CN108279029A - 基于lpfg和fbg级联结构的双参数光纤传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于LPFG和FBG级联结构的双参数光纤传感器及其制备方法，将LPFG与FBG级联，同时改变温度和施加应力，两支光栅的中心波长都会因温度或应变而发生漂移，由于两支光栅的光栅周期、包层热光系数、有效弹光系数等都不同，因此两支光栅的温度灵敏度与应变灵敏度也不同。只要确定灵敏系数矩阵，保证两支光栅的中心波长差别足够大，即可通过LPFG和FBG的波长变化值求解方程得到相应的温度与应变，实现双参数测量。本发明提出的双参数光纤传感器结构简单，稳定性好，灵敏度高，无需对FBG进行特殊写制，是解决单根光纤双参数测量的有效手段。
Description
技术领域
本发明涉及双参数光纤传感领域，特别涉及一种基于LPFG和FBG级联结构的双参数光纤传感器及其制备方法。
背景技术
光纤传感技术是20世纪70年代发展起来的新型传感技术，通过调制光纤中传输光的强度、相位、波长、偏振态并对这些变化进行监测，实现对温度、应变、压力、声振动、角速度等多种参量的测量。由于光纤传感器具有体积小、重量轻、测量灵敏度高、复用能力强、抗电磁干扰、易于嵌入材料内部等诸多优点，近年来受到广泛关注，成为传感技术研究领域的热点之一。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，特别是在航空航天领域的极端应用环境下，光纤传感器的独特优势更加凸显。作为未来国防航空航天关键技术，航空航天光纤传感技术的研究具有重要的学术价值和应用前景，对航空航天工业的发展具有重要意义。
大型航空航天飞行器运行过程中，应变与温度是两类重要的监测对象，也是其他物理量传感的技术基础。由于实际应用过程中交叉敏感问题普遍存在，近年来双参数传感器的研究受到广泛的关注。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，以0.01折射率变化为单位(Refractive Index Unit,RIU)，该传感器快慢轴折射率灵敏度分别为-1.06％/0.01RIU和-0.96％/0.01RIU,温度灵敏度为10.52pm/℃和10.13pm/℃。2012年，西北工业大学邵敏等人利用长周期光纤光栅(LongPeriod Fiber Grating,LPFG)和保偏光纤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，该系统温度灵敏度0.1286nm/℃，折射率灵敏度49.38dB/RIU。2014年JianyingYuan等人利用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(FiberBragg Grating,FBG)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。2016年，ShengnanWu等人通过FBG连接侧面开口的光纤法布里-珀罗谐振腔，并应用于气体压力及温度测量，气体压力灵敏度分别为4.063pm/kPa和4.071pm/kPa，温度交叉敏感度分别为214Pa/℃和204Pa/℃。2017年，天津大学徐德刚设计了一种基于级联保偏光纤和LPFG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，需要一种能够有效解决应变、温度交叉影响的问题，实现单根光纤双参数测量的基于LPFG和FBG级联结构的双参数光纤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和FBG级联结构的双参数光纤传感器，包括第一单模光纤和第二单模光纤，所述第一单模光纤包括LPFG结构，所述第二单模光纤包括FBG结构，所述第一单模光纤与第二单模光纤级联连接；
优选地，所述LPFG结构的光栅周期为200μm。
优选地，所述FBG结构的光栅周期为200μm。
优选地，所述单模光纤采用Corning公司SMF-28单模光纤。
优选地，所述LPFG为采用CO2激光器进行刻写制得，所述CO2激光器的飞秒激光功率设为50μW，加工速度10m/s，光栅周期200μm，占空比为0.5。
本发明提出的级联结构紧凑简单、稳定性高，通过将LPFG与FBG级联，利用两支光栅的不同滤波特性进行测量和解调，一体实现双参数传感。
