CN109855662A - 光纤光栅f-p腔阵列准分布式多参量测量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种光纤光栅F‑P腔阵列准分布式多参量测量的方法及装置，具有定点涂层的光纤光栅F‑P腔阵列通过单模光纤与光纤光栅F‑P腔阵列解调仪连接。光纤光栅F‑P腔表面具有多种不同涂层材料。光纤光栅F‑P腔解调仪解调得到光纤光栅F‑P腔反射谱形状及位置。当外界环境变化时，光纤光栅F‑P腔表面不同涂层材料伸缩大小、折射率等变化不同。涂层的改变带动光纤的变化，从而使光纤光栅F‑P腔干涉峰发生改变。通过干涉峰间隔、波长移动等信息，结合灵敏度矩阵方程，解调得到外界参量的变化。利用拉丝塔在线刻写光纤光栅F‑P腔，能够极大提升光纤光栅F‑P腔刻写效率，提高传感器强度，形成准分布式多参量测量的传感器阵列。

Description

光纤光栅F-P腔阵列准分布式多参量测量的方法及装置

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种光纤光栅F-P腔阵列准分布式多参量测量的方法及装置。

背景技术

随着时代的发展，对光纤传感器的要求不断提高。目前光纤传感器正朝着高性能、大容量、多参量和阵列化的方向发展。发展新一代光纤传感器网络已成为新一轮信息化浪潮的重大课题。

光纤光栅是新一代光无源器件，具有稳定性好、体积小、使用灵活、易于与光纤集成等优点，为光纤传感领域开辟了一个新的方向。目前光纤传感器已经广泛应用于电力、交通、安防等领域。随着时代的发展，单参量光纤传感器不能满足同时测量温度、应变等参量。而已有的光纤多参量传感器结构复杂、强度较弱、难以形成多参量传感网络。因此，在线制备光纤光栅多参量传感器阵列，不仅能够同时测量温度、应变等多参量，同时传感器具有高强度、低成本的优势。

中国专利CN101539403A发明了一种利用金属管封装裸光栅的光纤光栅应变、温度同时测量传感器。该传感器利用金属管封装光纤光栅，其中一个光栅两端受力，另一个光栅一端受力。通过一端受力光栅测量温度，补偿两端受力光栅，形成温度、应变双参量测量。这种传感器结构复杂、不易大规模制备，同时难以形成传感器阵列。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种光纤光栅F-P腔阵列准分布式多参量测量的方法及装置，通过拉丝塔在线刻写光纤光栅F-P腔，从而可以制备高强度、大容量的光纤传感器阵列；通过在线刻写光纤光栅F-P腔时，在光纤光栅F-P腔中光栅表面涂覆一种或多种涂层材料，使得光纤光栅F-P腔传感器能够同时测量多个参量。两种以上定点涂层材料，这些定点涂层材料具有相异的杨氏模量和/或折射率，其性能满足，其杨氏模量的差值大于50MPa和/或其相对折射率差值大于0.01％。性能参数差值越大，则传感器灵敏度越高。定点涂层材料包括聚丙烯酸树脂、聚酰亚胺、金属、玻璃或陶瓷、复合材料等。光纤还包括高分子有机物内涂层，其杨氏模量在30到800MPa之间，材料为硅橡胶或聚丙烯酸树脂。

测量两种参量时，只需要一种定点涂层，其性能满足，其杨氏模量与光纤的内涂层材料的差值大于50MPa，或者，其相对折射率与光纤的内涂层材料的差值大于0.01％即可。

测量三种及以上参量时，需要两种以上定点涂层。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明首先提供一种光纤光栅F-P腔阵列准分布式多参量测量的装置，该装置中光源、环形器、光纤光栅F-P腔传感器阵列、解调仪顺次连接，从光源发出的光经环形器入射到光纤光栅F-P腔传感器阵列中，反射回环形器，最后进入解调仪；两个光纤光栅构成法布里-珀罗干涉仪，光栅表面涂覆一种或多种定点涂层材料。使传感器在待测量作用下形成F-P腔干涉峰和光栅反射峰。在外界参量变化下，光纤光栅F-P腔的不同区域具有不同的谐振峰。根据谐振峰波长的移动，测得外界环境参量的变化。

