CN111024138B - 一种双参量光纤传感器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双参量光纤传感器及其测量方法，所述传感器包括光源、传输光纤、光纤传感结构和光谱分析仪，光源的输出端通过传输光纤与光纤传感结构的输入端连接，光纤传感结构输出端与光谱分析仪连接；光纤传感结构包括单模光纤、PBF结构、LPFG结构，单模光纤的端面与PBF连接，并且其端面位于PBF的尾纤处与LPFG结构连接。所述传感器结构简单，成本低，测量稳定性好，对应力和温度的交叉敏感。所述测量方法首先进行理论分析，然后进行光纤传感器的制备，再研究其双参量特性，最后得出测量结论；本发明通过对该传感器温度和应变传感特性进行了研究，通过该系统的传感系数矩阵便可以同时监测外界温度和应变双参量的变化。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器领域，更具体地，涉及一种双参量光纤传感器及其测量方法。
背景技术
随着现代光纤通信技术的发展，光纤传感技术逐步进入传感领域市场，相对于传统传感器，光纤传感器质量轻，体积小，抗腐蚀，损耗低，测量精度高，测量范围广，更符合现代传感技术的发展要求，被广泛应用于航空航天、化学检测、健康监测、石油勘探以及生物医学等各个领域。
温度和应变是两个对于材料非常重要的参数，在医学检测，工业生产以及大型飞行器件的正常运行都应用广泛，针对温度和应变传感器的研究也越来越多。
其中，温度和应变是传统传感器能够直接传感测量的两个最基本的物理参量，它们构成了其它各物理量传感的基础。
目前针对传感器的研究更多的是单一变量的传感测量，而实际环境并不是简单的单一变量，交叉敏感问题无处不在。近年来，对于双参数测量传感器的研究也受到研究者的广泛青睐，其中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，实现的快慢轴折射率灵敏度分别达到-1.06％0.01RIU和-0.96％.0.0RIU，温度灵敏度达到10.52pm/℃和10.13pm/℃；同年，西北工业大学邵敏等人利用长周期光纤光栅(LPFG结构)和保偏光纤(PMF)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，其中温度灵敏度0.1286nm/℃，折射率灵敏度为49.38dB/RIU。2014年JianyingYuan等人利用长周期光纤光栅(LPFG结构)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。2017年，天津大学徐德刚设计了一种基于级联保偏光纤(PMF)和长周期光纤光栅(LPFG结构)的Sagnac环温度和环境折射率双参量传感器，其中，温度灵敏度为1.2nm/℃，环境折射率灵敏度为15nm/RIU。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种双参量光纤传感器及其测量方法，解决了目前针对传感器的研究更多的是单一变量的传感测量，而实际环境并不是简单的单一变量，交叉敏感问题无处不在的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
本发明提供一种双参量光纤传感器，包括光源结构、传输光纤、光纤传感结构和光谱分析仪。
所述光纤传感结构包括单模光纤、PBF、LPFG结构，所述单模光纤的端面与光纤PBF结构连接，并且单模光纤的端面且位于光纤PBF结构的尾纤处与LPFG结构连接。
本发明还提供一种双参量光纤传感器测量方法，包括以下步骤：
S1、理论分析：将光纤PBF结构(32)利用熔接机与单模光纤(31)端面连接，并使单模光纤(31)端面与端面切平的光纤LPFG结构(33)串联形成双参量测量的传感器，当环境温度与应变发生改变时，光纤PBF的内部液体折射率以及LPFG结构的包层折射率等会发生改变，因此，透射光谱的波长也会随之发生漂移，假定光纤PBF结构和LPFG结构温度与应变感应的透射光谱的波长变化线性且独立无关，因此只要确定灵敏系数矩阵就可以通过光纤PBF结构和LPFG结构波长变化值求解方程得到相应的温度与应变值；
S2、光纤传感器制备：制备两个光纤传感器，包括传感器一和传感器二；
