CN105387968A - 光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器，包括光纤纤芯和包裹光纤纤芯的光纤包层，其特征在于：所述光纤纤芯的前段设置长周期光纤光栅，该长周期光纤光栅作为光纤纤芯和包层的光共振耦合器；在光纤中段对应的光纤包层的外表面设置光纤包层表面Bragg光栅，该光纤包层表面Bragg光栅由若干条线状沟槽构成或者由若干个点状凹槽构成；所述线状沟槽或点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布；在所述光纤包层表面Bragg光栅的外表面设置弹性膜片，用于感应外部侧压力；本发明可以同时确定外部环境的压力和温度大小，能够实现自温度补偿的功能，可广泛应用于油井压力监测、燃气/油管压强监测、山体滑坡预警等领域。

Description

光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感器，具体涉及一种光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器。

背景技术

在许多的建筑结构工程、燃气/油管道和安防系统中，对各种压力的测量非常重要和有必要的。比如：建筑工程中的桥梁、大坝、高层建筑、交通隧道、燃气/油管道内气/液体压强的监测，海下石油勘探的深水压强的检测等。

目前，已有的压力传感器按各种参数的测量方法及测量过程的物理性质来分，可以分成三类：机械式、电测式、光学式。其中，机械式它能测量的频率较低，精度也较差，但在现场测试时较为简单方便；而电测式是将工程压力的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。电测法的要点在于先将压力量转换为电量，然后再对电量进行测量，从而得到所要测量的机械量，这是目前应用得最广泛的测量方法；光学式是将压力参量转换为光学信号参量，再经光电转换将光学参量(强度、频率、相位或偏振态)转换成电流/电压等电学参量再进行测量，如光纤微弯压力计、光纤光栅数值压力传感器等。采用光学方法测量压力具有高精度和动态范围大的优势，可应用于要求很高的场合，但是成本相对较高。

过去的二十多年中，由于光纤光栅以其微型尺寸、抗干扰能力强、高灵敏度、高精度、稳定性好、绝对测量、复用能力强等优点，为光学传感器家族在航空、航海和民用工程结构监测、海下油田以及许多其他领域的温度、应变、压力及振动等物理量的测量当中。光纤光栅按照周期大小可以分为短周期光纤光栅FBG和长周期光纤光栅LPFG两种最基本的类型。光纤光栅一般采用的是波长编码/解调的方式，因此所构成的传感系统不会受到光源功率波动的影响。由于FBG较LPFG具有对温度、压力、应变等参量传感更好的稳定性，即FBG的交叉敏感效应比LPFG的要小得多，因此在实际的工程应用中FBG应用更为广泛。但是，FBG压力传感器在应用中仍然会存在温度交叉效应的影响，因此也需要各种额外的温度补偿手段对压力的测量进行校正，一般采用的是一对谐振波长不相同的FBG组合进行温度补偿，这样会增加传感器的个数和尺寸；此外，裸FBG的压力灵敏度十分小，因此需要特殊的增敏装置来增加裸FBG的压力灵敏度。

发明内容

针对上述已有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器。

根据本发明的技术方案，光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器，包括光纤纤芯和包裹光纤纤芯的光纤包层，其特征在于：所述光纤纤芯的前段设置长周期光纤光栅，该长周期光纤光栅作为光纤纤芯和包层的光共振耦合器；在光纤中段对应的光纤包层的外表面设置光纤包层表面Bragg光栅，该光纤包层表面Bragg光栅由若干条线状沟槽构成或者由若干个点状凹槽构成；所述线状沟槽或点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布，并对光纤包层外表面进行结构性损坏；所述线状沟槽的槽道沿光纤圆周方向延伸，所有线状沟槽的轴对称线在一条直线上，且该直线与光纤中心轴平行；所有点状凹槽的中心点位于一条直线上，且该直线与光纤中心轴平行；该光纤包层表面Bragg光栅作为压力传感单元，并具有温度自补偿功能；在所述光纤包层表面Bragg光栅的外表面设置弹性膜片，用于感应外部侧压力。

根据本发明所述的光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器的优选方案，该传感器设置有金属盘，金属盘内的左、右两侧壁分别设置安装孔，光纤穿过安装孔，使光纤包层表面Bragg光栅位于金属盘内；在金属盘内壁位于安装孔的上方设置安装凹槽，弹性膜片放置在安装凹槽上，弹性膜片的底部与光纤包层表面Bragg光栅的外表面接触。

