CN109709070A - 复合光纤光栅传感器及其折射率和温度双参量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合光纤光栅传感器及其折射率和温度双参量测量方法，该传感器结构包括单模光纤(1)及单模光纤纤芯(2)，在所述单模光纤纤芯(2)沿水平方向上设置由长周期光栅(3)和倾斜光栅(4)构成混合光栅；入射光(5)入射到混合光栅，之后出射光(6)进入光波测量系统；得到倾斜光栅折射率测量因子的波长偏移量，然后通过灵敏度系数反演得到实际灵敏度值；之后用该实际灵敏度值补偿长周期光栅双参量测量因子中折射率导致的波长偏移，进而得到被测温度，实现了折射率和温度双参量测量。本发明实现了两种参量的同时测量，结构简单、降低了计算量，同时兼具了传统长周期光栅高折射率灵敏度的优点和倾斜光栅高温度灵敏度的优点。

Description

复合光纤光栅传感器及其折射率和温度双参量测量方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于光纤光栅理论的全光纤折射率和温度双参量传感器及测量方法。

背景技术

光纤光栅传感系统是以光为载体，光纤为媒介，使用具有质轻径细、耐腐蚀、复用能力强、抗电磁干扰等优点的光纤光栅传感器进行传感测量的系统。光纤光栅传感器的反射波长与传感器上作用的应力应变、温度和折射率等物理参量有关，通过测量传感器的反射波长即可对传感器上作用的物理参量进行测量。相比传统传感技术，光纤传感技术具有测量范围宽、高精度和高分辨率的特点，在强电磁干扰、易燃易爆或热真空等严酷环境下更具优势。

当前已研制出多种光纤折射率传感器，主要有光纤布拉格光栅、光纤微干涉仪、表面等离子体共振和光子晶体光纤等等。但这类传感器的性能都受环境温度的影响，温度和折射率之间的交叉灵敏限制了这类折射率传感器的实际应用。此外，大多数被测物的折射率都与温度有关，进而使得通过监测折射率变化来掌握被测物情况变得非常困难。因此非常有必要对折射率和温度进行同时测量。目前已有许多用于折射率和温度双参量传感的光纤传感器，包括锥形光纤、法布里-珀罗干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪、萨格纳克循环镜和表面等离子体共振等。然而这些传感器的灵敏度较低，难以满足测量需求。此外，部分结构的加工需要经过化学蚀刻或锥形处理来使得更多的光场泄露到包层外，这种处理方法降低了传感器的机械强度。基于表面等离子体共振的传感器具有较高的灵敏度，但通常需要涂覆金属薄膜，制造难度较大，成本较高。

除了上述这些传感器外，长周期光纤光栅和倾斜光纤布拉格光栅都可以将来自光纤纤芯的光通过包层模的形式耦合到外界环境，并与周围介质相互作用，因此可应用于折射率和温度传感。其中，倾斜光纤布拉格光栅具有较高的折射率灵敏度，而长周期光纤光栅具有较高的温度灵敏度。然而由于折射率和温度的交叉敏感性导致单独使用倾斜光纤布拉格光栅或长周期光纤光栅都无法实现温度和折射率的双参量测量。

发明内容

为了克服现有传感器存在的不足，并提高测试灵敏度和稳定性，本发明提出了一种复合光纤光栅传感器及其折射率和温度双参量测量方法，通过监测传感器透射光谱中的谐振波长即可同时得到被测折射率和温度值。

本发明的一种复合光纤光栅传感器，该传感器结构包括单模光纤1及单模光纤纤芯2，在所述单模光纤纤芯2沿水平方向上设置由长周期光栅3和倾斜光栅4构成混合光栅，入射光5入射到混合光栅，形成从位于光路最后位置的倾斜光栅出射的出射光6；其中：

所述长周期光栅3沿所述单模光纤纤芯2的水平方向以一个光栅周期的间隔处重复地设置，所述长周期光栅表面设置有长周期光栅包层模9；所述倾斜光栅4在所述间隔处的光纤区域重复形成，所述倾斜光栅4具有倾斜光栅纤芯；每个所述倾斜光栅4的一个端面设置倾斜光栅包层模7，所述倾斜光栅纤芯表面设置倾斜光栅纤芯模8。