按上述技术方案，光纤光栅表面具有两种以上定点涂层材料，这些定点涂层材料具有相异的杨氏模量和/或折射率，其性能满足，其杨氏模量的差值大于50MPa和/或其相对折射率差值大于0.01％。

按上述技术方案，定点涂层的厚度在外涂覆层厚度的0.5～1倍之间，每个定点涂层长度为1μm～10cm，相邻定点涂层的间隔L均相同，L在1μm～10cm之间。

按上述技术方案，涂覆在光纤包层上的定点涂层材质为高分子有机物质，内涂覆层为聚丙乙烯涂层当温度或者应变改变时，高分子有机物质和聚丙乙烯涂层的膨胀程度不同，使光栅具有两个反射峰，根据反射峰波长漂移量，结合灵敏度矩阵方程，得到温度及应变改变量，

式中Δλ₁、Δλ₂分别为单个光栅形成的反射峰波长改变量，k₁₁、k₁₂分别为光栅第一个反射峰波长对温度、应变的灵敏度，k₂₁、k₂₂分别为光栅第2个反射峰波长对温度、应变的灵敏度，ΔT、Δε分别为环境温度、应变的变化量。

按上述技术方案，光纤光栅表面涂覆有多个不同的定点涂层，其与光纤内涂层具有杨氏模量差，单个定点涂层的长度相比光纤光栅长度可从二十分之一至二十分之十九变化，定点涂层的长度根据传感器对待测参量的灵敏度需求设定。

本发明还提供一种光纤光栅F-P腔阵列准分布式多参量测量的方法，该方法包括以下步骤，步骤一，在光栅表面涂覆不同涂层材料；步骤二，将宽带光源、环形器、光纤光栅F-P腔传感器阵列、解调仪顺次连接，从宽带光源发出的光经环形器入射到光纤光栅F-P腔传感器阵列中，随后反射回环形器；步骤三，最后进入解调仪；利用两个光纤光栅构成法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer)，光纤光栅F-P腔传感器在待测量参数作用下形成F-P腔干涉峰和光栅反射峰，待测量参数变化时，根据谐振峰波长改变值的不同，结合灵敏度矩阵方程，同时测量多种待测量参数。利用解调仪，能够同时测量光纤光栅F-P腔准分布式多参量传感器阵列。

按上述技术方案，通过灵敏度矩阵，可以得到当第1、2、…、s个参量改变时，光栅多个反射峰波长的变化为：

式中Δλ₁、Δλ₂、…、Δλ_n分别为单个光栅形成的反射峰波长改变量，k₁₁、k₁₂、…、k_1s分别为光栅第一个反射峰波长对第1、2、…、s个参量的灵敏度，k_n1、k_n2、…、k_ns分别为光栅第n个反射峰波长对第1、2、…、s个参量的灵敏度，ΔT、Δε、…、Δ％RH分别为第1、2、…、s个参量的变化量。

本发明产生的有益效果是：通过拉丝塔在线刻写光纤光栅F-P腔，从而可以制备高强度、大容量的光纤传感器阵列；通过在线刻写光纤光栅F-P腔时，在光纤光栅F-P腔中光栅表面涂覆不同涂层材料，使得光纤光栅F-P腔传感器能够同时测量多个参量。通过在线制备多参量传感器阵列，使得传感器具有准分布式测量的能力。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明在线制备光纤光栅F-P腔准分布式多参量传感器阵列装置示意图。

图中：101-预制棒进料装置，102-高温炉，103-涂覆装置，104-固化装置，105-涂覆装置，106-固化装置，107-收线装置，108-相位掩模版，109-准分子激光器。

图2为本发明实施例多参量传感系统结构示意图。

图3是本发明另一实施例的传感器结构图。

图3中：301-光纤外涂，302-光纤石英层，303-光纤内涂，304-光纤纤芯，305-涂层材料，306-光栅，307-光栅。

图4是本发明另一实施例的传感器结构图。

图4中：501-光纤外涂，502-光纤石英层，503-光纤内涂，504-光栅，505-光纤一涂层材料，506-光栅，507-光纤另一涂层材料，508-光纤纤芯，509-光纤另一涂层材料，510-光纤另一涂层材料，511-光纤另一涂层材料，512-光纤另一涂层材料。

