CN110146190A - 一种对称双锥形光纤光栅的传感器系统及光栅设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对称双锥形光纤光栅的传感器系统及光栅设计方法，所述传感器包括对称双锥形光纤光栅和参考普通光纤光栅，所述光纤光栅利用激光熔融拉锥技术形成左右对称的锥形结构，左半部分包层与纤芯直径同时沿光栅轴向方向线性减小，右半部分则是线性增加。光栅周期正好呈相反规律变化。对称双锥形光纤光栅提高了光栅反射率，克服了腐蚀法制作过程繁琐和光纤拉锥写入法存在的超过一定应力值，产生多个测量值的缺点。所述传感器系统包含的参考普通光纤光栅解决了锥形光纤光栅中心波长不易定位，反演温度可能出现误差的缺点，使测量结果更加精确，具有解决温度与应力交叉敏感问题，制作过程简单。

Description

一种对称双锥形光纤光栅的传感器系统及光栅设计方法

技术领域

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种对称双锥形光纤光栅的传感器系统及光栅设计方法。

背景技术：

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是典型的光功能器件之一。虽然光纤光栅传感器应用越来越广泛，依旧有许多问题困扰着研究人员，温度与应力交叉敏感就是其中之一。光纤光栅对温度和应力都敏感，温度和应力都能引起光栅中心波长的变化，因此传感器测量温度和应力其中一个物理量时，另一个物理量往往会起干扰作用，导致测量结果出现较大偏差。

解决温度与应力交叉敏感问题的现行方案一般都具有不可忽视的缺陷，比如光波长光纤光栅法成本较高，不同包层直径组合法耦合损耗高以及对工艺要求高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对称双锥形光纤光栅的传感器系统及光栅设计方法，以解决锥形光纤光栅存在的缺点，解决温度与应力交叉敏感问题，实现温度与应力的共同测量。

一种对称双锥形光纤光栅的传感器系统，所述系统包括宽带光源、耦合器、环形器一、环形器二、光谱仪、砝码一、砝码二、激光器和温控箱，所述宽带光源与所述耦合器连接，所述耦合器的两输出端分别与所述环形器一和所述环形器二的1号端口连接，所述环形器一和所述环形器二的2号端口均与所述温控箱连接，所述环形器一和所述环形器二的3号端口均与所述光谱仪连接，所述激光器、所述砝码一和所述砝码二均与所述温控箱连接，所述温控箱内部包括参考光纤光栅和双锥形光纤光栅。