其中，LPFG的模式耦合是纤芯基模与同向包层模的耦合，其导模与某一包层模耦合的耦合波长为：
式中，λLPFG是LPFG的干涉条纹波长，neff和分别为导模和第p阶包层模的有效折射率，ΛLPFG为LPFG光栅周期。
当外界温度为T时，低耦合强度的C+L波段的LPFG光谱干涉峰谐振波长的温度灵敏度可表示为
其中，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，nco是光纤纤芯的有效折射率，αT是光纤的热膨胀系数。
FBG对于温度单独变化所引起的反射波长改变的温度灵敏度为：
其中，λFBG是FBG的干涉条纹波长，ζT是光纤的热光系数。
由公式与可知，当温度单独变化时，LPFG的温度变化灵敏度仍包含有效折射率之差与外界温度变化的微分量，故与相比于LPFG，FBG具有更高的温度灵敏度。
当应变ε单独变化时，引起的LPFG与FBG耦合波长偏移量分别为：
其中，nFBG为FBG的有效折射率，ρ11和ρ12为光纤应力张量的分量，ν为泊松系数。
对于发明提出的级联结构而言，应变、温度交叉灵敏度的影响主要体现在λLPFG(T,ε)与λFBG(T,ε)的Taylor展开式的二阶交叉项。在大应变范围和高温升情况下，必须考虑该项非线性因素。在本发明提出的应变和温度范围内，该项交叉影响较小。将LPFG与FBG级联，同时改变温度和施加应力，两支光栅的中心波长都会因温度或应变而发生漂移，由于两支光栅的光栅周期、包层热光系数、有效弹光系数等都不同，因此两支光栅的温度灵敏度与应变灵敏度也不同。只要确定灵敏系数矩阵，保证两支光栅的中心波长差别足够大，即可通过LPFG和FBG的波长变化值求解方程得到相应的温度与应变，实现双参数测量。
设外界温度T和应变ε发生变化时，光纤LPFG和FBG的透射谱波长变化ΔλLPFG、ΔλFBG与温度变化ΔT、应变变化Δε的相关关系可表述如下：
其中：K11、K12分别为LPFG的温度灵敏系数、应变灵敏系数；K21、K22分别为FBG的温度灵敏系数、应变灵敏系数。
由可得，LPFG与FBG的温度、应变、波长漂移存在如下关系：
对求其逆矩阵，可得
即，要测得该光纤传感器对温度与应变变化的灵敏度，可通过光谱仪监测透射谱波长变化，代入对外界环境温度与应变进行监测，实现温度与应变的双参数测量。
本发明还提供一种基于LPFG和FBG级联结构的双参数光纤传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：采用单模光纤，将光纤去除涂覆层，用酒精清洁，风干，夹至光纤夹具上；
步骤二：采用CO2激光器将第一单模光纤进行刻写，得到光栅周期为200μm的LPFG结构；
步骤三：采用CO2激光器将第二单模光纤进行刻写，得到FBG结构；
步骤四：采用熔接机将所述第一单模光纤和第二单模光纤进行级联，得到本发明所述的双参数光纤传感器。
优选地，所述单模光纤采用Corning公司SMF-28单模光纤。
优选地，所述CO2激光器的飞秒激光功率设置为50μW，加工速度10m/s，光栅周期200μm，占空比为0.5。
本发明的基于飞秒激光直写加工LPFG级联FBG结构实现温度和应变双参数实时监测的光纤传感器，将LPFG与FBG级联，同时改变温度和施加应力，两支光栅的中心波长都会因温度或应变而发生漂移，由于两支光栅的光栅周期、包层热光系数、有效弹光系数等都不同，因此两支光栅的温度灵敏度与应变灵敏度也不同。只要确定灵敏系数矩阵，保证两支光栅的中心波长差别足够大，即可通过LPFG和FBG的波长变化值求解方程得到相应的温度与应变，实现双参数测量。
本发明提出的双参数光纤传感器结构简单，稳定性好，灵敏度高，无需对FBG进行特殊写制，是解决单根光纤双参数测量的有效手段，同时，对复杂环境下的多参数耦合测量与解耦也具有重要的参考价值。
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示出了本发明的所述双参数光纤传感器实验系统结构示意图。
图2示出了本发明的所述双参数光纤传感器的透射谱图。
图3(a)示出了升温过程中本发明的所述双参数光纤传感器的FBG结构的特征波长的透射光谱图；
图3(b)示出了升温过程中本发明的所述双参数光纤传感器的LPFG结构的特征波长的透射光谱图。
图4(a)示出了降温过程中本发明的所述双参数光纤传感器的FBG结构的特征波长的透射光谱图；
图4(b)示出了降温过程中本发明的所述双参数光纤传感器的LPFG结构的特征波长的透射光谱图。