图5为解调仪解调得到的光纤光栅F-P腔准分布式多参量传感器阵列反射光谱。

图6为本发明实施例光纤光栅F-P腔双参量传感器的反射信号谱。

图7为本发明实施例光纤光栅F-P腔双参量传感器反射峰的波长随温度变化的拟合曲线。

图8为本发明实施例光纤光栅F-P腔双参量传感器反射峰的波长随应变变化的拟合曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

本发明实施例中，如图1所示，预制棒通过石墨炉拉制成光纤。在光纤涂敷涂层前，通过相位掩模法，在光纤纤芯刻写光纤光栅F-P腔。光纤光栅F-P腔通过控制激光器109连续发射两个激光脉冲。激光脉冲触发时间间隔控制光纤光栅F-P腔。光纤光栅F-P腔间隔与光纤通过主动牵引轮转动距离有关。激光脉冲通过相位掩模板108，在光纤纤芯形成干涉条纹，从而刻写光栅。当光纤光栅F-P腔刻写后，根据光纤通过主动牵引轮的距离，光纤涂敷装置103启动。根据光纤涂敷装置启动时间长短控制特种涂层材料在光纤光栅表面特定区域涂敷的长短及厚度。随后光纤光栅F-P腔进入固化炉104。在具有多个涂敷装置的情况下，光纤光栅F-P腔表面可以涂敷多种不同类型、厚度、长短的涂层材料。当一个光纤光栅F-P腔表面光栅涂敷后，根据需要的光纤光栅F-P腔传感器的间隔，当主动牵引轮带动光纤转过相应的距离后，激光器109发射两个激光脉冲，在光纤纤芯刻写光纤光栅F-P腔。重复上述操作，在线制备光纤光栅F-P腔准分布式多参量传感器阵列。

本实施例中，如图2所示，该光纤光栅F-P腔阵列准分布式多参量测量的装置中光源、环形器、光纤光栅F-P腔传感器阵列、解调仪顺次连接，从光源发出的光经环形器入射到光纤光栅F-P腔传感器阵列中，反射回环形器，最后进入解调仪；两个光纤光栅构成法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer)，光栅表面涂覆不同涂层材料。使传感器在待测量作用下形成F-P腔干涉峰和光栅反射峰。在外界参量变化下，光纤光栅F-P腔的不同区域具有不同的谐振峰。根据谐振峰波长的移动，测得外界环境参量的变化。

解调仪发射光，经过单模光纤进入到光纤光栅F-P腔双参量传感器阵列，光经过光纤光栅F-P腔时，两个光栅相隔一定的光程差，在光栅反射带宽内形成干涉，反射回一部分的光强，解调仪根据这部分的光得到光纤光栅F-P腔的干涉波长及强度信息。具有定点涂层的光纤光栅F-P腔阵列如图3和图4所示。

如图3所示，光纤光栅306表面具有两个涂层，其中涂覆在光纤包层上的定点涂层材质为高分子有机物质，内涂覆层303为聚丙乙烯涂层。光纤纤芯304外为光纤石英层302，其外为定点涂层。定点涂层305的厚度在外涂覆层301厚度的0.5～1倍之间，每个定点涂层长度为1μm～10cm相邻定点涂层的间隔L均相同，L在1μm～10cm之间。由于光纤光栅F-P腔中光栅表面涂覆有不同的涂覆材料，因此当温度及应变施加在光纤光栅F-P腔双参量传感器阵列上时，光纤光栅F-P腔不同区域的周期改变量不同，则其谐振峰波长不同。解调仪能够解调得到光纤光栅F-P腔反射谱。根据温度或应变变化时，光纤光栅F-P腔会出现一个反射峰和F-P腔干涉峰。反射峰和干涉峰波长移动量的不同，便能得到温度及应变改变量的大小，从而实现温度及应变同时测量。根据反射峰波长漂移量，结合灵敏度矩阵方程，便能得到温度及应变改变量。

式中Δλ₁、Δλ₂分别为单个光栅形成的反射峰波长改变量，k₁₁、k₁₂分别为光栅第一个反射峰波长对温度、应变的灵敏度，k₂₁、k₂₂分别为光栅第2个反射峰波长对温度、应变的灵敏度，ΔT、Δε分别为环境温度、应变的变化量。

