CN107870047A - 基于光纤f‑p腔级联fbg结构的温度及应变双参量光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于光纤F‑P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器，通过对该传感器温度和应变传感特性进行了研究，建立了该系统温度及应变和光谱波长之间的数学模型，通过该系统的传感系数矩阵便可以同时监测外界温度和应变双参量变化；该基于光纤F‑P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器结构简单，制作成本低，测量稳定性好，不需对FBG进行特殊写制，对应力和温度的交叉敏感问题，具有较高的参考价值，同时在航空航天生物医学检测大型建筑健康监测等方面都具有重要的应用价值。结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体为基于光纤F-P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器。
背景技术
随着现代光纤通信技术的发展，光纤传感技术逐步进入传感领域市场，相对于传统传感器，光纤传感器质量轻，体积小，抗腐蚀，损耗低，测量精度高，测量范围广，更符合现代传感技术的发展要求，被广泛应用于航空航天、化学检测、健康监测、石油勘探以及生物医学等各个领域。
温度和应变是两个对于材料非常重要的参数，在医学检测，工业生产以及大型飞行器件的正常运行都应用广泛，针对温度和应变传感器的研究也越来越多。
其中，温度和应变是传统传感器能够直接传感测量的两个最基本的物理参量，它们构成了其它各物理量传感的基础。
目前针对传感器的研究更多的是单一变量的传感测量，而实际环境并不是简单的单一变量，交叉敏感问题无处不在。近年来，对于双参数测量传感器的研究也受到研究者的广泛青睐，其中2012年葡萄牙C.Gouveia等人利用高双折射光纤制作了能够同时传感折射率和温度的光栅腔传感器，通过分别测量干涉条纹对比度和波长漂移变化来解调折射率和温度的变化，实现的快慢轴折射率灵敏度分别达到-1.06％0.01RIU和-0.96％.0.0RIU，温度灵敏度达到10.52pm/℃和10.13pm/℃；同年，西北工业大学邵敏等人利用长周期光纤光栅(LPFG)和保偏光纤(PMF)Sagnac环透射光谱的调制特性，设计了温度和折射率同时区分测量系统，其中温度灵敏度0.1286nm/℃，折射率灵敏度为49.38dB/RIU。2014年JianyingYuan等人利用长周期光纤光栅(LPFG)与Sagnac干涉环串联，实现了温度及折射率的同时测量，折射率灵敏度为16.864nm/RIU，温度灵敏度为1.533nm/℃。2015年，简永生课题组提出了一种基于耦合型双芯光纤级联布拉格光纤光栅的温度与应力双参数解耦测量的全光纤型传感系统，可以分别实现4.3048με及0.4562℃的应力与温度传感测量分辨率。2017年，天津大学徐德刚设计了一种基于级联保偏光纤(PMF)和长周期光纤光栅(LPFG)的Sagnac环温度和环境折射率双参量传感器，其中，温度灵敏度为1.2nm/℃，环境折射率灵敏度为15nm/RIU。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了基于光纤F-P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器，解决了目前针对传感器的研究更多的是单一变量的传感测量，而实际环境并不是简单的单一变量，交叉敏感问题无处不在的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于光纤F-P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器，包括光源结构、传输光纤、光纤传感结构和光谱分析仪，所述光源结构的输出端与环形器的输入端连接，并且环形器的输出端通过传输光纤与光纤传感结构的输入端连接，所述光谱分析仪的输出端与环形器的输入端连接。
所述光纤传感结构包括单模光纤，所述单模光纤的端面与光纤F-P结构固定连接，并且单模光纤的端面且位于光纤F-P结构的尾纤处与FBG连接。
优选的，所述光纤F-P结构利用浓度40％氢氟酸腐蚀单模光纤端面并与另一端切屏的光纤熔接而成。
优选的，所述光纤F-P结构的反射光谱条纹对比度为10dB，并且光纤F-P结构的周期为24nm所述FBG的峰值为1563.5nm。
本发明还公开了基于光纤F-P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器的测量方法，包括以下步骤：
S1、理论分析：将光纤在40％浓度的氢氟酸中腐蚀20min后与一端切平光纤相互熔接形成光纤F-P结构，并将一端与FBG串联形成双参数测量的传感器，当环境温度和应变发生变化时，光纤F-P结构的腔长以及光栅周期、栅距等会发生改变，反射光谱的波长也会随之发生漂移，假定光纤F-P结构和FBG温度与应变感应的反射光谱的波长变化线性且独立无关，因此只要确定灵敏系数矩阵就可以通过光纤F-P结构和FBG波长变化值求解方程得到相应的温度与应变值；
