CN109855663A - 布喇格光纤光栅阵列准分布式多参量测量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种布喇格光纤光栅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布喇格光栅阵列通过单模光纤与光纤布喇格光栅阵列解调仪连接。光纤布喇格光栅表面光纤具有多种不同涂层材料。光纤布喇格光栅阵列解调仪解调得到光纤光栅反射谱形状及位置。当外界环境变化时，光纤布喇格光栅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，从而使光纤布喇格光栅的单个反射峰分裂成多个反射峰。这些反射峰波长变化率不同，结合灵敏度矩阵方程，解调得到外界参量的变化。多个具有定点涂层的光纤布喇格光栅形成阵列，能够准分布式测量温度、应变等多个外界参量。

Description

布喇格光纤光栅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，尤其涉及一种布喇格光纤光栅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，提供一种布喇格光纤光栅阵列准分布式多参量测量的方法及装置，利用在布喇格光纤光栅表面涂覆不同涂层材料，使得布喇格光纤光栅传感器能够同时测量多个参量。

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布喇格光纤光栅阵列准分布式多参量测量的装置，光源、环形器、布喇格光纤光栅传感器阵列、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传感器阵列中，随后反射回环形器，最后进入解调仪，布喇格光纤光栅双参量传感器阵列中的光栅表面涂覆一种或多种定点涂层材料。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。

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。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。若没有特殊要求，定点涂层长度可以保持相同。

本发明还提供一种布喇格光纤光栅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，布喇格光纤光栅表层涂覆不同涂层材料，布喇格光纤光栅具有不同的周期或者纤芯折射率；光从布喇格光纤光栅不同区域反射时，具有不同的谐振波长。步骤二，将宽带光源、环形器、布喇格光纤光栅传感器阵列、解调仪顺次连接；步骤三，从宽带光源发出的光经环形器入射到光纤光栅传感器阵列中，随后反射回环形器，最后进入解调仪；步骤四，测量变化时，根据谐振峰波长改变值的不同，结合灵敏度矩阵方程，同时测量多种参量。利用解调仪，同时测量多个布喇格光纤光栅多参量传感器。

按上述技术方案，光纤光栅表面的定点涂层可以为金属涂层或者吸水涂层。

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阵列，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阵列时，在光纤光栅表面涂覆不同涂层材料，使得光纤光栅传感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为本发明实施例多参量传感系统结构示意图；

图2是本发明实施例中的第一种传感器结构图；

图3是本发明实施例中的第二种传感器结构图；

图4是布喇格光纤光栅在温度及应变下A峰和B峰示意图；

图5是不同温度下A峰和B峰对温度灵敏度示意图；

图6是不同应变下A峰和B峰对应变灵敏度示意图；

图2中：201-光纤外涂，202-光纤石英层，203-光纤内涂，204-光纤纤芯，205-涂层材料，206-光栅。

图3中：301-光纤外涂，302-光纤石英层，303-光纤内涂，304-光栅，305-光纤一涂层材料，306-光纤纤芯，307-光纤另一涂层材料，308-光纤另一涂层材料。

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，提供一种温度与应变双参量传感系统，包括解调仪、单模光纤、布喇格光纤光栅双参量传感器阵列；解调仪发射光，经过单模光纤进入到布喇格光纤光栅双参量传感器阵列，光经过布喇格光纤光栅时，反射回一部分的光强，解调仪根据这部分的光得到布喇格光纤光栅的波长及强度信息。

由于布喇格光纤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布喇格光纤光栅双参量传感器阵列上时，布喇格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布喇格光纤光栅反射谱出现的两个不同反射峰。根据温度或应变变化时，布喇格光纤光栅不同反射波长移动量的不同，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。布喇格光纤光栅在温度及应变下具有A峰和B峰。当温度或者应变改变时，A峰和B峰分别往长波长处漂移。在不同温度下，A峰和B峰对温度灵敏度不同。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。

由于不同位置处布喇格光纤光栅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布喇格光纤光栅所处的位置。通过这样的方式，解调仪能够区分不同位置处的布喇格光纤光栅双参量传感器。当不同位置的布喇格光纤光栅双参量传感器经受的温度及应变发生改变时，解调仪测得不同的位置处的反射峰。根据反射峰波长的漂移，得到温度及应变改变量。

实施例二：

本发明实施例中，提供一种多参量传感系统，包括解调仪、单模光纤、布喇格光纤光栅多参量传感器阵列；解调仪发射光，经过单模光纤进入到布喇格光纤光栅多参量传感器阵列，光经过布喇格光纤光栅时，反射回一部分的光强，解调仪根据这部分的光得到布喇格光纤光栅的波长及强度信息。

