CN112146690A - 一种基于双包层光纤的多参量测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于双包层光纤的多参量测量装置。所述的装置包括依次相连的光源1、单模光纤2、起偏器3、偏振控制器4、具有倾斜光栅6的双包层光纤5以及信号解调器7。所述的双包层光纤具有内外两层包层，倾斜光栅刻制在纤芯上。光源发出的光经过倾斜光栅后形成梳状透射谱，透射谱包含Bragg谐振峰，内包层谐振峰以及外包层谐振峰。当倾斜光栅外部环境变化时，倾斜光栅透射谱发生变化，通过监测谐振峰波长和强度变化实现对温度、弯曲、轴向应变、折射率等参量的实时检测，具有体积小、响应快、灵敏度高等优点。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种基于双包层光纤的多参量测量装置，具体涉及一种基于双包层倾斜光栅传感器，可以对温度、弯曲、折射率等参量进行测量，属于光纤传感技术领域。
(二)背景技术
温度、应变和环境折射率的测量是生化工程、环境监测和医学科学中的一个重要过程。光纤传感器以其体积小、响应快、可操作性强等优点得到了广泛的关注。在光纤传感领域，光纤光栅的应用和研究也已非常普遍和实用化。光纤Bragg光栅传感器主要用于应力应变、温度和湿度的测量，但Bragg波长对应力和温度的变化均很敏感，很难消除交叉串扰问题。虽然长周期光纤光栅对环境折射率的测量具有优良的性能，但其对周围环境的扰动具有高交叉敏感性是不容忽视的。
为了使沿纤芯传输的光能够与外界环境直接相互作用，已经有很多方法被报道，比如去除光纤包层、D型光纤等使纤芯传输的光直接作用于外界环境，但这些方法需要严格的工艺控制、结构不稳定，不易量产。倾斜光栅由于其独特的物理结构，包含了Bragg光栅和长周期光栅的优势，可以成功的克服这些缺点，在对各种参数的同时测量中显示出巨大的潜力。但是目前的倾斜光栅在制作设计中，存在着倾斜角度太大，制备起来较为困难，传感量间存在交叉影响，且只能同时测量温度和折射率，以及对环境适应性不足等缺陷。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双包层光纤的多参量测量装置，可以对温度、弯曲、折射率等参量进行测量。
为达到上述目的，本发明采用的方案是：
一种基于双包层光纤的多参量测量装置，包括光源、单模光纤、起偏器、偏振控制器、具有倾斜光栅的双包层光纤以及信号解调器。
所述的光源通过单模光纤与起偏器相连接，起偏器连接偏振控制器，偏振控制器通过单模光纤与带有倾斜光栅的双包层光纤相连接，双包层光纤的另一端通过单模光纤与信号解调器相连接。
本发明的工作原理：
双包层光纤倾斜光栅的纤芯折射率调制相对于纤芯轴线成一定角度。当光源发出的光经过倾斜光栅时，除了可以将纤芯内Bragg波长反射外，还可以将部分纤芯能量后向耦合到光纤包层中，这些后向耦合的包层模式每一个都有自己特定的耦合波长和模场分布。
每一个包层模式的有效折射率与其耦合波长之间的关系可以用相位匹配条件表示：
λBragg＝(ncore+ncore)Λ/cosθ
λclad,i＝(nclad,i+ncore)Λ/cosθ
其中，下标i表示模数，ncore和nclad,i分别是纤芯和包层模式(第i阶)的有效折射率，Λ是用于创建光栅的干涉图样的周期，θ是光栅的倾斜角度，即光栅平面相对于光纤截面的倾斜角。
倾斜光栅的透射谱呈光梳状，其中每个谐振峰均对应一个或多个包层模式，其光谱位置(波长)取决于相应包层模式的有效折射率。由于外包层与外界环境接触，因此外包层谐振峰对光纤表面介质的光学特性较为敏感，以用于测量环境折射率的变化；内包层由于受外包层保护，接触不到外界环境，因而谐振峰不受环境折射率变化的影响，可用于弯曲、扭转等参量的测量，同时Bragg谐振峰可用于温度和轴向应变带来的影响。
本发明所使用的光纤为双包层光纤，在纤芯外制有内外两层包层，且两包层之间存在折射率差，纤芯上刻制有倾斜光栅。倾斜光栅长度为5mm-50mm；倾斜角度不超过45°，倾斜光栅的制备可以使用传统的相位掩膜版法，也可以使用飞秒激光微加工法。
本发明所述的双包层光纤的纤芯直径与单模光纤相同，约为9μm，外包层直径为125μm，使其与单模光纤焊接时较为容易。
为了保证内包层中有模式存才且能发生耦合，本发明所述的双包层光纤内包层直径为11μm-110μm。
本发明所述的双包层光纤的纤芯与内包层及内包层与外包层之间均存在折射率差，两个折射率差可以是相同的也可以是不同的。
本发明所述的双包层光纤的折射率变化可以是阶跃型的也可以是渐变型的。
本发明所述的信号解调器针对于测量的参量不同，可以是光谱分析仪，也可以是由光电二极管和信号采集卡组成的解调系统。
本发明所述的光源为宽带光源，其所输出的光谱范围涵盖倾斜光栅的输出光谱。为了消除倾斜光栅偏振特性所带来的影响，使用起偏器和偏振控制器保证入射光的偏振性。
本发明的有益效果为：
1、本发明所设计的传感装置，可以同时对温度、弯曲、折射率等参量进行测量，实现多参量实时检测；
2、由于本发明采用了双包层光纤，在双包层纤芯上刻制倾斜光栅光栅，透射谱包含了Bragg谐振峰，内包层谐振峰和外包层谐振峰，消除了多参量测量的交叉干扰，简化了解调方法，缩短了运算过程；
