CN106706030A - 利用单根光纤布拉格光栅实现温度、应变和折射率同时传感的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用单根光纤布拉格光栅(FBG)实现温度、应变和折射率同时传感的方法。利用飞秒激光在少模光纤中写入局域化的FBG，所述FBG透射光谱中具有多个布拉格共振峰和多个包层模共振峰，各个布拉格共振峰对温度和应变具有不同的响应，对外界的折射率不敏感，各个包层模共振峰对外界的折射率和应变具有不同的响应，对温度不敏感。通过测量所述FBG透射光谱中选定的两个布拉格共振峰的移动量和包层模共振峰的归一化面积(包层模共振峰上下包络所围面积与初始面积的比值)，即可利用单根FBG实现温度、应变和折射率的同时传感。有益效果是：该方法传感灵敏度高、信号易于解调，传感头易于制作、机械强度高和无需特殊封装。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的多参量同时传感方法，属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于单根FBG的温度、应变和折射率同时传感方法。
背景技术
对温度和应变或者温度和折射率同时传感在航空航天、建筑、石油化工、生物工程、环境监测和生命科学等领域具有广泛需求。FBG具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、质量轻、插入损耗低、易复用和可埋入智能材料等众多优点，已经在温度、压力、应变、折射率、弯曲、振动和磁场传感等方面得到广泛应用。
但是，同时对多个物理量敏感的特点也使FBG具有很强的交叉敏感性。对此，人们已经提出多种解决方案。针对温度和应变同时传感问题，通常采用两个感知量对温度和应变具有不同的响应特性来实现。例如：利用一对FBG；将FBG与长周期光纤光栅(LPFG)或光纤法布里-珀罗干涉仪级联；利用一根超结构FBG、采样FBG或倾斜FBG。针对温度和折射率同时传感问题，通常采用两个感知量对温度和折射率具有不同的响应特性来实现。例如：将FBG与LPFG或光纤干涉仪级联；利用一对采样FBG或倾斜FBG或LPFG；利用双模光纤或光子晶体光纤(PCF)中的多模干涉效应。然而，上述各种方案均无法实现对温度、应变和折射率三个参量同时传感。2008年，C.Chen等提出在PCF中写入FBG，利用其透射光谱中多个共振峰对温度、应变和折射率具有不同的响应特性来实现对三个参量同时传感(Opt.Express,16(13):9645-9653,2008)。由于各个共振峰对温度的响应特性较差，该方法在测量应变时会引入较大误差。同时，待测气体或液体很难自由进出PCF的空气孔，并且由于空气孔对光束的散射，在PCF中写入FBG的难度较大。2010年，S.Lee等提出利用非对称腐蚀的锥形FBG来激发三个不同阶的光纤模式，这三个光纤模式对温度、应变和折射率具有不同的响应特性来实现对三个参量同时传感(IEEE Photon.Technol.Lett.,22(19):1431-1433,2010)。但是，采用腐蚀方式制作的光纤锥一致性较差，并且其直径仅为7微米，在实际应用中很容易损坏，需做特殊保护处理。
发明内容
要解决的技术问题
为了解决当前单根光纤传感器难以对温度、应变和折射率三个参量同时传感的问题，本发明提出一种利用单根FBG实现对温度、应变和折射率同时传感的方法，该方法传感灵敏度高、信号易于解调，同时传感头易于制作、一致性好、效率高，并且具有结构简单、机械强度高和无需特殊封装等优点。
