CN112146799A - 一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置。所述的装置包括依次相连的光源、单模光纤、起偏器、偏振控制器、光纤固定夹、具有湿度敏感膜的双包层光纤倾斜光栅、扭转装置以及光谱分析仪。光源发出的光经过单模光纤传输至起偏器获得线偏振光，利用偏振控制器改变线偏振光的偏振方向，使入射到倾斜光栅的光为单一偏振态。当外部湿度变化时，湿度敏感膜折射率发生改变，倾斜光栅透射谱的外包层谐振峰发生变化；当发生扭转时，内外包层谐振峰强度同时发生变化。通过对所选谐振峰进行标定，得到相应的灵敏度系数，实现对湿度和扭转的传感测量，本发明具有体积小、响应快、灵敏度高等优点。

Description

一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置

(一)技术领域

本发明涉及一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置，具体涉及一种基于双包层光纤倾斜光栅传感器，可以对温度、湿度、扭转等参量进行测量，属于光纤传感技术领域。

(二)背景技术

扭转是结构安全监测中需要考虑的关键参数之一，安全结构监测和形状传感已被广泛研究和应用于包括桥梁、建筑物、隧道、大坝和管道监测等众多领域，目的是对即将发生的异常情况或早期事故进行预警，以避免人员伤亡，并提供维护和维修建议。

当前应用于扭转测量的传感器主要有三类：机械式、电磁式和光纤式。机械式扭转角度测量主要是基于轴向应变片的传感模式，对机械加工要求高，结构复杂且成本较高。电磁式扭转角度测量主要是基于电磁离合式测功机，测量精度高，但其体积较大，易受外部电磁干扰，几下加工要求高，成本高，结构复杂，一般只作为标准测量使用。光纤式扭转传感器相比于其他两类具有体积小、抗电磁干扰和遥感能力强等独特优势。

现已报道的基于光纤的扭转传感器主要可分包括光纤布拉格光栅(FBGs)、长周期光栅(LPGs)、保偏啁啾光纤布拉格光栅以及许多其他光学结构，如萨格纳克或马赫-曾德尔干涉仪等。专利CN208238813U提出了一种马赫-曾德尔干涉型扭转传感器，通过对光纤熔融螺旋，利用螺旋结构导致的双折射特性形成马赫-曾德尔干涉，当扭转时，螺旋结构中的快光和慢光传输速度不同，产生光程差，引起干涉峰的漂移。但此种方法在螺旋时很难实现参数控制，难以实现批量生产。专利CN110207736A提出一种微纳结构的扭转传感器，通过观察输出端光斑的变化实现扭转的测量，但此种方法需要较复杂的解调方式，且拉锥的方式降低了传感器的机械强度。

近些年来，倾斜光纤布拉格光栅(TFBG)在测量扭转和其它物理量方面得到了广泛的应用。在测量扭转时主要是利用了输出光的偏振效应的特性。TFBG具有制造简单、体积小等传统光纤光栅技术的优点。在解调时可以使用传统的光谱解调方式，也可以使用低成本的功率探测方法。专利CN107643056A提出了一种基于TFBG偏振特性的扭转传感器，利用对某一谐振峰两个偏振态强度变化的检测实现对扭转的测量。但其在测量时易受到外界环境变化带来的影响，例如外界折射率变化时，谐振峰会发生漂移，影响探测的准确度。因此，研究一种结构简单、可重复性高、且能消除交叉敏感问题的扭转传感器在目前仍然是一个挑战。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置，可以对湿度、扭转进行测量进行测量，同时消除掉温度带来的交叉干扰。

为达到上述目的，本发明采用的方案是：

一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置，包括依次相连的光源、单模光纤、起偏器、偏振控制器、光纤固定夹、具有湿度敏感膜的双包层光纤倾斜光栅、扭转装置以及光谱仪。

光源和起偏器、偏振控制器通过单模光纤连接，偏振控制器与具有湿度敏感膜的双包层光纤倾斜光栅相连，双包层光纤倾斜光栅的左端固定在光纤固定架上，右端放置在扭转装置上，双包层光纤和光谱仪通过单模光纤连接。其中光纤固定夹和扭转装置给双包层光纤施加一定的预应力，使得双包层光纤保持直线状态。

