CN108195485A - 基于lpfg与mz级联测量温度与应变的双参数传感器及其制备方法 - Google Patents

基于lpfg与mz级联测量温度与应变的双参数传感器及其制备方法 Download PDF

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祝连庆
董明利
娄小平
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Abstract

本发明提供了一种基于LPFG与MZ级联测量温度与应变的双参数传感器及其制备方法，以Corning SMF‑28普通光纤为制备基材，介绍了CO2激光刻写LPFG、与错位熔接MZ干涉结构级联，利用两种光纤结构的不同滤波特性，实现温度与应变的传感测量。通过控制MZ干涉结构的干涉波谷位置，与LPFG级联后实现了级联结构透射谱特定波长的应变不灵敏，增强了双参数灵敏矩阵的实际可解性。本发明提出的双参数光纤传感器结构形式简单，稳定性好，灵敏度高，是实现单根光纤双参数测量的有效手段。

Description

基于LPFG与MZ级联测量温度与应变的双参数传感器及其制备 方法
技术领域
本发明涉及双参数传感器，特别涉及一种基于LPFG与MZ级联测量温度与应变的双参数传感器及其制备方法。
背景技术
光纤传感器体积小、重量轻、测量灵敏度高、复用能力强、抗电磁干扰、易于嵌入材料内部，能实现对温度、应变、压力、声振动、角速度、加速度等多种参量的测量。与传统的机电或电子传感器相比，光纤传感器更符合现代传感技术的需求，具有重要的学术价值和应用前景。
近年来，光纤化双参数传感器相关研究广受青睐。2012年，童峥嵘等提出一种多模-单模-多模结构与光纤布拉格光栅级联测量温度与应变的光纤传感器，其温度灵敏度分别为0.091nm/℃、0.0102nm/℃，应变灵敏度为-0.0013nm/με、0.0012nm/με。2014年，Jianying Yuan等人利用长周期光纤光栅与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/℃。2016年，TongZhengrong等将单模光纤锥化后与多模光纤级联，实现了温度和液位检测，温度灵敏度为0.0202nm/℃、0.03102nm/℃，液位灵敏度为0.02202nm/mm、0.0702nm/mm。2016年，WuShengnan等人将FBG连接侧面开口的光纤珐白腔应用于气体压力和温度的测量，气体压力灵敏度分别为4.063pm/kPa和4.071pm/kPa，温度交叉敏感度为214Pa/℃和204Pa/℃。2017年，苏耿华等设计了一种基于级联保偏光纤和长周期光纤光栅的Sagnac环温度和环境折射率双参量传感器，其温度灵敏度1.2nm/℃，环境折射率灵敏度为15nm/RIU。
因此，需要一种能结构形式简单，稳定性好，灵敏度高，能够实现单根光纤双参数测量的基于LPFG与MZ级联测量温度与应变的双参数传感器及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于LPFG与MZ级联测量温度与应变的双参数传感器，包括级联的长周期光纤光栅(LPFG)结构和光纤马赫-增德尔(MZ)干涉结构，所述光纤马赫-增德尔(MZ)干涉结构包括第一单模光纤、第二单模光纤以及第三单模光纤，
所述第二单模光纤的输入端口与所述第一单模光纤的输出端口错位熔接、所述第二单模光纤的输出端口与第三单模光纤的输入端口错位熔接，所述长周期光纤光栅结构的输出端口与所述第一单模光纤的输入端口相熔接。
优选地，所述长周期光纤光栅结构的光栅周期为550μm，为采用CO2激光器在所述单模光纤上激光刻写得到。
优选地，所述单模光纤采用Corning公司SMF-28单模光纤。
