CN106525278A - 基于无芯光纤布拉格光栅高温传感方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无芯光纤布拉格光栅高温传感方法。本发明利用高稳定宽带光源发出波长为1500nm至1600nm的宽谱光，进入环形器，沿着环形器连接头处进入无芯光纤布拉格光栅里面又被反射回光谱仪，通过光谱仪进行观察反射光的波峰；外界温度的改变会引起光纤布拉格光栅折射率改变，进而体现在光谱仪上光谱的漂移，通过计算光谱中波长随温度漂移量进而感知外界高温，高温传感器灵敏度为0.0082‑0.012nm/℃。本发明具有简单、方便、稳定、响应速度快、实时在线测量、准确率高的优点。

Description

基于无芯光纤布拉格光栅高温传感方法
技术领域
本发明涉及温度传感领域，具体涉及一种基于无芯光纤布拉格光栅高温传感方法。
背景技术
传统传感器一般分为电传感器、机械传感器，电传感器容易受热源、光源干扰，受电磁干扰明显；机械传感器由于放大和指示环节多为机械传动，不仅受间隙影响，而且惯性大，固有频率低只宜用于检测缓变或静态测量，缺点是弹性形变不易大。而新型的无芯光纤传感器具有抗腐蚀能力强，不受电磁干扰，信号传输距离长，具有多点复用和分布式传感的能力，十分适用于复杂恶劣的工业现场，因而倍受青睐。
目前已经有多种光纤温度传感器，其中发展较为成熟的是基于普通单模光纤的光纤布拉格光栅温度传感器，主要利用光纤布拉格光栅反射波长和温度成线性关系的特征。基于普通单模光纤的光纤布拉格光栅在高温情况下会出现“漂白效应”，维持光纤布拉格光栅特征的折射率调制将因为高温而消失，因此在基于普通单模光纤的光纤布拉格光栅仅能适用于温度小于400度的温度传感。普通I型光纤布拉格光栅在200～300℃时开始退化，布拉格光栅在高温下很容易擦除，在700℃左右被完全擦除，目前一般布拉格光栅的应用温度在600℃以下，对于800℃及其800℃以上的温度，一般布拉格光栅则不能进行传感。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种基于无芯光纤布拉格光栅的高温传感方法。
本发明的方法包括以下步骤：
步骤(1)选择一个无芯光纤布拉格光栅作为高温传感器；所述无芯光纤布拉格光栅由飞秒激光器在无芯光纤上刻写得到。
步骤(2)选择一个输出波长覆盖1500nm至1600nm高稳定宽带光源、一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱仪、一个环形器。
步骤(3)将高稳定宽带光源的输出端口和环形器的第一端口光纤连接；将光谱仪的输入端口和环形器的第二端口光纤连接；将环形器第三端口和一个带有布拉格光栅的无芯光纤连接。
步骤(4)将高温传感器置入需要测量温度的环境中，开启高稳定宽带光源，由无芯光纤布拉格光栅反射回的光，其反射峰峰值对应的波长为：
λ0＝2neffΛ
其中neff为无芯光纤布拉格光栅的有效折射率，Λ为布拉格光栅的周期；
当环境温度变化时，该反射峰峰值对应的波长也会变化，从而通过测量反射峰峰值对应的波长的漂移来确定施加在无芯光纤上的温度。
本发明提出了一种基于无芯光纤布拉格光栅的高温传感方法，无芯光纤布拉格光栅是在飞秒激光器刻写下完成的；飞秒激光器下刻写的无芯光纤布拉格光栅热稳定性好，具有更好的高温性能，可在800℃高温以上长时间使用。另外无芯光纤本身作为纤芯，空气作为包层，这样对外界感知更为灵敏，对高温传感也更为精确。基于无芯光纤布拉格光栅的高温传感方法具有简单、方便、稳定、响应速度快、实时在线测量、连续、准确率高的优点。
附图说明
图1a为本发明所使用的装置示意图；
图1b为本发明所使用的无芯光纤布拉格光栅装置示意图；
图2为本发明实施例中的温度传感测试结果图。
具体实施方式
如图1a所示本发明所使用的装置包括：高稳定宽带光源1、光谱仪2、环形器3、无芯光纤布拉格光栅4。设计一个光路图，由高稳定宽带光源1发出光，入射到环形器3输入端里面，环形器3另一端接无芯光纤布拉格光栅4，返回的光再入射到光谱仪2上。
具体实现高温传感方法包括以下步骤：
(1)选择一个无芯光纤布拉格光栅；无芯光纤布拉格光栅由飞秒激光器在无芯光纤上逐点刻写形成，长度为2-5mm，带有布拉格光栅高温传感器件。
(2)选择一个输出波长覆盖1500nm至1600nm高稳定宽带光源、一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱仪、一个环形器；
(3)将高稳定宽带光源1的输出端口和环形器3的第一端口光纤连接；将光谱仪2的输入端口和环形器3的第二端口光纤连接；将环形器3第三端口和一个无芯光纤布拉格光栅4连接；组成带有无芯光纤布拉格光栅高温测量的部件包括一段单模光纤和一段无芯光纤，其制作步骤如下：将单模光纤的输出端口和无芯光纤的输入端口以光纤熔接方式连接；利用飞秒激光器在无芯光纤上逐点刻写布拉格光栅，形成一个长度为2-5mm、带有无芯光纤布拉格光栅4的高温传感器件；其中无芯光纤布拉格光栅由电脑编制程序控制飞秒激光进行刻写。图1b所示布拉格光栅，长度L为5-50微米，宽度d为1-5微米，刻写深度h为1-10微米。
(4)将光纤高温传感头置入需要测量温度的环境中。开启高稳定宽带光源1，发出波长为1500nm至1600nm的宽谱光，当宽带光经过环形器3进入无芯光纤布拉格光栅，其中部分光被无芯光纤布拉格光栅反射回的，再经过环形器返回光谱仪；由无芯光纤布拉格光栅反射回的光，其反射峰峰值对应的波长为
λ0＝2neffΛ (1)
其中neff为无芯光纤布拉格光栅的有效折射率，Λ为布拉格光栅的周期。由于Λ，neff均为温度的函数，因此温度变化的时候就会引起反射峰峰值对应的波长λp变化，从光谱分析仪测量获得波长λp有变化量△λp的时候，就可以得到温度的变化为：
△T＝k·△λp (2)
其中k为常数，可以根据无芯光纤参数计算出来。因此，可以通过测量反射峰峰值对应的波长的漂移来确定施加在无芯光纤上的温度，具体测量结果如图2所示，其高温传感器灵敏度能达到0.0082-0.012nm/℃。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (2)