本发明的工作原理：

倾斜光栅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：

λ_Bragg＝(n_core+n_core)Λ/cosθ

λ_clad,i＝(n_clad,i+n_core)Λ/cosθ

其中，下标i表示模数，n_core和n_clad,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阶次包层模式，其光谱位置(波长)取决于相应包层模式的有效折射率，并对光纤表面介质的光学特性(环境折射率等)敏感。

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；倾斜角度为不超过45°。

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。

本发明所述的双包层光纤内包层直径为11μm-80μm。

本发明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。

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。

本发明所述的湿度敏感膜其折射率会随着外界的湿度变化而变化，如氧化石墨烯等，且其厚度不超过10μm。

光源发出的光经过单模光纤传输至起偏器和偏振控制器，利用偏振控制器改变偏振方向，使经过倾斜光栅后输出的光为单一偏振态，透射谱为包括Bragg谐振峰、内包层谐振峰、外包层谐振峰的梳状谱。当外部环境湿度发生变化时，湿度敏感膜吸收环境中的水分子，导致其有效折射率发生改变，倾斜光栅透射谱外包层的谐振峰随之发生变化，而内包层的谐振峰不受其影响；当发生扭转时，内外包层谐振峰都随之发生变化。通过对所选模式进行标定，得到相应谐振峰的相关灵敏度系数，结合选定谐振峰的灵敏度系数与变化量，最终实现对湿度和扭转的传感测量。

标定过程如下：

1)湿度标定：将倾斜光栅固定在光纤固定夹和扭转装置之间，保持光纤稳定，光源发出的光经起偏器与偏振控制器入射到倾斜光栅，当外界湿度变化时，倾斜光栅的透射谱会发生变化，利用光谱仪检测所述倾斜光栅Bragg谐振峰λ₁、选定的内包层谐振峰λ₂与选定的外包层谐振峰λ₃的透射强度变化，得到关于湿度的灵敏度系数；

扭转灵敏度标定：保持外界环境不变，将光纤一段固定在光纤固定夹上，另一端利用扭转装置进行扭转，当发生扭转时，倾斜光栅的谐振峰强度会发生变化，利用光谱仪检测到所述倾斜光栅的Bragg谐振峰λ₁、选定的内包层谐振峰λ₂与选定的外包层谐振峰λ₃的透射强度变化，得到关于扭转的灵敏度系数。

由于Bragg谐振峰只对温度和轴向拉力敏感，因此湿度和扭转不会对Bragg谐振峰强度产生影响，但其强度会随光源输出功率的波动发生变化，因此可以利用Bragg谐振峰消除光源不稳定带来的影响。

温度的变化会导致倾斜光栅透射谱谐振峰波长的变化，但本发明利用功率作为监测数据，消除了温度变化带来的影响。

本发明的有益效果为：

1、由于本发明采用了双包层光纤，在双包层纤芯上刻制光栅，通过对透射谱不同区域监测实现了多参量的测量，同时消除了温度所带来交叉敏感效应，简化了解调方法，提高了监测效率；

2、本发明将待测扭转角度与外界环境湿度的变化转变为输出光强度的变化，避免了采用波长漂移检测带来的不稳定性；

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是一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置示意图；

图2是具有湿度敏感膜的双包层光纤倾斜光栅光信号传输示意图；

图3是双包层光纤截面示意图；

图4是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扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置的具体实施方式加以说明：

实施例1

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、光纤固定夹5、具有湿度敏感膜的双包层光纤倾斜光栅6、扭转装置7以及光谱仪8。本实施例所使用的双包层光纤6-1为阶跃型双包层光纤，折射率n₁>n₂>n₃，所使用的湿度敏感膜6-3为氧化石墨烯。

倾斜光栅制备：

1)光纤载氢预处理：将双包层光纤6-1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。

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。

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模板上，掩模板与双包层光纤保持平行，聚焦后的紫外光通过掩模板照射到光纤上，旋转掩模板，使掩模板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6-2，透射谱如图4所示，双包层光纤内包层半径32.5μm，倾角为4°，阴影部分为内包层谐振峰。

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。

3)湿度敏感膜制备：本实施例使用的湿度敏感膜为氧化石墨烯，在倾斜光栅置于经超声分散的氧化石墨烯悬浮液中，保持镀膜区域完全浸入，镀膜时间为25分钟，对倾斜光栅进行通光，在光压和光热效应的作用下，氧化石墨烯逐渐吸附在光纤表面，最后置于室温下干燥，从而形成氧化石墨烯薄膜。