本发明中，采用错位熔接法制备光纤MZ结构，在纤芯里传播的光有一部分透射到包层，经包层传播后再次进入下一段光纤的纤芯，于是，“纤芯-包层-纤芯”传播的光与“纤芯-纤芯-纤芯”传播的光产生干涉。
本发明还提供一种基于LPFG与MZ级联测量温度与应变的双参数传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：采用单模光纤，将所述单模光纤去除涂覆层，用酒精清洁、风干，夹在光纤夹具上；
步骤二：采用CO2激光器加工所述单模光纤，得到光栅周期为550cμm的长周期光纤光栅结构；
步骤三：采用错位熔接法制备得到光纤马赫-增德尔(MZ)干涉型结构；
步骤四：通过控制MZ干涉结构的干涉波谷位置，将上述长周期光纤光栅结构和光纤马赫-增德尔(MZ)干涉结构进行级联，实现级联结构透射谱特定波长的应变不灵敏，增强双参数灵敏矩阵的实际可解性，进而得到双参数传感器。
优选地，在步骤一中，所述单模光纤为Corning公司SMF-28单模光纤。
优选地，在步骤二中，所述CO2激光器的激光束功率为1mV，加工速度为10m/s。
优选地，在步骤三中，错位熔接法的步骤为：首先将两光纤纤芯对准，将一光纤纤芯错位至另一光纤纤芯高度的1/3～1/2高度，进行放电熔接，产生第一熔接点；间隔2～5cm后再次重复上述步骤，放电熔接产生第二熔接点；入射光依次通过两个熔接点产生分束干涉，形成MZ干涉结构。
优选地，在步骤四中，采用熔接机将上述两种结构级联，并实时检测温度及应变变化时的透射谱变化，利用两种光纤结构的不同滤波特性，实现温度与应变的传感测量。
本发明Corning SM-28普通光纤为制备基材，采用CO2激光刻写长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating,LPFG)，采用错位熔接法制备光纤马赫-增德尔(MZ)干涉型结构，利用两种光纤结构的不同滤波特性，实现温度与应变的传感测量。通过控制MZ干涉结构的干涉波谷位置，与LPFG级联后实现了级联结构透射谱特定波长的应变不灵敏，增强了双参数灵敏矩阵的实际可解性。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出了本发明的双参数光纤传感器的实验系统原理图。
图2(a)示出了本发明的双参数光纤传感器的LPFG结构的透射谱图；
图2(b))示出了本发明的双参数光纤传感器的MZ干涉结构的透射谱图；
图2(c)示出了本发明的双参数光纤传感器的级联结构的透射谱图。
图3(a)示出了升温过程本发明的双参数光纤传感器的LPFG结构的透射谱图；
图3(b)示出了升温过程本发明的双参数光纤传感器的MZ干涉结构的透射谱图；
图3(c)示出了升温过程本发明的双参数光纤传感器的级联结构的透射谱图。
图4(a)示出了升温过程本发明的双参数光纤传感器的LPFG结构的透射谱图；
图4(b)示出了升温过程本发明的双参数光纤传感器的MZ干涉结构的透射谱图
图4(c)示出了升温过程本发明的双参数光纤传感器的级联结构的透射谱图。
图5示出了本发明的双参数光纤传感器的LPFG结构温度特性曲线。
图6示出了本发明的双参数光纤传感器的MZ干涉结构温度特性曲线。
图7(a)示出了加载过程中双参数光纤传感器LPFG结构的透射谱图；
图7(b)示出了加载过程中双参数光纤传感器的MZ干涉结构的透射谱图
图7(c)示出了加载过程中双参数光纤传感器的级联结构的透射谱图。
图8(a)示出了卸载过程中双参数光纤传感器LPFG结构的透射谱图；
图8(b)示出了卸载过程中双参数光纤传感器的MZ干涉结构的透射谱图
图8(c)示出了卸载过程中双参数光纤传感器的级联结构的透射谱图。
图9示出了双参数光纤传感器的LPFG结构应变特性曲线。
图10示出了双参数光纤传感器的MZ干涉结构应变特性曲线。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