图5(a)示出了本发明的所述双参数光纤传感器的FBG结构的温度响应特性曲线；
图5(b)示出了本发明的所述双参数光纤传感器的LPFG结构的温度响应特性曲线。
图6(a)示出了加载过程中本发明的所述双参数光纤传感器的FBG结构的特征波长的透射光谱图；
图6(b)示出了加载过程中本发明的所述双参数光纤传感器的LPFG结构的特征波长的透射光谱图。
图7(a)示出了卸载过程中本发明的所述双参数光纤传感器的FBG结构的特征波长的透射光谱图；
图7(b)示出了卸载过程中本发明的所述双参数光纤传感器的LPFG结构的特征波长的透射光谱图。
图8(a)示出了本发明的所述双参数光纤传感器的FBG结构的应变响应特性曲线；
图8(b)示出了本发明的所述双参数光纤传感器的LPFG结构的温应变响应特性曲线。
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。
本发明提供一种基于LPFG和FBG级联结构的双参数光纤传感器，包括第一单模光纤和第二单模光纤，所述第一单模光纤包括FBG结构，所述第二单模光纤包括LPFG结构，所述第一单模光纤与第二单模光纤级联连接；其中，所述LPFG结构的光栅周期为200μm。所述FBG结构的光栅周期为200μm。所述单模光纤采用Corning公司SMF-28单模光纤。
其中，所述LPFG为采用CO2激光器进行刻写制得，所述CO2激光器的飞秒激光功率设为50μW，加工速度10m/s，光栅周期200μm，占空比为0.5。
本发明提出的级联结构紧凑简单、稳定性高，通过将LPFG与FBG级联，利用两支光栅的不同滤波特性进行测量和解调，一体实现温度和应变双参数传感。
所述LPFG的模式耦合是纤芯基模与同向包层模的耦合，所以它的谐振波长与损耗峰的能量对外界环境的温度、折射率、弯曲、应变等物理量极其敏感。外界环境的浓度变化时，环境的折射率随之变化，LPFG纤芯基模与包层模的有效折射率也会随之变化，所以LPFG可以对外界溶液的浓度进行测量。
所述FBG的反射光的中心波长与光栅周期和纤芯有效折射率的大小有关，应变、温度会引起光栅周期的改变，并且弹光效应、热光效应和环境折射率也将使得光纤的纤芯基模和包层模的有效折射率发生改变。
本发明还提供一种基于LPFG和FBG级联结构的双参数光纤传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：采用单模光纤，将光纤去除涂覆层，用酒精清洁，风干，夹至光纤夹具上；
具体地，所述单模光纤包括第一单模光纤和第二单模光纤，所述单模光纤采用Corning公司SMF-28单模光纤。
步骤二：采用CO2激光器将第一单模光纤进行刻写，得到得到FBG结构；
步骤三：采用CO2激光器将第二单模光纤进行刻写，得到光栅周期为200μm的LPFG结构；
具体地，所述CO2激光器的飞秒激光功率设置为50μW，加工速度10m/s，光栅周期200μm，占空比为0.5。
步骤四：采用熔接机将所述第一单模光纤和第二单模光纤进行级联，得到本发明所述的双参数光纤传感器。
参见图1，为本发明设计的级联结构测量系统,，该系统包括C+L波段宽带光源(BBS)100、环行器200、LPFG和FBG级联结构300、第一光谱仪410和第二光谱仪420，所述C+L波段宽带光源100通过环行器200依次与FBG和LPFG级联结构300相连接，所述LPFG结构320的输出端口与第二光谱仪420连接，所述环行器200还与第一光谱仪410连接。
具体地，所述光谱仪采用Yokogawa AQ6375，工作波长范围1200～2400nm，最小分辨精度为0.02nm。由于FBG结构310具有反射滤波特性，LPFG结构320具有透射滤波特性，故在第一光谱仪端410观测的反射谱不受LPFG影响，而在第二光谱仪420端观测到的是两支光栅共同滤波后的透射谱。
由第二光谱仪端420可观测到透射光谱如图2所示。由于两支光栅的滤波作用，使得该级联光纤传感器透射光谱范围内出现两个明显波谷，其中，FBG结构310波谷位置为1551.9nm，最高对比度为-6.1dB；LPFG波谷位置为1559.1nm，最高对比度为-12.7dB。实验选取FBG结构310和LPFG结构320的波谷作为检测点，对该两处波长漂移进行解调，验证该传感器的双参数传感特性。
以下对本发明的所述双参数光纤传感器的双参数特性进行分析研究。
温度特性
