中1为未进行腐蚀的普通的光敏单模光纤，2为腐蚀后的光敏单模光纤，直径根据具体应用进行调整，该段光纤的直径越小，则该段光纤光栅的应力灵敏度越高，3为未进行腐蚀的普通的光敏单模光纤，4为在普通光敏单模光纤上写入的第二光纤光栅，5为在腐蚀后直径较小的光纤上写入的第一光纤光栅，6为光纤光栅解调仪或者其他能够扫描不同的波长并检测记录回射光波长的具有与光纤光栅解调仪类似性能的装置。

具体实施方式

参见图3，本实施例装置包括通过腐蚀方法得到的不同直径光纤光栅，其中1和3为普通的未经腐蚀的光敏单模光纤，2为经过腐蚀的直径较小的光敏的单模光纤，4为在普通光纤上写入的光栅，5为在腐蚀后的光纤上写入的光栅，6为光纤光栅解调仪。分别采用两个不同直径的光纤光栅是为了产生不同应力灵敏度的光纤光栅。光纤光栅解调仪6不断扫描不同波长的激光入射到后面制作的光栅上，当扫描的波长满足光栅的中心波长时，该波长光能量会反射到光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪会实时记录回射的激光波长。这样可以分别得到两个光纤光栅不同时刻对应的中心波长。

光纤光栅解调仪集成了扫描不同光波长的光源和回射光探测器，解调仪快速扫描不同的光波长并实时记录不同时刻两个光纤光栅对应的中心波长。光纤光栅解调仪的功能就是产生扫描不同光波长的激光，并将回射回来的光信号转变为电信号并记录，实施例中采用的是美国MOI公司生产的sm125型号光纤光栅解调仪。用于连接各部件所采用的是普通光敏单模光纤，包括纤芯（不同种类单模光纤略有不同，约为8微米），包层（125微米），涂覆层（250微米），纤芯中掺入Ge元素提高光纤的光敏性，所以光纤光栅主要在纤芯中产生。纤芯和包层组成圆柱形光波导，是约束光能量的主要传输介质，涂覆层是为了增加光纤的力学特性，这样不容易折断。

以下实施例中，首先使用氢氟酸将直径为125微米的普通光敏光纤腐蚀到直径为57微米，腐蚀长度为20毫米，过渡区域的长度小于0.2毫米。使用紫外光曝光的刻栅方法在光纤的腐蚀部分与未腐蚀部分结合部位的两侧分别写入光纤光栅，由于腐蚀部分和未腐蚀部分光纤的直径分别为57微米和125微米，两个光纤光栅在室温（25℃）、不受应力影响的条件下，中心波长分别为1539.380nm和1539.536nm，分别记为第一光栅和第二光栅，第一光栅为写入光纤腐蚀部分的光栅，第二光栅为写入光纤未腐蚀部分的光栅。由于两个不同直径的光纤光栅在一根光纤上，可以通过不断改变该光纤所受应力和温度得到测量结果，实验结果如下表所示：

温度实验结果

可以得到两个光栅中心波长随温度变化的公式

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{B1}=1539.1+0.0085T_1\\ {\mathrm{\λ}}_{B2}=1539.3+0.0084T_2\end{array}\right.$

参见图4，可以看到，两个光栅的温度灵敏度K_T几乎相同，均为0.0085nm/℃不同部分应为实验的误差引起。如果将上述表达式变化为微分表达，即为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}=0.0085\mathrm{\ΔT}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}=0.0084\mathrm{\ΔT}\end{array}\right.$

上式中出现的参量与上文中所述一致，相当于权利要求中的应力变化为0的情况。

应力实验结果

通过对整根光纤施加不同应力，可以分别得到两个光栅中心波长随整根光纤应力变化的公式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{B1}=1539.21+2.98{\mathrm{\ϵ}}_1\\ {\mathrm{\λ}}_{B2}=1539.51+0.67{\mathrm{\ϵ}}_2\end{array}\right.$

参见图5，两者的应力灵敏度不同，分别是2.98nm/N和0.67nm/N。如果将上述表达式变化为微分表达，即为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}=2.98\mathrm{\Δ\ϵ}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}=0.67\mathrm{\Δ\ϵ}\end{array}\right.$

上式中出现的参量与上文中所述一致，相当于权利要求中的温度变化为0的情况。

Claims (4)

1.一种通过腐蚀得到不同直径光纤光栅来同时测量温度和应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：使用氢氟酸将普通光敏单模光纤腐蚀10-20毫米，使腐蚀部分的直径比普通光敏单模光纤的未腐蚀部分小25-85微米，腐蚀部分与未腐蚀部分之间直径减小的过渡区域为0.01-0.3毫米；

步骤二：在步骤一中所得到光纤的腐蚀部分与未腐蚀部分结合部位的两侧分别写入两个光纤光栅；

步骤三：将普通光敏单模光纤的一端连接光纤光栅解调仪装置，然后由光纤光栅解调仪装置产生激光并扫描一定的波长范围，当扫描波长满足光纤光栅的中心波长反射条件时，光能量反射回光纤光栅解调仪，不满足时，则光能量通过光纤光栅发射出去；

步骤四：通过分别记录两个光栅反射回光纤光栅解调仪对应的波长随时间的变化，即可分别得到两个不同直径光纤光栅的中心波长随时间的受外界环境变化引起的漂移；

步骤五：由公式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}=K_{\mathrm{\ϵ}1}\mathrm{\Δ\ϵ}+K_{T1}\mathrm{\ΔT}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}=K_{\mathrm{\ϵ}2}\mathrm{\Δ\ϵ}+K_{T2}\mathrm{\ΔT}\end{array}\right.$

代入已知的两个光栅的温度和应变灵敏度，及用光纤光栅解调仪测量得到的中心波长偏移，即可通过解方程组得到需要的温度和应力变化量，其中Δλ_B1为第一光栅的中心波长的漂移，Δλ_B2为第二光栅的中心波长的漂移，K_ε1为第一光栅的应力灵敏度，K_ε2为第二光栅的应力灵敏度，K_T1为第一光栅的温度灵敏度，K_T2为第二光栅的温度灵敏度，Δε为应力变化量，ΔT为温度变化量，第一光栅为写入光纤腐蚀部分的光栅，第二光栅为写入光纤未腐蚀部分的光栅。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，普通光敏单模光纤腐蚀的长度为10-20毫米。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，普通光敏单模光纤腐蚀部分的直径比普通光敏单模光纤的未腐蚀部分小25-85微米。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中光纤光栅解调仪装置所扫描的波长范围应涵盖写入的光纤光栅的反射波长。

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