本发明的一种基于复合光纤光栅传感器的制作方法，具体包括以下步骤：

步骤1、通过逐点写入法刻写长周期光栅3，具体过程为：激光光束经柱面镜聚焦后在单模光纤1侧面上曝光，在单模光纤纤芯2写入一个光栅条纹；之后，将单模光纤1水平移动一个光栅周期的距离再对下一点进行曝光，这一过程不断重复直到写完所有的光栅条纹为止；

步骤2、将刻写有长周期光栅3的单模光纤1进行载氢处理；

步骤3、将刻写有长周期光栅3且经过载氢处理的单模光纤1固定到位移台上，利用紫外光作为刻写倾斜光栅4的光源，紫外光经过掩膜板相位调制后发生衍射形成干涉条纹，进而对待刻单模光纤1进行曝光，紫外光在单模光纤1上的曝光范围正好在长周期光栅3的刻写长度内，进而在刻写长周期光栅3的光纤区域形成倾斜光栅4；通过调整光纤和掩膜板之间的角度来得到不同倾斜角度的倾斜光栅4。

本发明的一种利用复合光纤光栅传感器的折射率和温度双参量测量方法，具体包括以下过程：

第一步、入射光(5)入射到混合光栅，之后出射光(6)进入光波测量系统；

第二步、使用信号分离算法将混合光栅光谱信号进行分离，分别得到长周期光栅光谱和倾斜光栅光谱；

第三步、将倾斜光栅包层模(7)谐振波长与倾斜光栅纤芯模(8)谐振波长间的波长差作为不受温度影响的折射率测量因子，记为倾斜光栅折射率测量因子；

第四步、将长周期光栅(3)的包层模谐振波长(4)同时作为折射率和温度测量因子，记为长周期光栅双参量测量因子；

第五步、在恒温环境下进行折射率测量，得到倾斜光栅折射率测量因子的折射率灵敏度系数；具体过程为：将混合光栅固定于载玻片上，在混合光栅上滴加不同折射率的液体，实时观察光谱变化，待光谱稳定后记录光谱，并从光谱中分别求得长周期光栅双参量测量因子和倾斜光栅折射率测量因子的波长偏移，根据已知折射率和波长偏移量计算得到折射率灵敏度系数；

第六步、在恒定折射率环境下进行温度测量，得到长周期光栅双参量测量因子的温度灵敏度系数；具体过程为：将混合光栅固定于恒温箱中，光栅周围为空气，所以环境折射率稳定为1；调整恒温箱温度，实时观察光谱变化，待光谱稳定后记录光谱，并从光谱中求得长周期光栅双参量测量因子的波长偏移；根据已知温度和波长偏移量计算得到温度灵敏度系数；

第七步、基于灵敏度系数标定，对温度和折射率进行双参量测量；首先记录混合光栅在空气中的透射光谱，然后将混合光栅置于被测环境中，记录通过混合光栅的透射光谱，通过对比空气中和被测环境中的透射光谱，得到倾斜光栅折射率测量因子的波长偏移量，然后通过第五步中得到的折射率灵敏度系数，根据倾斜光栅折射率测量因子的波长偏移计算得到被测环境的折射率值；之后用该折射率值补偿长周期光栅双参量测量因子中折射率导致的波长偏移，进而得到只受温度影响下的长周期光栅双参量测量因子的波长偏移量，通过第六步中的温度灵敏度系数，计算得到被测环境的温度值，从而实现了折射率和温度双参量测量。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下：

1、本发明采用激光曝光在光纤中形成混合光栅，无须经过熔接、拉锥或化学蚀刻等加工步骤，结构简单，性能可靠。

2、本发明将倾斜光栅包层模谐振波长和纤芯模谐振波长的波长差来测量灵敏度，避免了温度的影响，降低了计算量，实现了两种参量的同时测量；同时兼具了传统长周期光栅高折射率灵敏度的优点和倾斜光栅高温度灵敏度的优点。