将所述双参数光纤传感器固定在薄的导热片上，连入温度测试系统，并使用精密温控台对导热片进行加热和降温。为减小环境误差，本实验在恒温恒湿的超净间环境中进行。
温度变化范围为30℃～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、降温过程本发明的所述双参数光纤传感器的透射光谱如图3、图4所示。为清晰计，取光谱范围1550nm～1566nm。
由图3、图4及其细节可以看出：该双参数光纤传感器的两个特征波谷随温度变化均有漂移，且变化趋势相异。参见图3(a)、图3(b)，当温度升高时，FBG波谷位置发生红移，LPFG波谷位置发生蓝移；参见图4(a)、图4(b)，当温度降低时，FBG波谷位置发生蓝移，LPFG波谷位置发生红移。
以温度变化为横轴，以波谷位置为纵轴，绘制如图5(a)、图5(b)所示的升温、降温过程温度响应特性曲线。由图可知，当温度由30℃升至70℃时，FBG中心波长线性增加，由1552.0125nm增至1552.5750nm，灵敏度15.00pm/℃，线性度0.9813；LPFG中心波长线性减小，由1559.0625nm降至1558.6625nm，灵敏度-11.75pm/℃，线性度0.9453。当温度由70℃降至30℃时，FBG中心波长线性减小，由1552.5750nm降至1551.8625nm，灵敏度18.25pm/℃，线性度0.9538；LPFG中心波长线性增加，由1558.6625nm增至1559.3000nm，灵敏度为-15.42pm/℃，线性度0.9802。具体参数列入表1中。
表1传感器温度特性参数
应变特性
以厚度2mm、中心线280mm的航铝7075-0等强度梁为测试基体，将本发明双参数光纤传感器的LPFG与FBG对称粘贴于等强度梁中心线两侧。粘贴前对LPFG与FBG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，本发明实验均在恒温25℃的超净间环境内完成。
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LPFG和FBG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0～500με，步长为20με。
图6、图7是分别处于应变环境中的传感系统透射光谱图，为清晰计，分别取0με、100με、200με、300με、400με、500με时的数据做图。由图6、图7及其细节可以看出，该光纤传感器的两个特征波谷随应变变化均有漂移，且变化趋势相异。参见图6(a)、图6(b)，在加载过程应变增加时，FBG波谷位置发生红移，LPFG波谷位置发生蓝移；参见图7(a)、图7(b)，在卸载过程应变减小时，FBG波谷位置发生蓝移，LPFG波谷位置发生红移。
以应变变化为横轴，以波谷位置为纵轴，绘制如图8(a)、8(b)所示的载荷变化过程应变响应特性曲线；由图可知：当应变由0με增至500με时，FBG中心波长线性增加，由1551.7875nm增至1552.2750nm，灵敏度0.93pm/με，线性度0.9915；LPFG中心波长线性减小，由1559.2875nm降至1558.5000nm，灵敏度-1.51pm/με，线性度0.9863。当应变由500με降至0με时，FBG中心波长线性减小，由1552.2750nm降至1551.7875nm，灵敏度0.92pm/με，线性度0.9909；LPFG中心波长线性增加，由1558.5000nm增至1559.4000nm，灵敏度-1.51pm/με，线性度0.9728。具体参数列入表2中。
表2传感器温度特性参数
综上所述，该系统发生温度或应变时，FBG与LPFG的变化趋势相异。其中，FBG的升温与降温灵敏度分别为15.00pm/℃和18.25pm/℃，LPFG的升温与降温灵敏度分别为-11.75pm/℃和-15.42pm/℃。FBG的加载与卸载灵敏度分别为0.93pm/με和0.92pm/με，LPFG的加载与卸载灵敏度均为-1.51pm/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，可以得到该双参数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，代入温度应变传感矩阵，即可实现结算环境温度与应变，实现温度和应变双参数动态测量。