传感器一，将光子晶体光纤利用真空泵将折射率为1.51的温敏液体引入到空气孔中，形成光子带隙光纤PBF；传感器二，将单模光纤的一端去除涂覆层，并用酒精清洁干净，然后用切割刀切平，将单模光纤去除涂覆层的部分置于二氧化碳打标机中对其进行打标，设定周期数为40，写制周期为500um，打标7次后，利用熔接机将另一端与PBF串联形成双参数测量的传感器；
S3、双参量特性研究：PBF结构的光子带隙波长及LPFG结构峰值波长均随着应变的改变而漂移，且都会随着加载量的增加向着短波长方向漂移；其中PBF结构的监测点选取损耗为-28dB的点，在应变力0N～21N范围内波长从1180.182nm漂移至1177.530nm，加载灵敏度为-0.13162nm/N；在温度35℃～75℃范围内波长从1249.802nm漂移至970.423nm，加载灵敏度为-6.321nm/℃；LPFG结构的监测点为谐振峰中心波长，在应变力0N～21N范围内波长从1289.625nm漂移至1284.521nm，加载灵敏度为-0.232nm/N。在温度35℃～75℃范围内波长从1288.160nm漂移至1289.896nm，加载灵敏度为-0.041nm/℃。线性度均达到了0.99以上；
S4、结论：对该传感器温度和应变传感特性进行了研究，建立了该传感器温度及应变和光谱波长之间的数学模型，通过该传感器的传感系数矩阵便可以同时监测外界温度和应变双参量变化。
在S1中，外界温度和应变的变化时，光纤PBF结构和LPFG结构的透射谱波长的变化Δλ1，Δλ2和与温度变化ΔT和应变变化Δε成近似的线性关系，写作：
Δλ1＝K11ΔT+K12Δε (1)
Δλ2＝K21ΔT+K22Δε (2)
其中：K11，K12，K21，K22分别为光纤PBF结构的温度灵敏度系数，应变灵敏度系数，LPFG结构的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数；
联立式(1)和式(2)，可以得到温度和应变的变化量与光谱波长的变化矩阵为：
对式(3)求其逆矩阵，可得：
如果测得传感器对温度和应变的变化灵敏度，则通过光谱仪监测系统反射光谱的波长变化值Δλ1Δλ2，代入式(4)就可以确定外界环境温度和应变的改变情况，实现温度和应变的双参量测量。
在S3中，当外界温度变化时，光纤PBF结构-28dB目标带隙边沿发生漂移，即灵敏度为-6.321nm/℃，LPFG结构光谱谐振中心波长红移，灵敏度达到0.041nm/℃；当该传感器发生应变时，其中光纤PBF结构的加载灵敏度为-0.132nm/N；LPFG结构加载灵敏度为-0.232nm/N；分别将上述温度和应变相关的灵敏度系数代入式(4)，可以得到该传感器的温度和应变传感的矩阵方程为：
在实际测量中，通过解调该传感器的波长变化值，便可以实时监测环境的温度和应变，实现温度和应变双参量实时测量。
(三)有益效果
本发明使用的是光纤PBF级联LPFG结构的光纤，使用光纤实现双参量同时测量的原理是根据不同的光纤结构对不同物理量的响应灵敏度不同，能够克服单参量传感器存在交叉敏感的问题，而本专利设计的双参量光纤传感器是通过将带隙光纤与光纤光栅级联，实现了对温度和应变的同时测量的同时相互影响的程度较小，由于PBF是对应变的感应灵敏度较强的光纤，而LPFG结构光纤是对温度变化感应灵敏度较强的光纤，两个光纤无论是从单一参量测量还是从整体同时测量两个参量都有明显的优势。而传统的光纤F-P腔级联FBP结构的光纤同样可以克服交叉敏感问题，但在同时测量应变及温度时互相影响的程度较大。
附图说明
图1为本发明系统检测结构图。
图2为本发明光纤PBF级联LPFG结构示意图。
图3为本发明光纤传感器中PBF部分随应力变化的透射图谱。
图4为本发明光纤传感器中PBF部分随应力变化的灵敏度曲线。
图5为本发明光纤传感器中LPFG结构部分随应力变化的透射图谱。
图6为本发明光纤传感器中LPFG结构部分随应力变化的灵敏度曲线。
图中，1-光源、2-传输光纤、3-光纤传感结构、31-单模光纤、32-光纤PBF结构、33-LPFG结构、4-光谱分析仪。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种双参量光纤传感器，如图1-2所示，所述光纤传感器包括光源1、传输光纤2、光纤传感结构3和光谱分析仪4，所述光源1的输出端通过传输光纤2与光纤传感结构3的输入端连接，光纤传感结构3输出端与光谱分析仪4连接；
