CN107543803A - 基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器及传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器，包括光纤和复合光栅线阵，复合光栅线阵包括依次串联在光纤上的倾斜光栅和布拉格反射光栅组；其中，倾斜光栅为1组，与光纤截面成3º‑15º夹角；布拉格反射光栅组为2组以上沿光纤截面刻写的布拉格反射光栅，且每一组布拉格反射光栅的布拉格反射波长均不同；倾斜光栅包层模与布拉格反射光栅反射峰波长受温度和应变同步影响，并有相同的温度和应变敏感系数。本发明利用光栅写制技术对光纤纤芯进行折射率周期改写，发挥倾斜光栅的折射率敏感特性，实现无物理结构破坏和机械性能损伤的折射率光纤传感方案，可输出摈除了温度和应变影响的环境折射率敏感反射谱。

Description

基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器及传感方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器及传感方法。

背景技术

折射率敏感型光纤传感技术由于具有检测参量范围宽、结构简单、精度高、尺寸小、操作性好、解读方便、可靠性高等优点，逐渐成为国内外光纤传感技术领域的研究重点和热点。折射率是光在真空中传播速度与介质中的传播速度比，是一种介质本征物理属性。折射率敏感型传感器的检测原理是利用光纤所处环境折射率（环境折射率）变化引起的光学参量变化（例如谐振波长、光场强度、光谱变化），基于检测物理原理折算出外界环境折射率变化，进而推定传感器周边物质浓度、物相状态等待测参量。

现有分布式光纤传感技术多建立在布拉格光纤光栅的基础上，将外界温度、机械力、加速度等物理量转化为栅距变形值，通过检测外界作用引起的光栅栅距变化实现传感功能，其技术较为成熟，在成本和制备工艺方面具有突出优势。但是在物质浓度、物相状态等化学量检测领域其局限性十分突出，须将化学量转化为机械力等物理量然后转化为栅距变化，传感器结构复杂且精度难以满足要求，亟待发展新型的化学参量传感技术。

相比光纤布拉格光栅传感器，折射率敏感型光纤传感器直接检测介质本征物理属性，无需将待测量转化为栅距变形值等几何量，其检测精度、可靠度都显著较优。折射率敏感性光纤传感器还可通过应用各种新型敏感功能膜实现溶液pH值、盐度、浊度、溶解氧、重金属离子浓度、抗体抗原、生物酶等多种复杂参量的检测，可应用于食品、化工、环境和医疗等众多领域。

折射率敏感型光纤传感方法的解调对象为光强度或光谱特征参数（如共振角、共振波长）。其中光谱特征参数较少受光强扰动的影响，因此针对这方面的研究成为主流。依据折射率敏感型光纤传感方法的原理，可大致分为两类，一类是需要进行腐蚀减薄包层或者表面微加工的方法，例如刻蚀型或抛磨型光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Gratins,FBG）、表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）光纤传感器；另一类是利用含有包层传输模式的光纤结构的方法，例如长周期光纤光栅（Long Period Grating, LPG）和TFBG。

CN101865815A公开了一种镀有敏感膜的光纤光栅锈蚀传感器，在腐蚀掉包层的光纤光栅表面制备一层金属敏感膜，敏感膜锈蚀将导致折射率变化，通过监测光纤光栅的波长漂移来监测敏感锈蚀状态。与本专利不同的，该专利需要对单模光纤上制备的光纤光栅的包层进行腐蚀，以实现折射率传感目的。

CN 203025082U公开了一种结合有LPG和TFBG两种光纤光学结构的折射率测量结构，通过LPG将TFBG包层模耦合至单模光纤的纤芯中，最后利用LPG的光电信号强度与折射率的关系解算出光纤的环境折射率。该专利所用的级联光栅结构为LPG和TFBG。所用到的LPG和TFBG参数没有相互制约的数学关系。

CN101713726A公开了一种 LPG与FBG结合型传感器，将级联光纤光栅传感器封装体用于氨氮污水降解监测，该专利通过测量级联体的透射谱谐振峰的变化，进而直接获得氨氮污水的折射率或根据经验公式可以间接得到溶剂的浓度。所采用的解调方式为透射谱解调，无法进行多个光学结构的串联以实现多点折射率监测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器及传感方法，能够摈除温度和应变影响的环境折射率敏感反射谱，实现对环境折射率的连续监测。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器，包括光纤，其特征在于：它还包括复合光栅线阵，复合光栅线阵包括依次串联在光纤上的倾斜光栅和布拉格反射光栅组；其中，倾斜光栅为1组，与光纤截面成3º- 15º夹角；布拉格反射光栅组为2组以上沿光纤截面刻写的布拉格反射光栅，且每一组布拉格反射光栅的布拉格反射波长均不同；所述的截面为与光纤轴向垂直的面；倾斜光栅包层模与布拉格反射光栅反射峰波长受温度和应变同步影响，并有相同的温度和应变敏感系数。