S2、光纤传感器制备：将单模光纤的一端去除涂覆层，并用酒精清洁干净，然后用切割刀切平，将光纤置于在40％浓度的氢氟酸中腐蚀20min后与一端切平光纤相互熔接形成光纤F-P结构，并将一端与FBG串联形成双参数测量的传感器；
S3、双参数特性研究：光纤F-P结构干涉条纹波长以及FBG峰值均随着应变的变化呈线性变化，且都随着加载量的增加向着长波方向漂移，随着应变量的卸载向短波方向漂移；其中光纤F-P结构的监测点A处在相对应变量0με～240με范围内波长从1555.936nm漂移至1556.336nm，在240με～0με内波长从1556.336nm漂移至1555.936nm，加载灵敏度为1.63pm/με，卸载灵敏度为-1.65pm/με，线性度均达到0.99以上；FBG在相对应变量0με～240με范围内波长从1563.509nm漂移至1563.563nm，在240με～0με内波长从1563.563nm漂移至1563.509nm，加载灵敏度为0.23pm/με，卸载灵敏度为-0.225pm/με，线性度均达到0.99以上；
S4、结论：对该传感器温度和应变传感特性进行了研究，建立了该系统温度及应变和光谱波长之间的数学模型，通过该系统的传感系数矩阵便可以同时监测外界温度和应变双参量变化。
优选的，在S1中，外界温度和应变的变化时，光纤F-P结构和FBG的反射谱波长的变化Δλ1，Δλ2和与温度变化ΔT和应变变化Δε成近似的线性关系，写作：
Δλ1＝K11ΔT+K12Δε(1)
Δλ2＝K21ΔT+K22Δε(2)
其中：K11，K12，K21，K22分别为光纤F-P结构的温度灵敏度系数，应变灵敏度系数，FBG的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数；
联立式(1)和式(2)，可以得到温度和应变的变化量与光谱波长的变化矩阵为：
对式(3)求其逆矩阵，可得：
如果测得传感系统对温度和应变的变化灵敏度，则通过光谱仪监测系统反射光谱的波长变化值Δλ1Δλ2，代入式(4)就可以确定外界环境温度和应变的改变情况，实现温度和应变的双参量测量。
优选的，在S3中，当外界温度变化时，光纤F-P结构干涉谱波长基本不发生漂移，即灵敏度为0，FBG结构光谱波长红移，灵敏度达到9.50pm/℃；当该系统发生应变时，光纤F-P结构和FBG光谱波长均发生改变，其中光纤F-P结构的加载灵敏度为1.63pm/με，卸载灵敏度为-1.65pm/με；FBG加载灵敏度为0.23pm/με，卸载灵敏度为-0.225pm/με；分别将上述温度和应变相关的灵敏度系数代入式(4)，可以得到该系统的温度和应变传感的矩阵方程为：
在实际测量中，通过解调该系统的波长变化值，便可以实时监测环境的温度和应变，实现温度和应变双参量实时测量。
(三)有益效果
本发明提供了基于光纤F-P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器。具备以下有益效果：该基于光纤F-P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器，通过对该传感器温度和应变传感特性进行了研究，建立了该系统温度及应变和光谱波长之间的数学模型，通过该系统的传感系数矩阵便可以同时监测外界温度和应变双参量变化；该双参量传感器结构简单，制作成本低，测量稳定性好，不需对FBG进行特殊写制，对应力和温度的交叉敏感问题，具有较高的参考价值，同时在航空航天生物医学检测大型建筑健康监测等方面都具有重要的应用价值。结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。
附图说明
图1为本发明系统检测结构图；
图2为本发明光纤F-P级联FBG结构示意图；
图3为本发明光纤传感器反射谱图；
图4为本发明光纤传感器稳定性检测图；
图5为本发明不同温度对应的光谱图；；
图6为本发明光纤FBG传感器温度响应特性曲线图；
图7为本发明光纤F-P结构加载光谱图；
图8为本发明光纤F-P结构卸载光谱图；
图9为本发明光纤F-P结构应变响应特性曲线图；
图10为本发明FBG结构加载光谱图；
图11为本发明FBG结构卸载光谱图；
图12为本发明FBG应变响应特性曲线图；
图中，1光源结构、2传输光纤、3光纤传感结构、31单模光纤、32光纤F-P结构、33FBG、4光谱分析仪、5环形器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供基于光纤F-P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器，如图1-12所示，包括光源结构1、传输光纤2、光纤传感结构3和光谱分析仪4，光源结构1采用宽带光源，宽带光源发出的光经1×2光纤耦合器传入光纤F-P结构32和FBG33，再通过耦合器反射回来，通过光谱分析仪4检测其反射光谱图，光源结构1的输出端与环形器5的输入端连接，并且环形器5的输出端通过传输光纤2与光纤传感结构3的输入端连接，光谱分析仪4的输出端与环形器5的输入端连接。