根据本发明所述的光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器的优选方案，长周期光纤光栅的外表面设置隔热材料层，用以阻止环境温度变化对长周期光纤光栅的谐振波长的影响，并在隔热材料层的外部设置保护套，用以阻止外部压力、应力对长周期光纤光栅的谐振波长的影响。

根据本发明所述的光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器的优选方案，长周期光纤光栅的长度为20mm～50mm，在1500nm～1600nm之间具有带宽为20nm～30nm的谐振损耗峰，损耗峰的耦合强度>10dB；光纤包层表面Bragg光栅的长度为10～20mm，且在无外部压力加载和常温的条件下，光纤包层表面Bragg光栅的双谐振波长处于长周期光纤光栅耦合谐振带宽的中心位置，长周期光纤光栅与光纤包层表面Bragg光栅之间的光纤长度为1m～1km；弹性膜片的长度略大于与光纤包层表面Bragg光栅的长度。

光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感的原理在于：长周期光纤光栅作为光纤纤芯和包层的光共振耦合器，可将带宽光源的光能量从纤芯耦合到包层，或将光纤包层表面Bragg光栅反射回来的光从包层耦合回到纤芯中；光纤包层表面Bragg光栅可对满足谐振条件的光反射，反射回来的光通过长周期光纤光栅再次耦合到纤芯包层，由于光纤包层表面Bragg光栅是采用飞秒激光器技术，逐点写入若干个点状凹槽或者逐线写入若干条线状沟槽；所述线状沟槽或点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布，并对光纤包层外表面进行结构性损坏，因此会在光纤包层处引起较大的双折射效应，一般为10^-4量级，则通过高分辨率的光纤光谱仪可以观测到光纤包层表面Bragg光栅的包层双折射效应所形成的双谐振峰30pm～100pm；该双谐振峰的两个谐振波长对温度和侧向压力均敏感，其中，两个谐振波长的相对间距与侧向压力成正比关系，即其中一个谐振波长具有正压力系数，而另一个谐振波长具有负压力系数，而谐振双峰的两个谐振波长都具有正的温度系数。综上所述，通过光纤光谱仪测量双谐振峰的两个谐振波长的相对漂移量，则可以同时确定外部环境的压力和温度大小。

本发明具有一般光纤传感器的优越性，不易受电磁干扰，传感器尺寸小、轻，无毒绝缘，无电流，适于强酸、强碱、高温高压、易燃易爆等恶劣环境。另外，与其他类型的传统光纤压力传感器比较而言，本发明还有很多独特的优点，包括：本传感器结构紧凑、独特巧妙，长周期光纤光栅作为一个全光纤的模式耦合器，由于传感区域的Bragg光栅结构是写在光纤包层的表面，因此能够极大的提高传感器对外部压力的灵敏度；利用光纤包层表面Bragg光栅的包层双折射效应可形成明显的双谐振峰，该双谐振峰对外部压力的反向漂移特性和对温度的同向漂移特性，能够实现自温度补偿的功能，从而提高了传感器对压力测量的准确度。

本发明所述的光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器的有益效果是，本发明利用光纤包层表面Bragg光栅的高双折射效应及波长解调的方式进行温度自补偿的压力传感，结构紧凑独特、制作方法简单、微型化、光纤化、解调简便，可以同时确定外部环境的压力和温度大小，能够实现自温度补偿的功能，具有较高的压力测量的准确度和灵敏度；能够测量的压力范围宽，可广泛应用于油井压力监测、燃气/油管压强监测、山体滑坡预警等领域。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器结构图；所述光纤包层表面Bragg光栅为点状凹槽结构。

图2光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器结构图；所述光纤包层表面Bragg光栅为线状沟槽结构。