附图说明

图1为本发明的一种用于折射率和温度双参量测量的复合光纤光栅传感器示意图。

图2为本发明的一种用于折射率和温度双参量测量的复合光纤光栅传感器在实施例一中的透射光谱示意图；

图3为本发明的一种用于折射率和温度双参量测量的复合光纤光栅传感器在实施例1中传感器的透射光谱在使用信号分离算法得到的长周期光栅光谱和倾斜光栅光谱示意图；

图4为本发明的一种用于折射率和温度双参量测量的复合光纤光栅传感器在实施例1中传感器的透射光谱和分离得到的倾斜光栅光谱在不同折射率下的响应示意图；

图5为本发明的一种用于折射率和温度双参量测量的复合光纤光栅传感器在实施例1中所述传感器的透射光谱分离得到的长周期光栅光谱中的长周期光栅包层模谐振波长在不同温度下的响应。

附图标记：1、单模光纤，2、纤芯，3、长周期光栅，4、倾斜光栅，5、入射光，6出射光，7、倾斜光栅包层模，8、倾斜光栅纤芯模，9、长周期光栅包层模。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

混合光栅由长周期光栅和倾斜光栅组成，由于两种光栅的包层模波长同时对折射率和温度敏感，而传感原理不同，因此

实施例1：一种用于折射率和温度双参量测量的复合光纤光栅传感器的结构与制作

如图1所示，传感器通过在光纤同一位置先后刻写长周期光栅和倾斜光栅。首先使用二氧化碳激光器通过逐点写入法刻写长周期光栅，具体过程为激光器输出的激光光束经柱面镜聚焦后在单模光纤1侧面上曝光，在纤芯2写入一个光栅条纹。之后，将单模光纤1水平移动一个光栅周期的距离再对下一点进行曝光，这一过程不断重复直到写完所有的光栅条纹为止。光栅周期为600微米。光栅长度为15毫米。刻写过程中对光单模纤1进行轴向预拉伸，拉力为0.5牛顿，使得单模光纤1在刻写过程中保持恒定应力。其次，将刻写有长周期光栅3的单模光纤1放入载氢容器，载氢容器压力为13.4兆帕，载氢时间为5天。最后，将刻写有长周期光栅3且经过载氢处理的单模光纤1固定到位移台上，利用KrF准分子激光器输出的紫外光作为刻写倾斜光栅的光源，紫外光经过掩膜板相位调制后发生衍射形成干涉条纹，进而对待刻单模光纤1进行曝光，紫外光在单模光纤1上的曝光范围正好在长周期光栅3的刻写长度内，进而在刻写长周期光栅3的光纤区域形成倾斜光栅4。通过调整光纤和掩膜板之间的角度来得到不同倾斜角度的倾斜光栅4，倾斜角度为8度。

实施例3：一种用于折射率和温度双参量测量的复合光纤光栅传感器的实验系统及解调

扫描激光器发出的光输入复合光纤光栅传感器，之后出射光6输入光波测量系统，图2所示为光波测量系统采集得到的透射谱。使用低通滤波法对透射谱进行分离，分别得到长周期光栅光谱和倾斜光栅光谱，如图3所示。其中图3(a)为所提取的长周期光栅光谱，图3(b)为所提取的倾斜光栅光谱。将所制作的复合光纤光栅传感器在室温下进行折射率测量，图4所示为在甘油溶液中折射率从1.3782增加到1.4477时的透射光谱，其中图4(a)为原始光谱，图4(b)信号分离后得到的倾斜光栅光谱。计算可得“倾斜光栅折射率测量因子”的折射率灵敏度约为594.49nm/RIU。之后将所制作的复合光纤光栅传感器应用于温度测量，测试环境为恒温箱中，恒温箱内为空气，所以传感器周围折射率为1。图5所示为所提取的长周期光栅光谱中长周期包层模谐振波长随温度的变化趋势，在-30到70℃的温度范围内，温度灵敏度约为298.79pm/℃。

Claims (6)

1.一种复合光纤光栅传感器，该传感器结构包括单模光纤(1)及单模光纤纤芯(2)，其特征在于，在所述单模光纤纤芯(2)沿水平方向上设置由长周期光栅(3)和倾斜光栅(4)构成混合光栅，入射光(5)入射到混合光栅，形成从位于光路最后位置的倾斜光栅出射的出射光(6)；其中：

所述长周期光栅(3)沿所述单模光纤纤芯(2)的水平方向以一个光栅周期的间隔处重复地设置，所述长周期光栅表面设置有长周期光栅包层模(9)；所述倾斜光栅(4)在所述间隔处的光纤区域重复形成，所述倾斜光栅(4)具有倾斜光栅纤芯；每个所述倾斜光栅(4)的一个端面设置倾斜光栅包层模(7)，所述倾斜光栅纤芯表面设置倾斜光栅纤芯模(8)。