如图5所示，A为光栅反射峰，B为光纤光栅F-P腔干涉峰中的一个。当改变温度或者应变时，A峰和B峰分别移动。但是其漂移程度不同，通过灵敏度矩阵方程，可以计算得到温度及应变该变量，从而同时测量温度及应变。如图6所示，在不同温度下，A峰和B峰对温度灵敏度不同。如图7所示，在不同应变下，A峰和B峰对应变灵敏度不同。通过灵敏度矩阵方程，可以计算得到温度及应变改变量大小。所以传感器能够同时测量温度及应变。因此，可以得到传感器的灵敏度矩阵为：

实施例二：

本实施例中，光纤光栅F-P腔阵列准分布式多参量测量的装置中光源、环形器、光纤光栅F-P腔传感器阵列、解调仪顺次连接，从光源发出的光经环形器入射到光纤光栅F-P腔传感器阵列中，反射回环形器，最后进入解调仪；两个光纤光栅构成法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer)，光栅表面涂覆不同涂层材料。使传感器在待测量作用下形成F-P腔干涉峰和光栅反射峰。在外界参量变化下，光纤光栅F-P腔的不同区域具有不同的谐振峰。根据谐振峰波长的移动，测得外界环境参量的变化。

如图4所示，光纤光栅表面涂覆有多个不同的定点涂层，其与光纤内涂层具有杨氏模量差，单个定点涂层的长度相比光纤光栅长度可从二十分之一至二十分之十九变化，定点涂层的长度根据传感器对待测参量的灵敏度需求设定。若需要对某参量较大的灵敏度，可以增加该定点涂层的长度。光纤纤芯506外为光纤石英层502，涂覆在光纤石英层上的定点涂层材质可以为光纤一涂层材料505，光纤另一涂层材料507，光纤另一涂层材料508，然后为光纤内涂覆层503、光纤外涂覆层501。若没有特殊要求，定点涂层长度可以保持相同。由于光纤光栅F-P腔表面涂覆有不同的涂覆材料，因此当多个待测量施加在光纤光栅F-P腔多参量传感器阵列上时，光纤光栅不同区域的周期改变量不同，则其谐振峰波长不同。解调仪能够解调得到光纤光栅F-P腔反射谱。当多个待测量同时或者分开变化时，光纤光栅会出现多个反射峰和F-P腔干涉峰。反射峰和干涉峰波长移动量的不同，便能得到待测量改变量的大小，从而实现多个待测量同时测量。

通过灵敏度矩阵，可以得到当温度、应变或者湿度等多个参量改变时，光栅多个反射峰波长的变化为：

式中Δλ₁、Δλ₂、…、Δλ_n分别为单个光栅形成的反射峰波长改变量，k₁₁、k₁₂、…、k_1n分别为光栅第一个反射峰波长对温度、应变、…、湿度的灵敏度，k_n1、k_n2、…、k_nn分别为光栅第n个反射峰波长对温度、应变、…、湿度的灵敏度，ΔT、Δε、…、Δ％RH分别为环境温度、应变、…、湿度的变化量。

由于不同长度处光纤光栅F-P腔反射光回到解调仪的时间不同，解调仪便能够依据时间得到光纤光栅F-P腔所处的位置。通过这样的方式，解调仪能够区分不同位置处的光纤光栅F-P腔双参量传感器，如图8所示，从而具有准分布式测量的能力。

实施例三：

提供一种光纤光栅F-P腔阵列准分布式多参量测量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一，在光栅表面涂覆不同涂层材料；步骤二，将宽带光源、环形器、光纤光栅F-P腔传感器阵列、解调仪顺次连接，从宽带光源发出的光经环形器入射到光纤光栅F-P腔传感器阵列中，随后反射回环形器；步骤三，最后进入解调仪；利用两个光纤光栅构成法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer)，光纤光栅F-P腔传感器在待测量参数作用下形成F-P腔干涉峰和光栅反射峰，待测量参数变化时，根据谐振峰波长改变值的不同，结合灵敏度矩阵方程，同时测量多种待测量参数。(利用解调仪，能够同时测量光纤光栅F-P腔准分布式多参量传感器阵列。)