优选的，所述参考光纤光栅分别与所述环形器一的2号端口和所述砝码一连接。

优选的，所述双锥形光纤光栅分别与所述环形器二的2号端口、所述激光器和所述砝码二连接。

一种对称双锥形光纤光栅设计方法，所述方法包括如下步骤：

对预处理后的布拉格光纤光栅施加高温；

对布拉格光纤光栅施加轴向力，使其产生轴向啁啾；

改变布拉格光纤光栅包层与纤芯沿轴向的直径分布，使其产生轴向线性切趾。

优选的，所述布拉格光纤光栅的预处理方法包括：

对布拉格光纤光栅进行饱和载氢和退火处理。

优选的，所述布拉格光纤光栅高温施加的方法包括：

采用激光熔融技术产生大范围高温场区覆盖布拉格光纤光栅区域。

优选的，所述轴向啁啾的产生方法包括如下步骤：

在布拉格光纤光栅两端施加方向相反的轴向力；

周期性的改变轴向力使布拉格光纤光栅产生周期变化。

优选的，光栅周期可有以下公式确定：

Λ(z)＝C×L₂+Λ+z×C

其中：Λ(z)表示光栅周期，C表示啁啾系数，L₂表示光纤光栅拉伸后的长度，z表示沿光纤光栅轴向位置；

啁啾系数与锥区长度的改变量有关可有下式表示：

其中：L₁表示光纤光栅拉伸前的一半长度，Λ为光纤光栅的周期。

本发明的优点在于：该种对称双锥形光纤光栅的传感器系统及光栅设计方法，采用特殊的激光熔融拉制技术设计了一种新型的对称双锥形光纤光栅传感器，光栅锥形区域的制作是采用方向沿轴向周期性变化的施加力在激光高温熔融状态下的特殊拉制方法。采用对均匀光栅直接拉制双锥形结构的方法具有极大好处，不仅激光熔融技术能够产生本发明制作器件所需要的大范围高温场，技术成熟，适合大规模商用，而且不存在测量较大应力时产生多值的缺点。对称双锥形光纤光栅具有对轴向应力敏感，对温度不敏感的特性，有效解决了温度与应力交叉敏感的问题。本发明提出的传感系统，实现温度与应力同时测量，并通过参考布拉格光纤光栅定位中心波长，测得中心波长变化量，使测量结果更加精确，对称双锥形光纤光栅的左部分包层与纤芯直径沿轴向线性减小，右部分两者直径线性增加。光纤光栅的周期呈相反规律变化，提高了光纤光栅的反射率，克服了腐蚀法制作过程繁琐以及光纤拉锥写入法超过一定应力，出现多个测量值的缺点。

附图说明

图1对称双锥形光纤光栅传感系统图；

图2传感器系统示意图；

图3对称双锥形光纤光栅结构图；

图4对称双锥形光纤光栅仿真反射谱图；

图5轴向应力与光谱带宽变化量关系图；

图6温度变化量与光谱带宽变化量关系图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图6所示，一种对称双锥形光纤光栅的传感器系统，所述系统包括：宽带光源，光耦合器，环形器一和环形器二，参考布拉格光纤光栅，光谱仪，砝码一和砝码二，经过载氢和退火处理的布拉格光纤光栅，二氧化碳激光器和温控箱。

将二氧化碳激光器输出光束调焦至待进行制作的布拉格光纤光栅中间区域，在光纤的两端分别同时施加方向相反的水平纵向力，使光栅处于被拉伸状态。在进行制作时，光栅由于在熔融状态下受到水平力作用，会形成具有一定锥度的光纤光栅，即专利提及的对称双锥形光纤光栅。

宽带光源与耦合器相连，耦合器的两端输出，一端与环形器一的1号端口相连，另一端与环形器二的1号端口相连，环形器一的2号端口与参考布拉格光纤光栅相连，而3号端口与光谱仪相连，环形器二的2号端口与经过载氢和退火处理的光纤光栅相连，环形器二的3号端口与光谱仪相连。光谱仪记录对称双锥形光纤光栅和参考光纤光栅的反射光谱，计算得到对称双锥形光纤光栅的谱宽变化量△λ和参考布拉格光纤光栅的总的中心波长变化量△λ₁。

本实施例中：激光器采用synder公司输出功率为30W的CO₂激光器，出光时间为0.3～0.5S；宽带光源选用半导体线性扫描激光器，输出功率10mW；光谱仪选用YOKOGAWAAQ6317C型光纤光谱仪，测量波长范围是1520nm-1580nm内；布拉格光纤光栅选用1549nm单模光纤；测量应力实验用的砝码由20g到240g；温控设备温度30到90度。

对称双锥形光纤光栅的反射谱带宽变化量△λ与轴向应力成正比，温度的影响可忽略不计，根据谱宽变化量反演得到轴向应力。参考光栅中心波长变化量△λ₁与应力、温度有关，总的中心波长变化量△λ₁减去轴向应力导致的波长变化量，只剩下温度导致的波长变化量，而温度与剩余波长变化量成正比，反演得到温度。

如图2所示，对称双锥形光纤光栅是利用激光熔融技术并采用周期性方向改变的轴向力所形成左右对称锥形结构，左半部分包层与纤芯直径同时沿光栅轴向方向线性减小，右半部分则是线性增加，光栅周期正好呈相反规律变化，如图3所示。同时，双锥区的纤芯有效折射率沿轴向线性改变。对称双锥形光纤光栅的仿真光谱如图4所示。

因为对称双锥形光纤光栅左右对称，所以这里只对其左半部分加以说明。假设拉锥前光纤光栅一半的长度L₁，包层半径R₁，纤芯半径r₁，光栅周期Λ，拉锥后的长度是L₂，包层半径R(z)，纤芯半径r(z)，最小包层半径R₂，最小纤芯半径r₂，啁啾系数C，光栅周期Λ(z),包层截面积A(z)。本发明的光纤光栅的包层和纤芯是线性的锥形剖面，所以包层半径，纤芯半径以及截面积线性减小，包层半径R(z)，线性半径r(z)，包层截面积A(z)分别为：

A(z)＝π×R² (3)