优选的，所述的双包层倾斜光栅栅区长度为20mm。

优选的，所述的氧化石墨烯的厚度为2μm。

测量时，光源输出的光经起偏器和偏振控制器后，使最后入射到倾斜光栅的光呈现出单一偏振态，以消除倾斜光栅偏振特性带来的影响，其光信号传输示意图如图2中箭头所示。倾斜光栅6-2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，形成一系列的包层谐振峰，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。由于本发明所使用的双包层光纤6-1外制备有湿度敏感膜6-3，因此在进行湿度测量时，可以通过对外包层谐振峰的检测得到湿度敏感膜折射率的变化，从而得到湿度的变化。

在进行传感测量之前需要对其进行参数标定，标定过程如下：

1、湿度H标定过程：将所述的氧化石墨烯涂覆的双包层光纤倾斜光栅置于恒温恒湿箱内，其余部分置于箱外，利用光纤固定夹是箱内的光纤保持稳定。光源发出的光经由起偏器和偏振控制器入射到倾斜光栅上，当湿度没有发生变化时，透射谱保持稳定。当湿度发生改变时，所述倾斜光栅透射谱会发生变化，改变湿度控制箱的湿度，利用光谱仪检测得到倾斜光栅所选内包层模式谐振峰λ_in和所选的外包层谐振峰λ_out的透射强度的变化量。通过数据处理得到两种谐振峰强度关于湿度的灵敏度系数K_H，in和K_H，out，由于内包层模式的谐振峰并不受外界环境的影响，因此所选内包层谐振峰的湿度灵敏度系数K_H，in为0。

2、扭转角度α标定过程：将所述的氧化石墨烯涂覆的双包层光纤倾斜光栅置于外部湿度、温度恒定的环境中，将光纤一端置于光纤固定夹固定，另一端置于旋转装置上，通过旋转装置使双包层光纤倾斜光栅发生扭转。光源发出的光经由起偏器获得线偏振光，通过偏振控制器改变线偏振光的偏振态，使经过倾斜光栅输出的光为单偏振态透射光。当倾斜光栅发生扭转，包层模的偏振态随着扭转发生变化，谐振峰的透射强度也随之发生改变，利用光谱仪检测得到倾斜光栅所选内包层模式谐振峰λ_in和所选的外包层谐振峰λ_out的透射强度的变化量。通过数据处理得到两种谐振峰强度关于湿度的灵敏度系数K_α，in和K_α，out。

结合湿度和扭转的变化量ΔH、Δα及所选谐振峰的灵敏度和所选谐振峰透射强度的变化量ΔP_in和ΔP_out，可得如下矩阵：

通过逆推矩阵可得出湿度和扭转变化与所选模式透射强度的关系。当仅对扭转这一个参量进行测量时，可以将光谱分析仪替换成光功率计，仅对内包层模式某一带宽内的功率进行监测，大大简化了解调系统，节省了成本。

纤芯模式为Bragg谐振峰，其只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 (9)

1.一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置，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、光纤固定夹、具有湿度敏感膜的双包层光纤倾斜光栅、扭转装置以及光谱仪；光源发出的光经过单模光纤传输至起偏器，利用偏振控制器改变线偏振光的偏振方向，使经过倾斜光栅后透射谱中的光为单一偏振态，透射谱为包括Bragg谐振峰、内包层谐振峰、外包层谐振峰的梳状谱。

2.根据权利要求1所述的一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置，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所述的一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置，其特征在于所述的双包层光纤与单模光纤的纤芯直径相同，外包层直径为125μm。

4.根据权利要求1所述的一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置，其特征在于所述的双包层光纤内包层直径为11μm-80μm。

5.根据权利要求1所述的一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置，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。

6.根据权利要求1所述的一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置，其特征在于所述的双包层光纤的折射率变化是阶跃型或渐变型的。

7.根据权利要求1所述的一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置，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所述的一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置，其特征在于所述的湿度敏感膜其折射率会随着外界湿度的变化而变化，包括但不限于氧化石墨烯。

9.根据权利要求1所述的一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置，其特征在于所述的湿度敏感膜的厚度不超过10μm。

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