光纤传感结构3包括单模光纤31，单模光纤31采用康宁公司生产的SMF-28，单模光纤31的端面与光纤F-P结构32固定连接，并且单模光纤31的端面且位于光纤F-P结构32的尾纤处与FBG33连接。
本发明中，光纤F-P结构32利用浓度40％氢氟酸腐蚀单模光纤31端面并与另一端切屏的光纤熔接而成。
本发明中，光纤F-P结构32的反射光谱条纹对比度为10dB，并且光纤F-P结构32的周期为24nmFBG33的峰值为1563.5nm。
本发明还公开了基于光纤F-P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器的测量方法，包括以下步骤：
S1、理论分析：将光纤在40％浓度的氢氟酸中腐蚀20min后与一端切平光纤相互熔接形成光纤F-P结构32，并将一端与FBG33串联形成双参数测量的传感器，当环境温度和应变发生变化时，光纤F-P结构32的腔长以及光栅周期、栅距等会发生改变，反射光谱的波长也会随之发生漂移，假定光纤F-P结构32和FBG33温度与应变感应的反射光谱的波长变化线性且独立无关，因此只要确定灵敏系数矩阵就可以通过光纤F-P结构32和FBG33波长变化值求解方程得到相应的温度与应变值；
S2、光纤传感器制备：将单模光纤的一端去除涂覆层，并用酒精清洁干净，然后用切割刀切平，将光纤置于在40％浓度的氢氟酸中腐蚀20min后与一端切平光纤相互熔接形成光纤F-P结构32，并将一端与FBG33串联形成双参数测量的传感器；
将所制备的光纤F-P结构32与FBG33串联制得光纤F-P级联1563.5波段的FBG33的双参数全光纤传感器，将该传感器接入1×2耦合器连接光谱分析仪4和光源结构1，观察其反射光谱，测试光源结构1的光谱范围为1520nm～1610nm，光源结构1为日本Yokogawa公司的AQ6375光谱分析仪，工作波长范围为1200nm～2400nm，最小分辨精度为0.02nm；并得到如图3所示的反射光谱图，光纤F-P结构32的最高对比度可达10dB，条纹间隔为24nm；每隔10分钟读取光谱分析仪4中的反射光谱图，并采集数据，共采取5次，5次光谱图如图4所示，通过光谱图可以看出该传感器稳定性很好。
为检测该传感器的温度和应变传感特性，实验选取测试点A和FBG33的峰值作为检测点，解调检测点处波长漂移量从而验证该传感器的出阿甘特性。
S3、双参数特性研究：光纤F-P结构32干涉条纹波长以及FBG33峰值均随着应变的变化呈线性变化，且都随着加载量的增加向着长波方向漂移，随着应变量的卸载向短波方向漂移；其中光纤F-P结构32结构的监测点A处在相对应变量0με～240με范围内波长从1555.936nm漂移至1556.336nm，在240με～0με内波长从1556.336nm漂移至1555.936nm，加载灵敏度为1.63pm/με，卸载灵敏度为-1.65pm/με，线性度均达到0.99以上；FBG在相对应变量0με～240με范围内波长从1563.509nm漂移至1563.563nm，在240με～0με内波长从1563.563nm漂移至1563.509nm，加载灵敏度为0.23pm/με，卸载灵敏度为-0.225pm/με，线性度均达到0.99以上；
温度特性研究
首先，对传感器的温度传感特性进行实验研究，将已制备的传感器连入温度测试系统，由于实际应用中，整个传感器都处在同一温度环境下，因此将光纤F-P结构32和FBG33同时固定在加热台上，为控制变量，整个实验在恒温恒湿的超净间中进行。
将温度从30℃上升到100℃，每次上升10℃，待温度稳定后记录光谱分析仪4中光谱数据，检测传感器的波长偏移量。
从图中可以看出光纤F-P结构32的波谷处波长随温度的变化基本保持稳定，而FBG33中心波长随着温度变化而变化，其中FBG33温度响应特性曲线如图6所示。
实验发现，随着温度的升高，FBG33的中心波长向长波方向线性增长，温度从30℃升到100℃，FBG33中心波长从1563.5405nm漂移到1564.1982nm，灵敏度达到9.5pm/℃，线性度达到0.99以上。
综上，该传感器的光纤F-P结构32部分对温度较稳定，FBG33对温度较为敏感。
应变特性研究
本发明设计将所制作的光纤F-P结构32和FBG33分别粘贴在等强度梁的中心线上两侧对称的地方，实验中选用等强度梁材料为铝合金7075-0，厚度h＝2mm、中心线长度L＝280mm；在粘贴前给与光纤F-P结构32和FBG33一定的预紧力，用低温胶将光纤F-P结构32和FBG33固定在等强度梁上，在室温下固化24小时，整个实验在超净间完成，避免湿度等其他参数的影响，超净间温度为25℃。