本发明的基于飞秒激光直写加工LPFG级联FBG结构实现温度和应变双参数实时监测的光纤传感器，将LPFG与FBG级联，同时改变温度和施加应力，两支光栅的中心波长都会因温度或应变而发生漂移，由于两支光栅的光栅周期、包层热光系数、有效弹光系数等都不同，因此两支光栅的温度灵敏度与应变灵敏度也不同。只要确定灵敏系数矩阵，保证两支光栅的中心波长差别足够大，即可通过LPFG和FBG的波长变化值求解方程得到相应的温度与应变，实现双参数测量。本发明提出的双参数光纤传感器结构简单，稳定性好，灵敏度高，无需对FBG进行特殊写制，是解决单根光纤双参数测量的有效手段，同时，对复杂环境下的多参数耦合测量与解耦也具有重要的参考价值。
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。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 (9)
1.一种基于LPFG和FBG级联结构的双参数光纤传感器，其特征在于，包括第一单模光纤和第二单模光纤，所述第一单模光纤包括LPFG结构，所述第二单模光纤包括FBG结构，所述第一单模光纤与第二单模光纤级联连接。
2.根据权利要求1所述的双参数光纤传感器，其特征在于，所述LPFG结构的光栅周期为200μm。
3.根据权利要求1所述的双参数光纤传感器，其特征在于，所述FBG结构的光栅周期为200μm。
4.根据权利要求1所述的双参数光纤传感器，其特征在于，所述单模光纤采用SMF-28单模光纤。
5.根据权利要求1所述的双参数光纤传感器，其特征在于，所述LPFG为采用CO2激光器进行刻写制得，所述CO2激光器的飞秒激光功率设为50μW，加工速度10m/s，光栅周期200μm，占空比为0.5。
6.根据权利要求1所述的双参数光纤传感器，其特征在于，所述双参数光纤传感器通过LPFG和FBG的波长变化值求解方程得到相应的温度与应变，实现双参数测量，具体过程如下：
LPFG的模式耦合是纤芯基模与同向包层模的耦合，其导模与某一包层模耦合的耦合波长为：
式中，λLPFG是LPFG的干涉条纹波长，neff和分别为导模和第p阶包层模的有效折射率，ΛLPFG为LPFG光栅周期；
当外界温度为T时，低耦合强度的C+L波段的LPFG光谱干涉峰谐振波长的温度灵敏度可表示为：
其中，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，nco是光纤纤芯的有效折射率，αT是光纤的热膨胀系数；
FBG对于温度单独变化所引起的反射波长改变的温度灵敏度为：
其中，λFBG是FBG的干涉条纹波长，ζT是光纤的热光系数；
由公式与可知，当温度单独变化时，LPFG的温度变化灵敏度仍包含有效折射率之差与外界温度变化的微分量，故与相比于LPFG，FBG具有更高的温度灵敏度；
当应变ε单独变化时，引起的LPFG与FBG耦合波长偏移量分别为：
其中，nFBG为FBG的有效折射率，ρ11和ρ12为光纤应力张量的分量，ν为泊松系数；
设外界温度T和应变ε发生变化时，光纤LPFG和FBG的透射谱波长变化ΔλLPFG、ΔλFBG与温度变化ΔT、应变变化Δε的相关关系可表述如下：
其中：K11、K12分别为LPFG的温度灵敏系数、应变灵敏系数；K21、K22分别为FBG的温度灵敏系数、应变灵敏系数；
由可得，LPFG与FBG的温度、应变、波长漂移存在如下关系：
对求其逆矩阵，可得
即通过光谱仪监测透射谱波长变化，测得该光纤传感器对温度与应变变化的灵敏度，代入对外界环境温度与应变进行监测，实现温度与应变的双参数测量。
7.根据权利要求1所述的双参数光纤传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：采用单模光纤，将光纤去除涂覆层，用酒精清洁，风干，夹至光纤夹具上；
步骤二：采用CO2激光器将第一单模光纤进行刻写，得到光栅周期为200μm的LPFG结构；
步骤三：采用CO2激光器将第二单模光纤进行刻写，得到FBG结构；
步骤四：采用熔接机将所述第一单模光纤和第二单模光纤进行级联，得到本发明所述的双参数光纤传感器。
8.根据权利要求7所述的双参数光纤传感器的制备方法，其特征在于，所述单模光纤采用SMF-28单模光纤。
9.根据权利要求7所述的双参数光纤传感器的制备方法，其特征在于，所述CO2激光器的飞秒激光功率设置为50μW，加工速度10m/s，光栅周期200μm，占空比为0.5。
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