3、所述的光纤传感装置具有体积小、灵敏度高、耐高温、耐腐蚀、响应快、可操作性强等优点。
(四)附图说明
图1是基于双包层光纤的多参量测量装置示意图；
图2是双包层光纤倾斜光栅传输示意图；
图3是双包层光纤截面示意图；
图4是数值计算的得到的双包层光纤倾斜光栅透射谱。
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种基于双包层光纤的多参量测量装置的具体实施方式加以说明：
实施例1
如图1所示，一种基于双包层光纤的多参量测量装置。
其装置如图1所示，包括依次相连的光源1、单模光纤2、起偏器3、偏振控制器4、具有倾斜光栅6的双包层光纤5以及信号解调器7。
倾斜光栅制备：
1)光纤载氢预处理：将双包层光纤光纤放入充满氢气的容器中，压强为8MPa，温度为室温，在240小时后，可使氢气分子扩散到光纤的纤芯中，若要缩短载氢时间，可适当将温度提高或增加压强；
2)倾斜光栅刻制：紫外入射光经过扩束镜和聚焦透镜后聚焦到相位掩膜板上，掩膜版与双包层光纤保持平行，聚焦后的紫外光通过掩膜版照射到光纤上，旋转掩膜版，使掩膜版相对于光纤产生一定的倾角，控制写入时间及紫外光能量，得到具有高消光比的倾斜光栅，制备好的倾斜光栅及传输示意图如图2所示。
优选的，所述的紫外入射光是由193nm的准分子激光器输出能量为7mJ、频率100Hz的紫外脉冲激光。
优选的，所述双包层光纤截面如图3所示，纤芯的折射率高于内包层折射率，内包层折射率高于外包层折射率，折射率呈阶跃型变化。
优选的，所述的双包层倾斜光栅栅区长度为10mm，倾斜角度为3°。
测量时，光源输出的光经起偏器后转变成线偏振光，通过偏振控制器调节线偏振光的方向，使透射谱呈现单一偏振态。图4为仿真的得到的双包层光纤倾斜光栅透射谱，内包层为半径32.5μm，倾斜角为3°，阴影部分为内包层谐振峰。透射谱中每一个包层模谐振峰均可作为一个独立的传感信息载波，其外包层谐振峰的变化可以直观反映光纤所处环境或周围介质的有效折射率的变化。由于外包层与周围环境直接接触，因此在进行折射率测量时，可以通过对外包层谐振峰的检测得到外界环境折射率的变化。
折射率测量主要有两种主要的解调技术，第一种是基于整体光谱包络的演变分析，通过观察透射光谱的上下包络的光谱面积来定量光谱变化(与透射光总能量相关)；另一种方法是更为常用的直接监测截止模式，当环境折射率与倾斜光栅摸个包层模的有效折射率相同时，该模式将成为截止模式，此时该包层模谐振条件处在被破坏的边缘且其能量将逐渐外溢出光纤，从光谱上看，截止模谐振峰表现为在泄露模和包层模之间存在一个强度陡变的模式。第二种解调方式更为直观，并且所监测信号的品质因数高，解调精度也更为优越。
由于内包层外包覆有外包层，因此内包层并不与外界环境直接接触，从而导致当外界环境折射率变化时，内包层谐振峰不受影响。由于在内包层与纤芯分界面存在低阶模式，且分布不均匀，因此任何轻微的光纤弯曲都可能引起其横向电场振幅分布的变化，引起谐振峰功率的变化。通过对内包层谐振峰功率的监测可以实现弯曲、扭转等参量测量。
纤芯模式为Bragg谐振峰，其直对温度和轴向应变敏感，通过对Bragg峰的检测可以消除温度、轴向应变以及光源输出功率波动产生的交叉干扰。
Claims (8)
1.一种基于双包层光纤的多参量测量装置，其特征在于：包括依次相连的光源、单模光纤、起偏器、偏振控制器、刻制有倾斜光栅的双包层光纤以及信号解调器，所述的双包层光纤具有内外两层包层，倾斜光栅刻制在纤芯上，光源发出的光经过倾斜光栅后形成梳状透射谱，透射谱包含Bragg谐振峰，内包层谐振峰以及外包层谐振峰，当倾斜光栅外部环境变化时，倾斜光栅透射谱发生变化，通过监测谐振峰波长和强度变化实现对温度、弯曲、轴向应变、折射率等参量的实时检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于双包层光纤的多参量测量装置，其特征在于所述倾斜光栅长度为5mm-50mm；倾斜角度不超过45°。
3.根据权利要求1所述的一种基于双包层光纤的多参量测量装置，其特征在于所述的双包层光纤的纤芯直径与单模光纤相同，双包层光纤外包层直径为125μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于双包层光纤的多参量测量装置，其特征在于所述的双包层光纤内包层直径为11μm-110μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于双包层光纤的多参量测量装置，其特征在于所述的双包层光纤纤芯与内包层及内包层与外包层之间均存在折射率差，两个折射率差可以是相同的也可以是不同的。
6.根据权利要求1所述的一种基于双包层光纤的多参量测量装置，其特征在于所述的双包层光纤的折射率变化可以是阶跃型的也可以是渐变型的。
7.根据权利要求1所述的一种基于双包层光纤的多参量测量装置，其特征在于所述的光源为宽带光源，其所输出的光谱范围涵盖倾斜光栅的输出光谱。
8.根据权利要求1所述的一种基于双包层光纤的多参量测量装置，其特征在于所述的信号解调器针对于测量的参量不同，可以是光谱分析仪，也可以是由光电二极管和信号采集卡组成的解调系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201229 |