参见图1，本发明提供一种基于LPFG与MZ级联测量温度与应变的双参数传感器，包括级联的LPFG结构310和MZ结构320，所述MZ结构320包括第一单模光纤321、第二单模光纤322以及第三单模光纤323，所述第二单模光纤322的输入端口与所述第一单模光纤321的输出端口错位熔接、所述第二单模光纤322的输出端口与第三单模光纤323的输入端口错位熔接，所述LPFG结构310的输出端口与所述第一单模光纤321的输入端口相熔接。
其中，所述LPFG结构310的光栅周期为550μm，为采用CO2激光器在所述单模光纤上激光刻写得到。所述单模光纤采用Corning公司SMF-28单模光纤。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种基于LPFG与MZ级联测量温度与应变的双参数传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：采用单模光纤，将所述单模光纤去除涂覆层，用酒精清洁、风干，夹在光纤夹具上；具体地，所述单模光纤为Corning公司SMF-28单模光纤。
步骤二：采用CO2激光器加工所述单模光纤，得到光栅周期为550μm的长周期光纤光栅结构；
具体地，所述CO2激光器的激光束功率为1mV，加工速度为10m/s。
步骤三：采用错位熔接法制备得到光纤马赫-增德尔(MZ)干涉型结构；
具体地，所述错位熔接法的步骤为：首先将两光纤纤芯对准，将一光纤纤芯错位至另一光纤纤芯高度的1/3～1/2高度，进行放电熔接，产生第一熔接点；间隔2～5cm后再次重复上述步骤，放电熔接产生第二熔接点；入射光依次通过两个熔接点产生分束干涉，形成MZ干涉结构。
步骤四：通过控制MZ干涉结构的干涉波谷位置，将上述长周期光纤光栅结构和光纤马赫-增德尔(MZ)干涉结构进行级联，实现级联结构透射谱特定波长的应变不灵敏，增强双参数灵敏矩阵的实际可解性，进而得到双参数传感器。
具体地，采用熔接机将上述两种结构级联，并实时检测温度及应变变化时的透射谱变化，利用两种光纤结构的不同滤波特性，实现温度与应变的传感测量。
进一步地，参见图1，为本发明的级联结构测量系统，该系统包括C+L波段宽带光源100、环行器200、LPFG结构310、MZ干涉结构320、光谱仪400。其中，所述光谱仪400(YokogawaAQ6375)工作波长范围1200～2400nm，最小分辨精度为0.02nm。其中，LPFG结构310、MZ干涉结构320、级联后的双参数光纤传感器300的透射谱如图2所示。
由于LPFG与MZ干涉结构的不同透射滤波特性，该级联光纤传感器光谱范围内出现如图2(c)所示的敏感特征波长，记为dip A和dip B，且位置分别在1555.1nm和1557.4nm。后续实验中选取这两处特征波谷作为检测点，对两处波长漂移进行解调，验证该级联光栅结构的双参数传感特性。
本发明制得的双参数光纤传感器工作原理如下：
设外界温度为T，低耦合强度的LPFG光谱干涉峰谐振波长的温度灵敏性可表示为：
其中，λL是干涉条纹波长，Δm是光纤差分有效群折射率，是光纤纤芯与包层的有效折射率之差，αT是光纤的热膨胀系数。
′
设LPFG包层折射率为n2，当外界环境折射率从n3变为n3时，LPFG谐振波长的漂移量可表示为：
式中，r2是包层半径，U∞为0阶第一类贝塞尔函数J0的m阶根。
设外界温度T和应变ε发生变化时，光纤LPFG和光纤MZ干涉结构的透射谱波长变化与温度变化ΔT、浓度变化Δε存在如下相关关系：
其中：KT1、Kε2分别为LPFG的温度灵敏系数、应变灵敏系数；KT2、Kε2分别为光纤MZ干涉结构的温度灵敏系数、应变灵敏系数。
由可得，LPFG与光纤MZ干涉结构的温度、应变、波长漂移存在如下关系：
对求其逆矩阵，可得
由可知，若已知该光纤传感器对温度与应变变化的灵敏度，即可通过光谱仪监测透射谱波长变化，代入计算求解。在实际求解计算中，两组光纤结构的灵敏度系数差异越大，温度与应变的无串扰监测与传感越可靠。