将传感器分别粘贴于等强度梁后，在超净间环境中对等强度梁进行加载卸载标定实验；实验中等强度梁微分头每转一圈，等强度梁在水平方向上的形变为20με；为避免固化过程中光纤回缩导致应变测量值不准，采用相对应变值，即先旋转微分头至光谱图中F-P和FBG反射谱线均移动开始记为初始值，拧动微分头对光纤传感器施加应变，用光谱分析仪4采集数据，分别解调图3所示的监测点A处以及FBG33的波长漂移值，不同应变量下的光纤F-P结构32监测点A处和FBG33反射谱图以及应变响应特性曲线分别如图7、图8、图9、图10、图11和图12。
S4、结论：对该传感器温度和应变传感特性进行了研究，建立了该系统温度及应变和光谱波长之间的数学模型，通过该系统的传感系数矩阵便可以同时监测外界温度和应变双参量变化。
本发明中，在S1中，外界温度和应变的变化时，光纤F-P结构32和FBG33的反射谱波长的变化Δλ1，Δλ2和与温度变化ΔT和应变变化Δε成近似的线性关系，写作：
Δλ1＝K11ΔT+K12Δε(1)
Δλ2＝K21ΔT+K22Δε(2)
其中：K11，K12，K21，K22分别为光纤F-P结构32的温度灵敏度系数，应变灵敏度系数，FBG33的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数；
联立式(1)和式(2)，可以得到温度和应变的变化量与光谱波长的变化矩阵为：
对式(3)求其逆矩阵，可得：
如果测得传感系统对温度和应变的变化灵敏度，则通过光谱仪监测系统反射光谱的波长变化值Δλ1Δλ2，代入式(4)就可以确定外界环境温度和应变的改变情况，实现温度和应变的双参量测量。
本发明中，在S3中，当外界温度变化时，光纤F-P结构32干涉谱波长基本不发生漂移，即灵敏度为0，FBG33结构光谱波长红移，灵敏度达到9.50pm/℃；当该系统发生应变时，光纤F-P结构32和FBG33光谱波长均发生改变，其中光纤F-P结构32的加载灵敏度为1.63pm/με，卸载灵敏度为-1.65pm/με；FBG33加载灵敏度为0.23pm/με，卸载灵敏度为-0.225pm/με；分别将上述温度和应变相关的灵敏度系数代入式(4)，可以得到该系统的温度和应变传感的矩阵方程为：
在实际测量中，通过解调该系统的波长变化值，便可以实时监测环境的温度和应变，实现温度和应变双参量实时测量。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.基于光纤F-P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器，包括光源结构(1)、传输光纤(2)、光纤传感结构(3)和光谱分析仪(4)，其特征在于：所述光源结构(1)的输出端与环形器(5)的输入端连接，并且环形器(5)的输出端通过传输光纤(2)与光纤传感结构(3)的输入端连接，所述光谱分析仪(4)的输出端与环形器(5)的输入端连接；
所述光纤传感结构(3)包括单模光纤(31)，所述单模光纤(31)的端面与光纤F-P结构(32)固定连接，并且单模光纤(31)的端面且位于光纤F-P结构(32)的尾纤处与FBG(33)连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤F-P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器，其特征在于：所述光纤F-P结构(32)利用浓度40％氢氟酸腐蚀单模光纤(31)端面并与另一端切屏的光纤熔接而成。
3.根据权利要求1所述的基于光纤F-P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器，其特征在于：所述光纤F-P结构(32)的反射光谱条纹对比度为10dB，并且光纤F-P结构(32)的周期为24nm所述FBG(33)的峰值为1563.5nm。
4.基于光纤F-P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、理论分析：将光纤在40％浓度的氢氟酸中腐蚀20min后与一端切平光纤相互熔接形成光纤F-P结构(32)，并将一端与FBG(33)串联形成双参数测量的传感器，当环境温度和应变发生变化时，光纤F-P结构(32)的腔长以及光栅周期、栅距等会发生改变，反射光谱的波长也会随之发生漂移，假定光纤F-P结构(32)和FBG(33)温度与应变感应的反射光谱的波长变化线性且独立无关，因此只要确定灵敏系数矩阵就可以通过光纤F-P结构(32)和FBG(33)波长变化值求解方程得到相应的温度与应变值；
S2、光纤传感器制备：将单模光纤的一端去除涂覆层，并用酒精清洁干净，然后用切割刀切平，将光纤置于在40％浓度的氢氟酸中腐蚀20min后与一端切平光纤相互熔接形成光纤F-P结构(32)，并将一端与FBG(33)串联形成双参数测量的传感器；