左半部分光栅的周期随着光栅轴向长度线性变化，光栅周期Λ(z)为:

Λ(z)＝C×L₂+Λ+z×C (4)

式中C是啁啾系数:

由(5)式可知，啁啾系数与锥区长度的改变量有关，所以通过改变锥区长度变化量，可得到不同啁啾系数，进而实现传感器灵敏度可调。光纤光栅长度是指全部具有光栅结构的光纤区域长度，包括上述锥区；而锥区是指光纤光栅中其中一部分(也可以是全部)长度区域内，利用相关技术实现的纤芯和包层直径沿光纤轴向有变化的区域，即外观上不再是圆柱体而是椎体的区域，所以锥区长度是指该区域部分的长度，如图3中(－L₂～L₂)区域。

本专利所实现的对称双锥形光纤光栅其纤芯直径沿轴向是变化的，所以有效折射率随着轴向位置z而变化。有效折射率n_eff为：

式中d(z)是纤芯直径,n_co是纤芯折射率，n_cl是包层折射率。

通过上面的变量求解，锥形带宽与与轴向应力的关系式为：

从(7)式中，我们可以看出应力与锥形光谱带宽成正比关系，如图5所示。

锥形带宽变化量与温度的关系，如下式所示：

式中，ζ是光纤光栅的热光系数，α是膨胀系数。

从(8)式中可以看出与普通锥形光纤光栅相比，由于每段光栅的有效折射率和光栅周期变化量不同，对称双锥形光纤光栅温度的变化也会引起光谱带宽的变化，且是正比关系，如图6所示，但是应力引起的带宽变化量比温度引起的带宽变化量一般高2～3个数量级，所以温度引起的带宽变化量可以忽略不计

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (8)

1.一种对称双锥形光纤光栅的传感器系统，其特征在于，所述系统包括宽带光源、耦合器、环形器一、环形器二、光谱仪、砝码一、砝码二、激光器和温控箱，所述宽带光源与所述耦合器连接，所述耦合器的两输出端分别与所述环形器一和所述环形器二的1号端口连接，所述环形器一和所述环形器二的2号端口均与所述温控箱连接，所述环形器一和所述环形器二的3号端口均与所述光谱仪连接，所述激光器、所述砝码一和所述砝码二均与所述温控箱连接，所述温控箱内部包括参考光纤光栅和双锥形光纤光栅。

2.根据权利要求1所述的一种对称双锥形光纤光栅的传感器系统，其特征在于：所述参考光纤光栅分别与所述环形器一的2号端口和所述砝码一连接。

3.根据权利要求2所述的一种对称双锥形光纤光栅的传感器系统，其特征在于：所述双锥形光纤光栅分别与所述环形器二的2号端口、所述激光器和所述砝码二连接。

4.根据权利要求1-3所述的任意一种对称双锥形光纤光栅的传感器系统的光栅设计方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

对预处理后的布拉格光纤光栅施加高温；

对布拉格光纤光栅施加轴向力，使其产生轴向啁啾；

改变布拉格光纤光栅包层与纤芯沿轴向的直径分布，使其产生轴向线性切趾。

5.根据权利要求4所述的一种对称双锥形光纤光栅设计方法，其特征在于：所述布拉格光纤光栅的预处理方法包括：

对布拉格光纤光栅进行饱和载氢和退火处理。

6.根据权利要求4所述的一种对称双锥形光纤光栅设计方法，其特征在于：所述布拉格光纤光栅高温施加的方法包括：

采用激光熔融技术产生大范围高温场区覆盖布拉格光纤光栅区域。

7.根据权利要求4所述的一种对称双锥形光纤光栅设计方法，其特征在于：所述轴向啁啾的产生方法包括如下步骤：

在布拉格光纤光栅两端施加方向相反的轴向力；

周期性的改变轴向力使布拉格光纤光栅产生周期变化。

8.根据权利要求4所述的一种对称双锥形光纤光栅设计方法，其特征在于：光栅周期可有以下公式确定：

Λ(z)＝C×L₂+Λ+z×C

其中：Λ(z)表示光栅周期，C表示啁啾系数，L₂表示光纤光栅拉伸后的长度,z表示沿光纤光栅轴向位置；

啁啾系数与锥区长度的改变量有关可有下式表示：

其中：L₁表示光纤光栅拉伸前的一半长度，Λ为光纤光栅的周期。