以下对本发明的双参数光纤传感器的传感特性进行实验分析。
温度传感特性
将LPFG级联MZ干涉结构的双参数光纤传感器固定在温度控制台上，使用精密温控单元进行加热和降温，待测温度范围为35℃～70℃，步长5℃，待温度稳定后记录光谱仪中光谱数据，检测传感器的波长偏移量。
升温过程双参数光纤传感器透射光谱如图3所示，其中，图3(c)为1540nm～1580nm光谱范围内透射光谱随温度变化图，图3(a)、图3(b)分别为LPFG、MZ干涉结构的温度变化细节图。结合实验数据可知，在35℃温度变化范围内，LPFG特征波长由1555.55nm变至1556.9nm，MZ干涉结构特征波长由1571.3nm变至1572.65nm。由图中可知，该双光栅级联结构的两个特征波谷随温度升高均有漂移，且变化趋势相同，均发生红移。
相似地，降温过程双参数光纤传感器透射光谱如图4所示，级联结构透射谱、LPFG细节图、MZ干涉结构细节图分别如图4(c)、图4(a)、图4(b)所示。结合实验数据可知，在35℃温度变化范围内，LPFG波长由1556.9nm变至1555.55nm，MZ干涉结构波长由1572.65nm变至1571.3nm。由图中可知，该双光栅级联结构的两个特征波谷随温度降低均有漂移，且变化趋势相同，均发生蓝移。
以温度变化为横轴，以波谷位置为纵轴，绘制如图5、图6所示的升温、降温过程温度响应特性曲线。由实验结果可知，当温度由35℃升至70℃时，LPFG特征波长线性增加，灵敏度38.57pm/℃，线性度0.9996；MZ干涉结构特征波长线性增加，灵敏度38.57pm/℃，线性度0.9964。当温度由70℃降至35℃时，LPFG特征波长波长线性减小，灵敏度39.17pm/℃，线性度0.9989；MZ干涉结构特征波长线性减小，灵敏度为37.50pm/℃，线性度0.9917。
应变传感特性
以厚度2mm、中心线280mm的航铝7075-0等强度梁为测试基体，将本文双参数光纤传感器的LPFG与MZ干涉结构对称粘贴于等强度梁中心线两侧。粘贴前对LPFG与MZ干涉结构进行一定预紧，用低温胶将其固定，并于室温下固化24小时。为保证实验环境的洁净度与温湿度，本文实验均在恒温25℃的超净间环境内完成。实验中，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LPFG和MZ干涉结构透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，用光谱仪采集数据。加载或卸载过程中对应的应变范围为0～450με，步长50με，加载及卸载过程波长变化如图7、图8所示。
由图7、图8及其细节图可以看出，当应变变化时，该光纤传感器的LPFG结构特征波长不随之漂移，只表现为功率的微小波动；MZ干涉结构的特征波长随之发生变化，且应变增加时出现红移，应变减小时出现蓝移。当应变由0με增至450με时，LPFG结构特征波长基本稳定在1555.55nm，MZ干涉结构特征波长由1569.95nm增至1571.75nm。当应变由450με减至0με时，LPFG结构特征波长稳定在1555.55nm，MZ干涉结构特征波长由1571.75nm降至1569.5nm。以应变变化为横轴，以特征波长为纵轴，绘制如图9、图10所示的载荷变化过程应变响应特性曲线。
由实验结果可知，LPFG特征波长对应变不敏感，当应变由0με增至450με时，MZ干涉结构特征波长线性增加，灵敏度4.01pm/με，线性度0.9614。当应变由450με降至0με时，MZ干涉结构特征波长线性减小，灵敏度为4.24pm/με，线性度0.9149。
