CN113156572A - 一种双面w形长周期光纤光栅及其感测应变和温度的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双面W形长周期光纤光栅，分别在光纤表面两侧对称得刻蚀有一段凹槽段，凹槽段由数个W形凹槽沿轴向等间距排列构成，W形凹槽两侧底端的深度d1为25μm，W形凹槽中部凸起的深度d2为20μm，W形凹槽的长度w为250μm，每段凹槽段中W形凹槽个数n为21个，光栅的周期f为550μm。本发明光栅光纤透射谱中具有两个谐振峰，且两谐振峰波长分别与轴向应变以及温度呈良好的线性关系，能够用于感测应变及温度，测量精度高，且可用于应变‑温度交叉感测，进而排除温度对应变测量结果的干扰。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅技术领域，具体涉及一种双面W形长周期光纤光栅及其应用。
背景技术
光纤是一种用于光传导的纤维状材料，而光纤光栅则是在光纤的基础上，通过一定方法使光纤纤芯折射率发生轴向周期性调制而成的衍射光栅。光纤光栅这一技术的出现，不仅深刻改变了通信行业，还对传感技术领域产生了极大的影响。
现有技术中，以光纤光栅为基础制作相应的应变传感器，还存在例如精度较低或者易受干扰等不足，因此在光纤光栅用于应变感测上，仍需做进一步的研究探索。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种双面W形长周期光纤光栅及其相关应用，用于解决当前技术中光纤光栅感测应变时精度较差或者易受干扰的问题。
本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。
一种双面W形长周期光纤光栅，分别在光纤表面两侧对称得刻蚀有一段凹槽段，凹槽段由n个W形凹槽沿轴向等间距排列构成。
进一步地，所述W形凹槽两侧底端的深度d1、W形凹槽中部凸起的深度d2以及W形凹槽的长度w分别满足20μm≤d1≤30μm、15μm≤d1≤25μm、200μm≤w≤300μm；每段凹槽段中W形凹槽的个数n以及周期f分别满足16≤n≤26、500μm≤f≤600μm。
进一步地，所述W形凹槽两侧底端的深度d1为25μm，W形凹槽中部凸起的深度d2为20μm，W形凹槽的长度w为250μm。
进一步地，所述每段凹槽段中W形凹槽个数n为21，光栅的周期f为550μm。
进一步地，所述光纤光栅的光纤原料为标准单模光纤。
一种基于上述双面W形长周期光纤光栅感测轴向应变的应用：所述光纤光栅的透射谱包含两个谐振峰，且两谐振峰波长与轴向应变呈线性关系，通过检测所述光纤光栅透射谱中谐振峰波长得到被测轴向应变大小。
进一步地，轴向应变的测量范围是0～250με。
一种基于上述双面W形长周期光纤光栅感测温度的应用：所述光纤光栅的透射谱包含两个谐振峰，且两谐振峰波长与温度呈线性关系，通过检测所述光纤光栅透射谱中谐振峰波长得到所处环境温度。
一种基于上述双面W形长周期光纤光栅在应变-温度交叉感测上的应用：所述光纤光栅透射谱中两谐振峰DipA和DipB对应的轴向应变灵敏度分别为KεA和KεB、温度灵敏度分别为KTA和KTB，通过检测所述光纤光栅透射谱中两谐振峰DipA和DipB的波长，并根据公式
得到被测轴向应变Δε和被测温度ΔT。
进一步地，述公式中D为KεAKTB-KεBKTA，其值大小反应应变-温度交叉感测的灵敏度。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过在光纤两侧对称刻蚀W形凹槽，进而给出了一种新型光纤光栅结构；此种双面W形长周期光纤光栅的透射光谱中，包含两个谐振峰，且两谐振峰波长分别与轴向应变以及温度呈良好的线性关系。
(2)本发明双面W形长周期光纤光栅，根据其谐振峰波长与轴向应变的线性关系，通过测量谐振峰波长可得相应的轴向应变大小，因此可用于感测应变，并且当应变程度较小时，本发明光纤光栅具有较高的灵敏度，故可以此为基础制成高精度应变传感器。