本发明的思想在于：少模光纤中可同时传输多个光纤模式。在少模光纤的纤芯中写入FBG后，它的透射光谱中会产生对应于不同光纤模式的多个布拉格共振峰，各个布拉格共振峰对应的布拉格共振波长分别对温度和应变具有不同的线性响应。同时所述光纤模式在纤芯内传输，对环境介质的折射率不敏感。用飞秒激光在少模光纤中写入FBG的机理是非线性效应，其折射率调制高度局域在少模光纤的纤芯中，在透射光谱的短波方向，产生多个包层模共振峰，主要是前向传输的纤芯模和后向传输的包层模相互耦合所致。所述包层模对环境介质的折射率和应变敏感，对温度不敏感。因此，利用飞秒激光在单根少模光纤中写入FBG，通过测量所述FBG透射光谱中选定的两个布拉格共振波长的移动量和包层模共振峰的归一化面积(包层模共振峰上下包络所围面积与初始面积的比值)，即可实现对温度、应变和折射率的同时传感。
技术方案
一种利用单根FBG实现对温度、应变和折射率同时传感的方法，其特征在于：利用飞秒激光少模光纤中写入FBG，所述FBG透射光谱中除了多个布拉格共振峰外，还具有多个包层模共振峰。各个布拉格共振峰对应的布拉格共振波长均随着温度和应变的变化而线性漂移。设应变和温度的变化量分别为Δε和ΔT，选定其中两个布拉格共振峰，其布拉格共振波长的变化量分别为ΔλB1和ΔλB2，温度灵敏度系数分别为KB1T和KB2T，应变灵敏度系数分别为KB1ε和KB2ε，则它们之间的关系可表示为
式中，M＝KB2TKB1ε-KB2εKB1T为矩阵行列式，灵敏度系数KB1T、KB2T、KB1ε和KB2ε事先标定给出。因此，通过测量选定的两个布拉格共振波长的变化量ΔλB1和ΔλB2，代入式(1)即可解算出应变和温度的变化量Δε和ΔT。
所述FBG透射光谱中，包层模共振峰的归一化面积A是环境介质的折射率(SRI) 和光纤应变的函数，并且A随光纤应变呈线性变化。设在一定的传感范围内，A随SRI的变化用单调函数表示为K(SRI)，A随应变变化的灵敏度系数为KNAε，则A可表示为
A＝K(SRI)+KNAεΔε (2)
式中，K(SRI)和KNAε事先标定给出。将由式(1)解算出的Δε代入式(2)，通过测量包层模共振峰的归一化面积A，即可由单调函数K(SRI)解算出折射率SRI。由此，利用单根FBG实现了对温度、应变和折射率的同时传感。
有益效果
本发明提出一种利用单根FBG实现对温度、应变和折射率同时传感的方法。所述方法传感灵敏度高、信号易于解调，因此可广泛应用于多参量光纤传感系统中。所述FBG可由飞秒激光和相位掩模板法或点对点法在少模光纤中写入，其结构简单、易于制作、一致性好、效率高、适合批量生产。制作过程中，无需对光纤进行腐蚀或拉锥，FBG的写入对少模光纤的机械强度影响很小，因而在实际应用中无需作特殊保护。由于利用飞秒激光制作，无需对少模光纤进行增敏或载氢处理。
附图说明
图1为利用单根FBG实现对温度、应变和折射率同时传感的实施步骤。
图2为用飞秒激光和相位掩模板法在少模光纤中写入FBG的光路示意图。
图3为在少模光纤中写入的一个FBG的典型透射光谱。
图4为两个布拉格共振波长的漂移量ΔλB1和ΔλB2及归一化面积A随温度的变化关系。
图5为两个布拉格共振波长的漂移量ΔλB1和ΔλB2及归一化面积A随应变的变化关系。
图6为两个布拉格共振波长的漂移量ΔλB1和ΔλB2及归一化面积A随折射率的变化关系。
其中：1.飞秒激光器；2.二分之一波片；3.偏振片；4.平凸柱面透镜；5.零级抑制的相位掩模板；6.少模光纤；7.宽带光源；8.光谱分析仪；9.光纤夹具；10.三维高精度电控微位移平台及控制器。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