由于布喇格光纤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布喇格光纤光栅多参量传感器阵列上时，布喇格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布喇格光纤光栅反射谱出现的多个不同反射峰。当外界参量变化时，布喇格光纤光栅不同区域反射波长移动量的不同，便能得到环境改变量的大小，从而实现多参量同时测量。

由于不同位置处布喇格光纤光栅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布喇格光纤光栅所处的位置。通过这样的方式，解调仪能够区分不同位置处的布喇格光纤光栅多参量传感器。当不同位置的布喇格光纤光栅多参量传感器经受的待测量发生改变时，解调仪测得不同的位置处的反射峰。根据反射峰波长的漂移，得到待测量改变量。

实施例三：

一种能够准分布式多参量测量的具有定点涂层的光纤光栅传感器阵列。传感器系统的示意图如图1所示，宽带光源、环形器、布喇格光纤光栅传感器阵列、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传感器阵列中，随后反射回环形器，最后进入解调仪。

布喇格光纤光栅双参量传感器阵列中的光栅表面具有两个个材料不同、性质不同的涂层。如图2所示，光纤光栅表面具有两个涂层，其中涂覆在光纤包层上的定点涂层205材质为高分子有机物质，定点涂层涂覆在光纤包层202光纤包层202上，光纤包层内为光纤纤芯204，其上刻写光栅206。内涂覆层203为聚丙乙烯涂层。定点涂层的厚度在外涂覆层201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。在外界参量变化下，这两个涂层膨胀程度不同。同时，涂层带动光纤伸长的程度不同，引起光栅两个区域反射峰漂移量不同。从而布喇格光纤光栅不同区域具有不同的谐振峰。根据谐振峰波长的移动，结合灵敏度矩阵方程，便能测得外界环境参量的变化。采用解调仪，具有定点涂层的布喇格光纤光栅传感器阵列能够准分布式双参量测量外界环境变化。光纤光栅表面有一部分区域涂覆一种高分子有机物质，光纤光栅表面另一部分为光纤普通聚丙乙烯涂覆层。温度或者应变改变时，一种高分子有机物质和普通聚丙乙烯涂层的膨胀程度不同，从而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，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4所示，布喇格光纤光栅在温度及应变下具有A峰和B峰。当温度或者应变改变时，A峰和B峰分别往长波长处漂移。如图5所示，在不同温度下，A峰和B峰对温度灵敏度不同。如果6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：

实施例四：

如图3所示，光纤光栅表面涂覆有多个不同的定点涂层，305,307,308分别为材料不同的定点涂层材料，可以为金属Pd膜用于探测氢气，可以为聚酰亚胺用于探测湿度，也可以为光纤外涂层，使其与光纤内涂层具有较大的杨氏模量差，从而能够分开应力与温度。根据测量需要，涂覆不同的涂层材料。光纤纤芯306外为光纤石英层302，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305，光纤另一涂层材料307，光纤另一涂层材料308，然后为光纤内涂覆层303、光纤外涂覆层301。

图3中，定点涂层之间的长度可以相同也可以不相同。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。若没有特殊要求，定点涂层长度可以保持相同。由于布喇格光纤光栅表层涂覆多种涂层材料，因此布喇格光纤光栅具有不同的周期或者纤芯折射率。光从布喇格光纤光栅不同区域反射时，具有不同的谐振波长。待测量变化时，根据谐振峰波长改变值的不同，结合灵敏度矩阵方程，能够同时测量多种参量。利用解调仪，能够同时测量多个布喇格光纤光栅多参量传感器。根据所需要测量的环境参量，例如温度、应变、湿度等，光纤光栅表面的涂层可以为金属涂层、吸水涂层或者各种功能涂层。

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。

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 (8)

1.一种布喇格光纤光栅阵列准分布式多参量测量的装置，其特征在于，光源、环形器、布喇格光纤光栅传感器阵列、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传感器阵列中，随后反射回环形器，最后进入解调仪，布喇格光纤光栅双参量传感器阵列中的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所述的布喇格光纤光栅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所述的布喇格光纤光栅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所述的布喇格光纤光栅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所述的布喇格光纤光栅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所述装置的布喇格光纤光栅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，布喇格光纤光栅表层涂覆不同涂层材料，布喇格光纤光栅具有不同的周期或者纤芯折射率；步骤二，将宽带光源、环形器、布喇格光纤光栅传感器阵列、解调仪顺次连接；步骤三，从宽带光源发出的光经环形器入射到光纤光栅传感器阵列中，随后反射回环形器，最后进入解调仪；步骤四，测量变化时，根据谐振峰波长改变值的不同，结合灵敏度矩阵方程，同时测量多种参量。

7.根据权利要求6所述的布喇格光纤光栅阵列准分布式多参量测量的方法，其特征在于，光纤光栅表面的定点涂层可以为金属涂层或者吸水涂层。

8.根据权利要求6或7所述的布喇格光纤光栅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。