综上所述，该双参数光纤传感器中，LPFG仅对温度敏感，MZ干涉结构对温度和应变都敏感。其中，温度范围35℃～70℃时，LPFG特征波长升温灵敏度38.57pm/℃，降温灵敏度39.17pm/℃；MZ干涉结构特征波长升温灵敏度38.57pm/℃，降温灵敏度为37.50pm/℃。当应变范围0με～450με时，MZ干涉结构加载灵敏度4.01pm/με，卸载灵敏度为4.24pm/με。由于存在回程误差，对上述参数取平均值作为相应的灵敏度系数并代入，可以得到该光纤传感器的温度应变传感矩阵方程为：
在实际测量中，通过解调该光纤传感器的波长变化值，代入双参数传感矩阵，即可实时解算环境温度与应变变化，实现对温度和应变的双参量动态测量。
本发明以Corning SM-28普通光纤为制备基材，介绍了CO2激光刻写LPFG、与错位熔接MZ干涉结构级联，利用两种光纤结构的不同滤波特性，实现温度与应变的传感测量。通过控制MZ干涉结构的干涉波谷位置，与LPFG级联后实现了级联结构透射谱特定波长的应变不灵敏，增强了双参数灵敏矩阵的实际可解性。分别搭建温度和应变测试系统，对该传感器的双参数测量进行研究，建立了该光纤双参数传感器温度/应变与光谱特征位置波长变化之间的无串扰双参数传感数学模型，通过双参数灵敏度系数矩阵便可以实时解算环境温度和应变变化。本发明提出的双参数光纤传感器结构形式简单，稳定性好，灵敏度高，是实现单根光纤双参数测量的有效手段。
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。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (8)

1.一种基于LPFG与MZ级联测量温度与应变的双参数传感器，其特征在于，包括级联的LPFG结构和MZ干涉结构，所述MZ干涉结构包括第一单模光纤、第二单模光纤以及第三单模光纤；
所述第二单模光纤的输入端口与所述第一单模光纤的输出端口错位熔接、所述第二单模光纤的输出端口与第三单模光纤的输入端口错位熔接，所述长周期光纤光栅结构的输出端口与所述第一单模光纤的输入端口相熔接。
2.根据权利要求1所述的双参数传感器，其特征在于，所述长周期光纤光栅结构的光栅周期为550μm，为采用CO2激光器在所述单模光纤上激光刻写得到。
3.根据权利要求1所述的双参数传感器，其特征在于，所述单模光纤采用SMF-28单模光纤。
4.一种基于LPFG与MZ级联测量温度与应变的双参数传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：采用单模光纤，将所述单模光纤去除涂覆层，用酒精清洁、风干，夹在光纤夹具上；
步骤二：采用CO2激光器加工所述单模光纤，得到光栅周期为550μm的长周期光纤光栅结构；
步骤三：采用错位熔接法制备得到MZ干涉结构；
步骤四：通过控制MZ干涉结构的干涉波谷位置，将上述LPFG结构和MZ干涉结构进行级联，实现级联结构透射谱特定波长的应变不灵敏，增强双参数灵敏矩阵的实际可解性，进而得到双参数传感器。
5.根据权利要求4所述的双参数传感器的制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述单模光纤为SMF-28单模光纤。
6.根据权利要求4所述的双参数传感器的制备方法，其特征在于，在步骤二中，所述CO2激光器的激光束功率为1mV，加工速度为10m/s。
7.根据权利要求4所述的双参数传感器的制备方法，其特征在于，在步骤三中，错位熔接法的步骤为：首先将两光纤纤芯对准，将一光纤纤芯错位至另一光纤纤芯高度的1/3～1/2高度，进行放电熔接，产生第一熔接点；间隔2～5cm后再次重复上述步骤，放电熔接产生第二熔接点；入射光依次通过两个熔接点产生分束干涉，形成MZ干涉结构。
8.根据权利要求4所述的双参数传感器的制备方法，其特征在于，在步骤四中，采用熔接机将上述两种结构级联，并实时检测温度及应变变化时的透射谱变化，利用两种光纤结构的不同滤波特性，实现温度与应变的传感测量。
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