2.如权利要求1所述的一种复合光纤光栅传感器，其特征在于，所述光栅周期选为50～1000微米，光栅长度选为5～30毫米。

3.如权利要求1所述的一种复合光纤光栅传感器，其特征在于，所述倾斜光栅(4)的倾斜角度选择为2～12度。

4.一种基于复合光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法具体包括以下步骤：

步骤(1)、通过逐点写入法刻写长周期光栅(3)，具体过程为：激光光束经柱面镜聚焦后在单模光纤(1)侧面上曝光，在单模光纤纤芯(2)写入一个光栅条纹；之后，将单模光纤(1)水平移动一个光栅周期的距离再对下一点进行曝光，这一过程不断重复直到写完所有的光栅条纹为止；

步骤(2)、将刻写有长周期光栅(3)的单模光纤(1)进行载氢处理；

步骤(3)、将刻写有长周期光栅(3)且经过载氢处理的单模光纤(1)固定到位移台上，利用紫外光作为刻写倾斜光栅(4)的光源，紫外光经过掩膜板相位调制后发生衍射形成干涉条纹，进而对待刻单模光纤(1)进行曝光，紫外光在单模光纤(1)上的曝光范围正好在长周期光栅(3)的刻写长度内，进而在刻写长周期光栅(3)的光纤区域形成倾斜光栅(4)；通过调整光纤和掩膜板之间的角度来得到不同倾斜角度的倾斜光栅(4)。

5.如权利要求4所述一种基于复合光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤(1)的通过逐点写入法刻写长周期光栅(3)中，在刻写过程中对单模光纤(1)进行轴向预拉伸，使得单模光纤(1)在刻写过程中保持恒定应力。

6.一种利用复合光纤光栅传感器的折射率和温度双参量测量方法，其特征在于，该测量方法具体包括以下过程：

第一步、入射光(5)入射到混合光栅，之后出射光(6)进入光波测量系统；

第二步、使用信号分离算法将混合光栅光谱信号进行分离，分别得到长周期光栅光谱和倾斜光栅光谱；

第三步、将倾斜光栅包层模(7)谐振波长与倾斜光栅纤芯模(8)谐振波长间的波长差作为不受温度影响的折射率测量因子，记为倾斜光栅折射率测量因子；

第四步、将长周期光栅(3)的包层模谐振波长(4)同时作为折射率和温度测量因子，记为长周期光栅双参量测量因子；

第五步、在恒温环境下进行折射率测量，得到倾斜光栅折射率测量因子的折射率灵敏度系数；具体过程为：将混合光栅固定于载玻片上，在混合光栅上滴加不同折射率的液体，实时观察光谱变化，待光谱稳定后记录光谱，并从光谱中分别求得长周期光栅双参量测量因子和倾斜光栅折射率测量因子的波长偏移，根据已知折射率和波长偏移量计算得到折射率灵敏度系数；

第六步、在恒定折射率环境下进行温度测量，得到长周期光栅双参量测量因子的温度灵敏度系数；具体过程为：将混合光栅固定于恒温箱中，光栅周围为空气，所以环境折射率稳定为1；调整恒温箱温度，实时观察光谱变化，待光谱稳定后记录光谱，并从光谱中求得长周期光栅双参量测量因子的波长偏移；根据已知温度和波长偏移量计算得到温度灵敏度系数；

第七步、基于灵敏度系数标定，对温度和折射率进行双参量测量；首先记录混合光栅在空气中的透射光谱，然后将混合光栅置于被测环境中，记录通过混合光栅的透射光谱，通过对比空气中和被测环境中的透射光谱，得到倾斜光栅折射率测量因子的波长偏移量，然后通过第五步中得到的折射率灵敏度系数，根据倾斜光栅折射率测量因子的波长偏移计算得到被测环境的折射率值；之后用该折射率值补偿长周期光栅双参量测量因子中折射率导致的波长偏移，进而得到只受温度影响下的长周期光栅双参量测量因子的波长偏移量，通过第六步中的温度灵敏度系数，计算得到被测环境的温度值，从而实现了折射率和温度双参量测量。