1.基于无芯光纤布拉格光栅高温传感方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤(1)选择一个无芯光纤布拉格光栅作为高温传感器；所述无芯光纤布拉格光栅由飞秒激光器在无芯光纤上刻写得到；
步骤(2)选择一个输出波长覆盖1500nm至1600nm高稳定宽带光源、一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱仪、一个环形器；
步骤(3)将高稳定宽带光源的输出端口和环形器的第一端口光纤连接；将光谱仪的输入端口和环形器的第二端口光纤连接；将环形器第三端口和一个带有布拉格光栅的无芯光纤连接；
步骤(4)将高温传感器置入需要测量温度的环境中，开启高稳定宽带光源，由无芯光纤布拉格光栅反射回的光，其反射峰峰值对应的波长为
λ0＝2neffΛ
其中neff为无芯光纤布拉格光栅的有效折射率，Λ为布拉格光栅的周期；
当环境温度变化时，该反射峰峰值对应的波长也会变化，从而通过测量反射峰峰值对应的波长的漂移来确定施加在无芯光纤上的温度。
2.根据权利要求1所述的基于无芯光纤布拉格光栅高温传感方法，其特征在于：所述的无芯光纤布拉格光栅以无芯光纤本体作为纤芯，周边空气充当包层构成波导，在每个光栅周期中，刻写的长度为5微米至50微米，宽度为1微米至5微米，刻写的深度为1微米至10微米。
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