所述光纤传感结构3包括单模光纤31、PBF 32、LPFG结构33，所述单模光纤31的端面与PBF32固定连接，并且单模光纤31的端面位于PBF32的尾纤处与LPFG结构(Long PeriodFiber Gratings，长周期光纤光栅)33连接。
所述光纤PBF32利用熔接机与单模光纤31端面连接，与另一端端面切平的光纤LPFG结构33熔接而成。
所述PBF32的光子带隙部分为1300nm～1600nm。
LPFG结构33结构的写制周期为500um时，谐振峰波长为1289.2nm。
实施例2：
本实施例提供一种双参量光纤传感器的测量方法，所述方法包括以下步骤：
S1、理论分析：将光纤PBF结构(32)利用熔接机与单模光纤(31)端面连接，并使单模光纤(31)端面与端面切平的光纤LPFG结构(33)串联形成双参量测量的传感器，当环境温度与应变发生改变时，光纤PBF32的内部液体折射率以及LPFG结构33的包层折射率等会发生改变，因此，透射光谱的波长也会随之发生漂移，假定光纤PBF结构32和LPFG结构33温度与应变感应的透射光谱的波长变化线性且独立无关，因此只要确定灵敏系数矩阵就可以通过光纤PBF结构32和LPFG结构33波长变化值求解方程得到相应的温度与应变值；
S2、光纤传感器制备：制备两个光纤传感器，包括传感器一和传感器二；
传感器一的制备为：将光子晶体光纤利用真空泵将折射率为1.51的温敏液体引入到空气孔中，形成光子带隙光纤PBF32；
传感器二的制备为：将单模光纤的一端去除涂覆层，并用酒精清洁干净，然后用切割刀切平，将单模光纤去除涂覆层的部分置于二氧化碳打标机中对其进行打标，设定周期数为40，写制周期为500um，打标7次后，利用熔接机将一端与PBF33串联形成双参数测量的传感器；
S3、双参量特性研究：PBF结构32的光子带隙波长及LPFG结构33峰值波长均随着应变的改变而漂移，且都会随着加载量的增加向着短波长方向漂移；其中PBF结构32的监测点选取损耗为-28dB的点，在应变力0N～21N范围内波长从1180.182nm漂移至1177.530nm，加载灵敏度为-0.13162nm/N，如图3、图4所示；在温度35℃～75℃范围内波长从1249.802nm漂移至970.423nm，加载灵敏度为-6.321nm/℃；LPFG结构33结构的监测点为谐振峰中心波长，在应变力0N～21N范围内波长从1289.625nm漂移至1284.521nm，加载灵敏度为-0.232nm/N。在温度35℃～75℃范围内波长从1288.160nm漂移至1289.896nm，加载灵敏度为-0.041nm/℃，线性度均达到了0.99以上，如图5、图6所示。
S4、结论：对所述传感器温度和应变传感特性进行了研究，建立了该传感器温度及应变和光谱波长之间的数学模型，通过该传感器的传感系数矩阵便可以同时监测外界温度和应变双参量变化。
在S1中，外界温度和应变的变化时，光纤PBF结构32和LPFG结构33的透射谱波长的变化Δλ1，Δλ2和与温度变化ΔT和应变变化Δε成近似的线性关系，写作：
Δλ1＝K11ΔT+K12Δε (1)
Δλ2＝K21ΔT+K22Δε (2)
其中：K11，K12，K21，K22分别为光纤PBF结构32的温度灵敏度系数，应变灵敏度系数，LPFG结构33的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数；
联立式(1)和式(2)，可以得到温度和应变的变化量与光谱波长的变化矩阵为：
对式(3)求其逆矩阵，可得：
如果测得传感器对温度和应变的变化灵敏度，则通过光谱仪监测系统反射光谱的波长变化值Δλ1Δλ2，代入式(4)就可以确定外界环境温度和应变的改变情况，实现温度和应变的双参量测量。
在S3中，当外界温度变化时，光纤PBF结构32-28dB目标带隙边沿发生漂移，即灵敏度为-6.321nm/℃，LPFG结构(33)结构光谱谐振中心波长红移，灵敏度达到0.041nm/℃；当该传感器发生应变时，其中光纤PBF结构32的加载灵敏度为-0.132nm/N；LPFG结构33加载灵敏度为-0.232nm/N；分别将上述温度和应变相关的灵敏度系数代入式(4)，可以得到该传感器的温度和应变传感的矩阵方程为：
在实际测量中，通过解调该传感器的波长变化值，便可以实时监测环境的温度和应变，实现温度和应变双参量实时测量。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种双参量光纤传感器的测量方法，其特征在于，所述方法用于测量双参量光纤传感器，所述双参量光纤传感器包括光源(1)、传输光纤(2)、光纤传感结构(3)和光谱分析仪(4)，其特征在于，所述光源(1)的输出端通过传输光纤(2)与光纤传感结构(3)的输入端连接，光纤传感结构(3)输出端与光谱分析仪(4)连接；