S3、双参数特性研究：光纤F-P结构(32)干涉条纹波长以及FBG(33)峰值均随着应变的变化呈线性变化，且都随着加载量的增加向着长波方向漂移，随着应变量的卸载向短波方向漂移；其中光纤F-P结构(32)结构的监测点A处在相对应变量0με～240με范围内波长从1555.936nm漂移至1556.336nm，在240με～0με内波长从1556.336nm漂移至1555.936nm，加载灵敏度为1.63pm/με，卸载灵敏度为-1.65pm/με，线性度均达到0.99以上；FBG在相对应变量0με～240με范围内波长从1563.509nm漂移至1563.563nm，在240με～0με内波长从1563.563nm漂移至1563.509nm，加载灵敏度为0.23pm/με，卸载灵敏度为-0.225pm/με，线性度均达到0.99以上；
S4、结论：对该传感器温度和应变传感特性进行了研究，建立了该系统温度及应变和光谱波长之间的数学模型，通过该系统的传感系数矩阵便可以同时监测外界温度和应变双参量变化。
5.根据权利要求4所述的基于光纤F-P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器的测量方法，其特征在于：在S1中，外界温度和应变的变化时，光纤F-P结构(32)和FBG(33)的反射谱波长的变化Δλ1，Δλ2和与温度变化ΔT和应变变化Δε成近似的线性关系，写作：
Δλ1＝K11ΔT+K12Δε (1)
Δλ2＝K21ΔT+K22Δε (2)
其中：K11，K12，K21，K22分别为光纤F-P结构(32)的温度灵敏度系数，应变灵敏度系数，FBG(33)的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数；
联立式(1)和式(2)，可以得到温度和应变的变化量与光谱波长的变化矩阵为：
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<mn>21</mn>
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<mtd>
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<mi>K</mi>
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</mtr>
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<mfenced open = "[" close = "]">
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<mtr>
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<mo>-</mo>
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对式(3)求其逆矩阵，可得：
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</mtd>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
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<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
如果测得传感系统对温度和应变的变化灵敏度，则通过光谱仪监测系统反射光谱的波长变化值Δλ1 Δλ2，代入式(4)就可以确定外界环境温度和应变的改变情况，实现温度和应变的双参量测量。
6.根据权利要求4所述的基于光纤F-P腔级联FBG结构的温度及应变双参量光纤传感器的测量方法，其特征在于：在S3中，当外界温度变化时，光纤F-P结构(32)干涉谱波长基本不发生漂移，即灵敏度为0，FBG(33)结构光谱波长红移，灵敏度达到9.50pm/℃；当该系统发生应变时，光纤F-P结构(32)和FBG(33)光谱波长均发生改变，其中光纤F-P结构(32)的加载灵敏度为1.63pm/με，卸载灵敏度为-1.65pm/με；FBG(33)加载灵敏度为0.23pm/με，卸载灵敏度为-0.225pm/με；分别将上述温度和应变相关的灵敏度系数代入式(4)，可以得到该系统的温度和应变传感的矩阵方程为：
<mrow>
<mfenced open = "[" close = "]">
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<mrow>
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<mtr>
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</mfenced>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
在实际测量中，通过解调该系统的波长变化值，便可以实时监测环境的温度和应变，实现温度和应变双参量实时测量。
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