利用单根FBG实现对温度、应变和折射率同时传感的实施步骤如图1所示：
步骤1：用飞秒激光和相位掩模板法在少模光纤中写入FBG
用飞秒激光和相位掩模板法在少模光纤中写入FBG的光路示意图如图2所示。由飞秒激光器1产生中心波长为800nm、脉冲宽度为35fs、重复频率为1KHz、光束直径为8mm的飞秒激光。将二分之一波片2和偏振片3依次置于光路中，用以调节飞秒激光的强度，使所述飞秒激光的强度为700μJ。由焦距为40mm的平凸柱面透镜4对飞秒激光进行聚焦，聚焦后的飞秒激光垂直入射在零级抑制的相位掩模板5上，透过零级抑制的相位掩模板5的±1级衍射光产生近场干涉场。少模光纤6由两个光纤夹具9固定在三维高精度电控微位移平台及控制器10上，用于精确控制少模光纤6的位置。将剥除涂敷层的少模光纤6置于近场干涉场中，且使聚焦后飞秒激光的焦线位于少模光纤6的纤芯，曝光10秒后即可在少模光纤6中写入FBG。图3所示为在少模光纤中写入的一个FBG的典型透射光谱，透射光谱中除了两个布拉格共振峰1和2外，还具有多个很强的包层模共振峰。
步骤2：标定出两个布拉格共振波长及归一化面积A的温度灵敏度系数
对FBG施加10℃～100℃的温度变化，利用宽带光源7和光谱分析仪8对所述FBG的透射光谱进行监测，得到两个布拉格共振峰1和2分别对应的布拉格共振波长的漂移量ΔλB1和ΔλB2及归一化面积A(图2中曲线ξ上和ξ下所围面积与初始面积的比值)随温度的变化关系，如图4所示。通过线性拟合得到两个布拉格共振波长的温度灵敏度系数分别为KB1T＝7.9pm/℃和KB2T＝9.3pm/℃。而归一化面积A对温度不敏感。
步骤3：标定出两个布拉格共振波长及归一化面积A的应变灵敏度系数
对FBG施加0με～2161με的应变变化，利用宽带光源7和光谱分析仪8对所述FBG的透射光谱进行监测，得到两个布拉格共振峰1和2分别对应的布拉格共振波长的漂移量ΔλB1和ΔλB2及归一化面积A随应变的变化关系，如图5所示。通过线性拟合得到布拉格共振波长及归一化面积A的应变灵敏度系数分别为KB1ε＝1.2pm/με、KB2ε＝1.2pm/με和KNAε＝5.8×10-5/με。
步骤4：标定出两个布拉格共振波长及归一化面积A的折射率灵敏度系数
将FBG分别置于折射率从1～1.474变化的一系列标准溶液中，利用宽带光源7和光谱分析仪8对所述FBG的透射光谱进行监测，得到两个布拉格共振峰1和2分别对应的布拉格共振波长的漂移量ΔλB1和ΔλB2及归一化面积A随折射率的变化关系，如图6所示。两个布拉格共振波长折射率不敏感，归一化面积A随折射率在1.333～1.466范围内的单调函数拟合为K(SRI)＝-69.6×(SRI)2+186.9×(SRI)-124.6。
步骤5：应变和温度的解调
在传感过程中，将标定出的灵敏度系数KB1T、KB2T、KB1ε和KB2ε代入式(1)，利用宽带光源7和光谱分析仪8测量两个布拉格共振波长的漂移量ΔλB1和ΔλB2，由式(1)即可解算出应变和温度的变化量Δε和ΔT。
步骤6：折射率的解调
将标定出的应变灵敏度系数KNAε和由步骤5解算出的应变变化量Δε代入式(2)，利用宽带光源7和光谱分析仪8测量包层模共振峰的归一化面积A，由式(2)和单调函数K(SRI)解算出折射率SRI。至此，利用单根FBG实现了对温度、应变和折射率的同时传感。
本发明采用飞秒激光和相位掩模板法写入FBG仅用于说明本实施例，也可以采用飞秒激光和点对点法写入FBG。
本发明的步骤2至步骤4仅用于说明本实施例，不限于上述温度、应变和折射率灵敏度系数的标定顺序。