所述光纤传感结构(3)包括单模光纤(31)、光纤PBF结构(32)、光纤LPFG结构(33)，所述单模光纤(31)的端面与光纤PBF结构(32)固定连接，并且所述单模光纤(31)的端面位于光纤PBF结构(32)的尾纤处的部分，与光纤LPFG结构(33)连接；所述方法包括以下步骤：
S1、理论分析：将光纤PBF结构(32)利用熔接机与单模光纤(31)端面连接，并使单模光纤(31)端面与端面切平的光纤LPFG结构(33)串联形成双参量测量的传感器，当环境温度与应变发生改变时，光纤PBF结构(32)的内部液体折射率以及光纤LPFG结构(33)的包层折射率会发生改变，因此，透射光谱的波长也会随之发生漂移，假定光纤PBF结构(32)和光纤LPFG结构(33)温度与应变感应的透射光谱的波长变化线性且独立无关，因此只要确定灵敏系数矩阵就可以通过光纤PBF结构(32)和光纤LPFG结构(33)波长变化值求解方程得到相应的温度与应变值；
S2、光纤传感器制备：制备两个光纤传感器，包括传感器一和传感器二；
传感器一的制备为：将光子晶体光纤利用真空泵将折射率为1.51的温敏液体引入到空气孔中，形成光子带隙光纤PBF结构(32)；
传感器二的制备为：将单模光纤的一端去除涂覆层，并用酒精清洁干净，然后用切割刀切平，将单模光纤去除涂覆层的部分置于二氧化碳打标机中对其进行打标，设定周期数为40，写制周期为500um，打标7次后，利用熔接机将另一端与光纤PBF结构(32)串联形成双参量测量的传感器；
S3、双参量特性研究：光纤PBF结构(32)的光子带隙波长及光纤LPFG结构(33)峰值波长均随着应变的改变而漂移，且都会随着加载量的增加向着短波长方向漂移；其中光纤PBF结构(32)的监测点选取损耗为-28dB的点，在应变力0N～21N范围内波长从1180.182nm漂移至1177.530nm，加载灵敏度为-0.13162nm/N；在温度35℃～75℃范围内波长从1249.802nm漂移至970.423nm，温度灵敏度系数为-6.321nm/℃；光纤LPFG结构(33)的监测点为谐振峰中心波长，在应变力0N～21N范围内波长从1289.625nm漂移至1284.521nm，加载灵敏度为-0.232nm/N；在温度35℃～75℃范围内波长从1288.160nm漂移至1289.896nm，温度灵敏度系数为-0.041nm/℃；线性度均达到了0.99以上；
S4、得出结论：对所述传感器温度和应变传感特性进行了研究，建立了该传感器温度及应变和光谱波长之间的数学模型，通过该传感器的灵敏系数矩阵便可以同时监测外界温度和应变双参量变化。
2.根据权利要求1所述的双参量光纤传感器的测量方法，其特征在于，所述光纤PBF结构(32)利用熔接机与单模光纤(31)的端面连接，与另一端端面切平的光纤LPFG结构(33)熔接而成。
3.根据权利要求1所述的双参量光纤传感器的测量方法，其特征在于：所述PBF结构(32)的光子带隙部分为1300nm～1600nm。
4.根据权利要求1所述的双参量光纤传感器的测量方法，其特征在于：在S1中，外界温度和应变的变化时，光纤PBF结构(32)和光纤LPFG结构(33)的透射光谱波长的变化Δλ1，Δλ2和与温度变化ΔT和应变变化Δε成线性关系，写作：
Δλ1＝K11ΔT+K12Δε (1)
Δλ2＝K21ΔT+K22Δε (2)
其中：K11，K12，K21，K22分别为光纤PBF结构(32)的温度灵敏度系数，加载灵敏度，光纤LPFG结构(33)的温度灵敏度系数和加载灵敏度；
联立式(1)和式(2)，可以得到温度和应变的变化量与光谱波长的变化矩阵。
5.根据权利要求4所述的双参量光纤传感器的测量方法，其特征在于：温度和应变的变化量与光谱波长的变化矩阵为：
6.根据权利要求5所述的双参量光纤传感器的测量方法，其特征在于：对式(3)求其逆矩阵，可得：
如果测得传感器对温度和应变的变化灵敏度，则通过光谱分析仪监测系统透 射光谱的波长变化值Δλ1、Δλ2，代入式(3)的逆矩阵就可以确定外界环境温度和应变的改变情况，实现温度和应变的双参量测量。
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