通过灵敏度矩阵，可以得到当温度、应变或者湿度等多个参量改变时，光栅多个反射峰波长的变化为：

式中Δλ₁、Δλ₂、…、Δλ_n分别为单个光栅形成的反射峰波长改变量，k₁₁、k₁₂、…、k_1n分别为光栅第一个反射峰波长对温度、应变、…、湿度的灵敏度，k_n1、k_n2、…、k_nn分别为光栅第n个反射峰波长对温度、应变、…、湿度的灵敏度，ΔT、Δε、…、Δ％RH分别为环境温度、应变、…、湿度的变化量。

由于不同长度处光纤光栅F-P腔反射光回到解调仪的时间不同，解调仪便能够依据时间得到光纤光栅F-P腔所处的位置。通过这样的方式，解调仪能够区分不同位置处的光纤光栅F-P腔双参量传感器。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种光纤光栅F-P腔阵列准分布式多参量测量的装置，其特征在于，该装置中光源、环形器、光纤光栅F-P腔传感器阵列、解调仪顺次连接，从光源发出的光经环形器入射到光纤光栅F-P腔传感器阵列中，反射回环形器，最后进入解调仪；两个光纤光栅构成法布里-珀罗干涉仪，光栅表面涂覆一种或多种定点涂层材料。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅F-P腔阵列准分布式多参量测量的装置，其特征在于，光纤光栅表面具有两种以上定点涂层材料，这些定点涂层材料具有相异的杨氏模量和/或折射率，其性能满足，其杨氏模量的差值大于50MPa和/或其相对折射率差值大于0.01％。

3.根据权利要求2所述的光纤光栅F-P腔阵列准分布式多参量测量的装置，其特征在于，定点涂层的厚度在外涂覆层厚度的0.5～1倍之间，每个定点涂层长度为1μm～10cm，相邻定点涂层的间隔L均相同，L在1μm～10cm之间。

4.根据权利要求2或3所述的光纤光栅F-P腔阵列准分布式多参量测量的装置，其特征在于，涂覆在光纤包层上的定点涂层材质为高分子有机物质，内涂覆层为聚丙乙烯涂层当温度或者应变改变时，高分子有机物质和聚丙乙烯涂层的膨胀程度不同，使光栅具有两个反射峰，根据反射峰波长漂移量，结合灵敏度矩阵方程，得到温度及应变改变量，

式中Δλ₁、Δλ₂分别为单个光栅形成的反射峰波长改变量，k₁₁、k₁₂分别为光栅第一个反射峰波长对温度、应变的灵敏度，k₂₁、k₂₂分别为光栅第2个反射峰波长对温度、应变的灵敏度，ΔT、Δε分别为环境温度、应变的变化量。

5.根据权利要求1或2或3所述的光纤光栅F-P腔阵列准分布式多参量测量的装置，其特征在于，光纤光栅表面涂覆有多个不同的定点涂层，其与光纤内涂层具有杨氏模量差，单个定点涂层的长度相比光纤光栅长度可从二十分之一至二十分之十九变化，定点涂层的长度根据传感器对待测参量的灵敏度需求设定。

6.一种利用权利要求5装置的光纤光栅F-P腔阵列准分布式多参量测量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一，在光栅表面涂覆不同涂层材料；步骤二，将宽带光源、环形器、光纤光栅F-P腔传感器阵列、解调仪顺次连接，从宽带光源发出的光经环形器入射到光纤光栅F-P腔传感器阵列中，随后反射回环形器；步骤三，最后进入解调仪；利用两个光纤光栅构成法布里-珀罗干涉仪，光纤光栅F-P腔传感器在待测量参数作用下形成F-P腔干涉峰和光栅反射峰，待测量参数变化时，根据谐振峰波长改变值的不同，结合灵敏度矩阵方程，同时测量多种待测量参数。

7.根据权利要求6所述的光纤光栅F-P腔阵列准分布式多参量测量的方法，其特征在于，通过灵敏度矩阵，可以得到当第1、2、…、s个参量改变时，光栅多个反射峰波长的变化为：

式中Δλ₁、Δλ₂、…、Δλ_n分别为单个光栅形成的反射峰波长改变量，k₁₁、k₁₂、…、k_1s分别为光栅第一个反射峰波长对第1、2、…、s个参量的灵敏度，k_n1、k_n2、…、k_ns分别为光栅第n个反射峰波长对第1、2、…、s个参量的灵敏度，ΔT、Δε、…、Δ％RH分别为第1、2、…、s个参量的变化量。