图3金属盘的结构示意图。

图4光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器的包层双折射效应的变化示意图。

图5光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器的光路原理示意图。

图6光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器的信号光谱图。

图7光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感系统的结构示意图。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器，包括光纤纤芯3和包裹光纤纤芯3的光纤包层2以及金属圆盘7，所述光纤纤芯3的前段设置长周期光纤光栅4，该长周期光纤光栅4作为光纤纤芯和包层的光共振耦合器；在光纤中段对应的光纤包层2的外表面设置光纤包层表面Bragg光栅5，该光纤包层表面Bragg光栅5由若干条相互平行的具有周期性的线状沟槽构成或者该光纤包层表面Bragg光栅5由若干个点状凹槽构成或者由若干条相互平行的线状沟槽构成；所述线状沟槽或点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布，并对光纤包层外表面进行结构性损坏；所述线状沟槽的槽道沿光纤圆周方向分布，所有线状沟槽的轴对称线在一条直线上，且该直线与光纤中心轴平行；所有点状凹槽的中心点位于一条直线上，且该直线与光纤中心轴平行；该光纤包层表面Bragg光栅5作为压力传感单元，并具有温度自补偿功能；在所述光纤包层表面Bragg光栅5的外表面设置弹性膜片6，该弹性膜片6用于感应外部侧压力。

在具体实施例中，该传感器设置有金属盘7，金属盘7内的左、右两侧壁分别设置安装孔16，光纤穿过安装孔16，使光纤包层表面Bragg光栅5位于金属盘7内；在金属盘7内壁位于安装孔16的上方设置安装凹槽8，弹性膜片6放置在安装凹槽8上，弹性膜片6的底部与光纤包层表面Bragg光栅5的外表面接触。弹性膜片6则可将所感应的外部压力加载到光纤包层表面Bragg光栅5上。

在具体实施例中，所述长周期光纤光栅4的外表面设置隔热材料层9，用以阻止环境温度变化对长周期光纤光栅的谐振波长的影响，并在隔热材料层9的外部设置保护套10，用以阻止外部压力、应力对长周期光纤光栅的谐振波长的影响。

所述长周期光纤光栅的长度为20mm～50mm，在1500nm～1600nm之间具有带宽为20nm～30nm的谐振损耗峰，损耗峰的耦合强度>10dB；光纤包层表面Bragg光栅的长度为10～20mm，且在无外部压力加载和常温的条件下，光纤包层表面Bragg光栅的双谐振波长处于长周期光纤光栅耦合谐振带宽的中心位置，长周期光纤光栅与光纤包层表面Bragg光栅之间的光纤长度为1m～1km；弹性膜片的长度略大于与光纤包层表面Bragg光栅的长度。

光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器对压力十分灵敏的原理和光路原理分别参见图4和图5，由于光纤包层表面Bragg光栅是采用飞秒激光器技术写入的一组对光纤包层外表面进行结构性损坏的具有周期性的点状凹槽或线状沟槽，因此会在光纤包层引起双折射效应，即，在平行于光栅写入方向的折射率即Y轴的折射率会略大于垂直于光栅写入方向的折射率即X轴的折射率，当无外部压力和温度变化的时候，传感器的谐振方程可以表示为

${\mathrm{\λ}}_{cl}^x=2n_{cl}^x\·\mathrm{\Λ}---\left(1.1\right)$

${\mathrm{\λ}}_{cl}^y=2n_{cl}^y\·\mathrm{\Λ}---\left(1.2\right)$

式中，和分别为X轴和Y轴对应的谐振峰波长，Λ为光栅周期。光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器的双谐振峰效应的信号光谱参见图6。

当外部压力加载在光纤包层表面Bragg光栅的栅区时，将引起双折射效应的变化，即，则总的双折射变化为2Δn，而压力引起的弹性形变效应对两个折射率轴的影响基本相同，因此，外部压力所引起的双谐振峰的间距变化可以近似表示为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=|{\mathrm{\λ}}_{cl}^y-{\mathrm{\λ}}_{cl}^x|\≈2\mathrm{\Δ}n\·2\mathrm{\Λ}=4\mathrm{\Δ}n\mathrm{\Λ}---\left(2\right)$

式中，Λ为光栅周期，可见，外部压力引起的弹光效应将会引起双谐振峰间距的明显变化。若假设这两个正交的折射率轴X轴和Y轴对应的双谐振峰的温度灵敏度分别为对应的压力灵敏度分别为则有