在实际应用中，可根据需求选择不同的飞秒激光系统、少模光纤类型和FBG写入方法，因此，本发明具有广泛的应用价值。
Claims (8)
1.一种利用单根光纤布拉格光栅(FBG)实现温度、应变和折射率同时传感的方法，其特征在于利用飞秒激光在少模光纤中写入FBG，其透射光谱中产生对应于不同光纤模式的多个布拉格共振峰，同时FBG的折射率调制高度局域在纤芯中，在透射光谱的短波方向，产生多个包层模共振峰。所述各个布拉格共振峰对应的布拉格共振波长分别对温度和应变具有不同的线性响应。所述光纤模式在纤芯内传输，对环境介质的折射率不敏感。所述包层模共振峰的归一化面积(包层模共振峰上下包络所围面积与初始面积的比值)对环境介质的折射率和应变敏感，对温度不敏感。通过测量所述FBG透射光谱中选定的两个布拉格共振波长的漂移量和包层模共振峰的归一化面积，即可利用单根FBG实现对温度、应变和折射率同时传感。
2.根据权利要求1所述利用单根FBG实现温度、应变和折射率同时传感的方法，其特征在于：所述FBG可利用飞秒激光和相位掩模板法写入，可利用飞秒激光和点对点法写入。
3.根据权利要求1所述利用单根FBG实现温度、应变和折射率同时传感的方法，其特征在于：所述少模光纤可以是双模光纤，可以是四模光纤。
4.根据权利要求1所述利用单根FBG实现温度、应变和折射率同时传感的方法，其特征在于：所述少模光纤可以是阶跃折射率光纤，可以是渐变折射率光纤。
5.根据权利要求1所述利用单根FBG实现温度、应变和折射率同时传感的方法，其特征在于：所述环境介质的折射率可以是液体折射率，可以是气体折射率。
6.根据权利要求1或2所述利用单根FBG实现温度、应变和折射率同时传感的方法，其特征在于：所述FBG中的光栅条纹与光纤轴线呈45度至90度之间的任意夹角。
7.根据权利要求1或2所述利用单根FBG实现温度、应变和折射率同时传感的方法，其特征在于：所述FBG中的光栅条纹可以位于光纤纤芯，可以偏离光纤纤芯。
8.一种利用权利要求1～7所述方法利用单根FBG实现温度、应变和折射率同时传感，其特征在于步骤如下：
步骤1：利用飞秒激光在少模光纤中写入FBG。
步骤2：标定出所述FBG透射光谱中选定的两个布拉格共振波长和包层模共振峰归一化面积的温度灵敏度系数。
步骤3：标定出所述FBG透射光谱中选定的两个布拉格共振波长和包层模共振峰归一化面积的应变灵敏度系数。
步骤4：标定出所述FBG透射光谱中选定的两个布拉格共振波长和包层模共振峰归一化面积的折射率灵敏度系数。
步骤5：应变和温度的解调
将标定出的温度和应变灵敏度系数代入通过测量选定的两个布拉格共振波长的漂移量△λB1和△λB2，即可同时解算出应变和温度的变化量△ε和△T，其中，KB1T和KB2T分别为选定的两个布拉格共振波长的温度灵敏度系数，KB1ε和KB2ε分别为选定的两个布拉格共振波长的应变灵敏度系数，M＝KB2TKB1ε-KB2εKB1T为矩阵的行列式。
步骤6：折射率的解调
所述包层模共振峰归一化面积A与折射率SRI和应变变化量△ε之间的关系为A＝K(SRI)+KNAε△ε，其中，KNAε为包层模共振峰归一化面积A的应变灵敏度系数，K(SRI)为在一定传感范围内包层模共振峰归一化面积A随折射率SRI变化的单调函数。
将标定出的应变灵敏度系数KNAε和由步骤5解算出的应变变化量△ε代入A＝K(SRI)+KNAε△ε，通过测量包层模共振峰归一化面积A，即可由单调函数K(SRI)解算出折射率SRI。
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