按上述方案，本传感器包括若干个串联的所述的复合光栅线阵。

按上述方案，所述的倾斜光栅包层模的波长范围，与所述的布拉格反射光栅组的反射波长范围，相同。

按上述方案，所述的倾斜光栅包层模的波长范围为1500-1630 nm。

按上述方案，所述的倾斜光栅拥有布拉格反射峰的波长值范围为1530-1660 nm。

按上述方案，所述的倾斜光栅表面镀有折射率敏感膜。

所述的基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器的折射率传感方法，其特征在于：

倾斜光栅表面包层模对环境折射率敏感，并调制反射光栅组反射谱的强度；

倾斜光栅输出的透射谱对布拉格反射光栅组的反射峰强度进行调制，将折射率信息传递给布拉格反射光栅组；

对比倾斜光栅和布拉格反射光栅组反射峰强度来映射折射率的变化；倾斜光栅与布拉格反射光栅受温度和应变同步影响，补偿温度和应变因素的干扰；

解调倾斜光栅和布拉格反射光栅组的反射谱，计算得到环境折射率变化。

所述的基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器的物理量传感方法，其特征在于：所述的折射率敏感膜对其对应的物理量敏感；

倾斜光栅表面包层模对环境折射率敏感，并调制反射光栅组反射谱的强度；

倾斜光栅输出的透射谱对布拉格反射光栅组的反射峰强度进行调制，将折射率信息传递给布拉格反射光栅组；

对比倾斜光栅和布拉格反射光栅组反射峰强度来映射折射率的变化；倾斜光栅与布拉格反射光栅受温度和应变同步影响，补偿温度和应变因素的干扰；

解调倾斜光栅和布拉格反射光栅组的反射谱，实现对应物理量的折射率传感监测。

本发明的有益效果为：本发明的监测机理为通过TFBG包层透射模的对反射FBG反射谱强度的调制来检测环境折射率的变化，避免对光纤外表面进行物理结构破坏，利用光栅写制技术对光纤纤芯进行折射率周期改写，发挥倾斜光栅的折射率敏感特性，实现无物理结构破坏和机械性能损伤的折射率光纤传感方案，可输出摈除了温度和应变影响的环境折射率敏感反射谱，经串联后可用于大范围、大体量对象的环境折射率的连续监测。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为复合光栅线阵单元示意图。

图3为本发明一实施例受温度/应变影响原理示意图。

图4为复合光栅线阵单元的反射光谱。

图中：1-单模光纤，2-复合光栅线阵，3-倾斜光栅，4-布拉格反射光栅，5- TFBG的透射峰，6-复合光栅线阵的反射峰。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器，如图1和图2所示，包括光纤，本实施例为单模光纤1，它还包括复合光栅线阵2，复合光栅线阵2包括依次串联在光纤上的倾斜光栅3和布拉格反射光栅组；其中，倾斜光栅3为1组，与光纤截面成3º- 15º夹角；布拉格反射光栅组为2组以上沿光纤截面刻写的布拉格反射光栅4，且每一组布拉格反射光栅4的布拉格反射波长均不同；倾斜光栅包层模与布拉格反射光栅4反射峰波长受温度和应变同步影响，并有相同的温度和应变敏感系数。

本传感器包括若干个串联的所述的复合光栅线阵2，实现大范围、大体量对象的环境折射率的连续监测。在复合光栅线阵2内，倾斜光栅3与布拉格反射光栅组之间的距离、各布拉格反射光栅4之间的距离可拟为0-100米，相邻的复合光栅线阵2之间的距离无特殊要求。

所述的倾斜光栅3和布拉格反射光栅4具有相同的敏感系数。

所述的倾斜光栅包层模的波长范围，与所述的布拉格反射光栅组的反射波长范围，相同。本实施例中，所述的倾斜光栅包层模的波长范围为1500-1630 nm。所述的倾斜光栅3拥有布拉格反射峰的波长值范围为1530-1660 nm。

所述的基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器的传感方法，它包括：倾斜光栅包层模对环境折射率敏感，并调制反射光栅组反射谱的强度；倾斜光栅3输出的透射谱对布拉格反射光栅组的反射峰强度进行调制，将折射率信息传递给布拉格反射光栅组；对比倾斜光栅3和布拉格反射光栅组反射峰强度来映射折射率的变化；倾斜光栅3与布拉格反射光栅4受温度和应变同步影响，补偿温度和应变因素的干扰；解调倾斜光栅3和布拉格反射光栅组的反射谱，计算得到环境折射率变化。

本发明的工作原理在于：该结构每个单元为复合光栅线阵2，每个复合光栅线阵2由一组倾斜光栅3和多组布拉格反射光栅4组成。布拉格反射光栅4的波长各自不同，且与倾斜光栅3的包层模相匹配，并与倾斜光栅3输出的布拉格反射波长不重叠。借由倾斜光栅3的包层模对环境折射率的感应特性，利用倾斜光栅3透射谱中的包层模来调制布拉格反射光栅组反射谱的强度，通过对比不受折射率影响的倾斜光栅3芯模布拉格反射峰强度和布拉格反射光栅组反射峰强度来映射折射率的变化；同时，利用同根光纤上写制的倾斜光栅3与布拉格反射光栅4拥有同样的噪声漂移系数，补偿折射率传感中噪声的干扰，最终获得摈除噪声影响的环境折射率趋势。图3显示的是当温度/应变发生改变的时候，TFBG的透射谱和FBG的反射谱中心波长的漂移，图4显示的是用光谱仪检测的光经过了复合光栅线阵单元后的反射谱。