${\mathrm{\Δ\λ}}_P^x=S_P^x\·P---\left(3.1\right)$

${\mathrm{\Δ\λ}}_P^x=S_P^y\·P---\left(3.2\right)$

${\mathrm{\Δ\λ}}_T^x=S_T^x\·T---\left(3.3\right)$

${\mathrm{\Δ\λ}}_T^y=S_T^y\·T---\left(3.4\right)$

式中，和分别为X轴对应的谐振峰在压力变化ΔP和温度变化ΔT作用下的变化大小，和分别为Y轴对应的谐振峰在压力变化ΔP和温度变化ΔT作用下的变化大小，于是X轴和Y轴对应的谐振峰的总的变化量Δλ_x和Δλ_y可表示为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_x={\mathrm{\Δ\λ}}_P^x+{\mathrm{\Δ\λ}}_T^x=S_P^x\·\mathrm{\Δ}P+S_T^x\·\mathrm{\Δ}T---\left(4.1\right)$

${\mathrm{\Δ\λ}}_y={\mathrm{\Δ\λ}}_P^y+{\mathrm{\Δ\λ}}_T^y=S_P^y\·\mathrm{\Δ}P+S_T^y\·\mathrm{\Δ}T---\left(4.2\right)$

式中，X轴和Y轴的谐振峰的温度和压力灵敏度灵敏度在使用之前需要进行标定，于是，当和由高分辨率光纤光谱仪测定之后，外部压力变化ΔP和温度变化ΔT可由下式确定：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}P\\ \mathrm{\Δ}T\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{S}_P^x& S_T^x\\ S_P^y& S_T^y\end{array}\right]}^{-1}\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_x\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_y\end{array}\right]---\left(4\right)$

在具体运用时，需要将上述光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器构成传感系统，参见图7，该系统包括：带宽光源11、3dB耦合器12、光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器13、光纤光谱仪14、计算机15。带宽光源11发出的宽带光通过光纤传输到3dB耦合器12，3dB耦合器12通过光纤连接到光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器13，经光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器13反射回来的双谐振峰通过3dB耦合器12的另外一个输出端的光纤传输到光纤光谱仪14，光纤光谱仪14实时记录光纤包层表面Bragg光栅的双谐振峰的相对漂移量，传输到计算机，根据已标定的双谐振峰的压力、温度传感系数，完成外部压力和环境温度变化大小的实时计算。

在具体实施过程中，弹性膜片需紧贴光纤包层表面Bragg光栅的光栅区域表面，以保证光纤包层表面Bragg光栅能够获得最大的侧压力响应灵敏度。

Claims (4)

1.光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器，包括光纤纤芯(3)和包裹光纤纤芯(3)的光纤包层(2)，其特征在于：所述光纤纤芯(3)的前段设置长周期光纤光栅(4)，该长周期光纤光栅(4)作为光纤纤芯和包层的光共振耦合器；在光纤中段对应的光纤包层(2)的外表面设置光纤包层表面Bragg光栅(5)，该光纤包层表面Bragg光栅(5)由若干条线状沟槽构成或者由若干个点状凹槽构成；所述线状沟槽或点状凹槽沿光纤的轴向呈现周期性的分布；所述线状沟槽的槽道沿光纤圆周方向延伸；在所述光纤包层表面Bragg光栅(5)的外表面设置弹性膜片(6)，该弹性膜片(6)用于感应外部侧压力。

2.根据权利要求1所述的光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器，其特征在于：该传感器设置有金属盘(7)，金属盘(7)内的左、右两侧壁分别设置安装孔(16)，金属盘(7)内位于安装孔的上方设置安装凹槽(8)，光纤穿过安装孔(16)，使光纤包层表面Bragg光栅(5)位于金属盘(7)内，弹性膜片(6)放置在安装凹槽(8)上，弹性膜片(6)的底部与光纤包层表面Bragg光栅(5)的外表面接触。

3.根据权利要求1所述的光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器，长周期光纤光栅(4)的外表面设置隔热材料层(9)，并在隔热材料层(9)的外部设置保护套(10)。

4.根据权利要求1或2所述的光纤包层表面Bragg光栅温度自补偿压力传感器，其特征在于：

长周期光纤光栅的长度为20mm～50mm，在1500nm～1600nm之间具有带宽为20nm～30nm的谐振损耗峰，损耗峰的耦合强度>10dB；光纤包层表面Bragg光栅的长度为10～20mm，且在无外部压力加载和常温的条件下，光纤包层表面Bragg光栅的双谐振波长处于长周期光纤光栅耦合谐振带宽的中心位置，长周期光纤光栅与光纤包层表面Bragg光栅之间的光纤长度为1m～1km。