本发明的优点为：避免对光纤外表面进行物理结构破坏，利用光栅写制技术对光纤纤芯进行折射率周期改写，发挥倾斜光栅3的折射率敏感特性，实现无物理结构破坏和机械性能损伤的折射率光纤传感方案。本发明还充分利用倾斜光栅3透射谱的调制功能和倾斜光栅3与布拉格反射光栅4的噪声敏感特性，实现基于反射光谱的摈除噪声干扰的折射率检测。

优选的，倾斜光栅表面镀有折射率敏感膜，实现对不同对象折射率传感监测应用。

基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器的物理量传感方法，所述的折射率敏感膜对其对应的物理量敏感；倾斜光栅表面包层模对环境折射率敏感，并调制反射光栅组反射谱的强度；倾斜光栅输出的透射谱对布拉格反射光栅组的反射峰强度进行调制，将折射率信息传递给布拉格反射光栅组；对比倾斜光栅和布拉格反射光栅组反射峰强度来映射折射率的变化；倾斜光栅与布拉格反射光栅受温度和应变同步影响，补偿温度和应变因素的干扰；解调倾斜光栅和布拉格反射光栅组的反射谱，实现对应物理量的折射率传感监测。

下面列举若干应用场景：

基于光栅刻写平台，采用精密旋转平台，实现倾斜光栅3的制备；使用可连续切换的多个相位掩模板，实现多支不同波长的布拉格反射光栅4的连续写制。选用宽光谱光源或单一偏振光光源，采用光谱分析仪和光栅解调仪对反射光谱进行分析，实现分布式折射率传感监测功能。当温度升高引起TFBG的反射谱中心波长漂移时，FBG的反射谱的中心波长也会相应的发生等量的漂移，从而补偿温度引起的中心波长的改变，从而来获得摒除了温度影响的折射率传感结果。

将湿度折射率敏感膜镀于所制备复合光栅线阵表面，通过湿度引起的环境折射率改变，可以实现与环境湿度相关的折射率敏感监测。

将锈蚀折射率敏感膜镀于所制备复合光栅线阵表面，通过锈蚀引起的环境折射率改变，可以实现与锈蚀相关的折射率敏感监测。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器，包括光纤，其特征在于：它还包括复合光栅线阵，复合光栅线阵包括依次串联在光纤上的倾斜光栅和布拉格反射光栅组；其中，倾斜光栅为1组，与光纤截面成3º- 15º夹角；布拉格反射光栅组为2组以上沿光纤截面刻写的布拉格反射光栅，且每一组布拉格反射光栅的布拉格反射波长均不同；所述的截面为与光纤轴向垂直的面；倾斜光栅包层模与布拉格反射光栅反射峰波长受温度和应变同步影响，并有相同的温度和应变敏感系数。

2.根据权利要求1所述的基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器，其特征在于：本传感器包括若干个串联的所述的复合光栅线阵。

3.根据权利要求1所述的基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的倾斜光栅包层模的波长范围，与所述的布拉格反射光栅组的反射波长范围，相同；所述的倾斜光栅的波长范围在所述的倾斜光栅包层模的波长范围之内。

4.根据权利要求3所述的基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的倾斜光栅包层模的波长范围为1500-1630 nm。

5.根据权利要求4所述的基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的倾斜光栅拥有布拉格反射峰的波长值范围为1530-1660 nm。

6.根据权利要求1所述的基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的倾斜光栅表面镀有折射率敏感膜。

7.权利要求1所述的基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器的折射率传感方法，其特征在于：

倾斜光栅表面包层模对环境折射率敏感，并调制反射光栅组反射谱的强度；

倾斜光栅输出的透射谱对布拉格反射光栅组的反射峰强度进行调制，将折射率信息传递给布拉格反射光栅组；

对比倾斜光栅和布拉格反射光栅组反射峰强度来映射折射率的变化；倾斜光栅与布拉格反射光栅受温度和应变同步影响，补偿温度和应变因素的干扰；

解调倾斜光栅和布拉格反射光栅组的反射谱，计算得到环境折射率变化。

8.权利要求6所述的基于复合光栅线阵的光纤光栅传感器的物理量传感方法，其特征在于：所述的折射率敏感膜对其对应的物理量敏感；

倾斜光栅表面包层模对环境折射率敏感，并调制反射光栅组反射谱的强度；

倾斜光栅输出的透射谱对布拉格反射光栅组的反射峰强度进行调制，将折射率信息传递给布拉格反射光栅组；

对比倾斜光栅和布拉格反射光栅组反射峰强度来映射折射率的变化；倾斜光栅与布拉格反射光栅受温度和应变同步影响，补偿温度和应变因素的干扰；

解调倾斜光栅和布拉格反射光栅组的反射谱，实现对应物理量的折射率传感监测。