(3)本发明双面W形长周期光纤光栅，根据其谐振峰波长与温度的线性关系，还可应用于温度感测中。
(4)本发明双面W形长周期光纤光栅，因存在两谐振峰，且两谐振峰应变灵敏度以及温度灵敏度满足KεAKTB≠KεBKTA，故可应用于同时感测应变及温度，即应变-温度交叉感测；当应变-温度交叉感测时，能够获得更高的感测精度，同时还能在只需感测应变时排除温度对测量结果的干扰，或反之应变对温度测量结果的干扰。
附图说明
图1为本发明双面W形长周期光纤光栅结构示意图；
图2为本发明W形凹槽结构示意图；
图3为本发明双面W形长周期光纤光栅实物图；
图4为本发明双面W形长周期光纤光栅的透射谱图；
图5为本发明光纤光栅透射谱随轴向应变0-500με的变化关系图；
图6为图5中DipA处透射谱的局部放大图；
图7为图5中DipB处透射谱的局部放大图；
图8为0-500με应变范围DipA波长随轴向应变的线性拟合图；
图9为0-500με应变范围DipB波长随轴向应变的线性拟合图；
图10为本发明光纤光栅透射谱随轴向应变0-250με的变化关系图；
图11为图10中DipA处透射谱的局部放大图；
图12为图10中DipB处透射谱的局部放大图；
图13为0-250με应变范围DipA波长随轴向应变的线性拟合图；
图14为0-250με应变范围DipB波长随轴向应变的线性拟合图；
图15为本发明光纤光栅透射谱随温度的变化关系图；
图16为图15中DipA处透射谱的局部放大图；
图17为图15中DipB处透射谱的局部放大图；
图18为DipA波长随温度变化的线性拟合图；
图19为DipB波长随温度变化的线性拟合图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所示实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相通或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
(一)光纤光栅结构：
如图1至图3所示的双面W形长周期光纤光栅，在光纤表面相对的两侧分别刻蚀有一段凹槽段，两段凹槽段相互对称，每段凹槽段分别包含n个W形凹槽，W形凹槽沿光纤轴向等间距排列；所述W形凹槽两侧底端的深度(图示a点至光纤表面的垂直距离)d1＝25±5μm，W形凹槽中部凸起的深度(图示b点至光纤表面的垂直距离)d2＝20±5μm，W形凹槽的长度(沿光纤轴向长度)w＝250±50μm。每个W形凹槽为一个最小的刻蚀结构，W形凹槽的个数会直接影响光纤光栅的性能，故每段凹槽段中W形凹槽的个数n须满足16≤n≤26，本实施例优选n为21个，即整个光纤光栅结构的周期数为20，并且优选周期(当前W形凹槽起始端至下一个凹槽起始端的距离)f＝550±50μm。
(二)制备方法：
本发明利用激光对光纤表明进行照射刻蚀的方法写制出相应所需光纤光栅，并在激光刻蚀的过程中，利用光谱分析仪实时监测被刻蚀光纤的透射谱，根据透射谱判断是否写制成功，制备本发明光纤光栅的光纤原料可选用标准单模光纤；按前述结构尺寸要求进行激光刻蚀，由于单次刻蚀的深度较浅，光谱显示效果不佳，需重复多次刻蚀，当光谱分析仪上出现稳定的谐振峰时停止写制，其透射谱如图4所示，图示横坐标为波长，纵坐标为损耗；由图示可看出，本发明光纤光栅存在两个谐振峰，分别为DipA和DipB，DipA的谐振波长出现在1250nm，谐振峰深度为16dB，DipB的谐振波长出现在1356nm，谐振峰深度为27dB。
(三)应用及试验：
1、轴向应变感测：
在室温恒定的情况下，对本发明双面W形长周期光纤光栅施加等量增加的轴向应变，变化范围0～500με；在轴向应变的过程中，利用光谱分析仪实施监测透射谱，并每隔100με记录一组光谱数据；结果如图5所示，随着光纤光栅的轴向应变增大，其透射谱中的谐振峰DipA向长波方向漂移，且谐振峰深度增加，谐振峰DipB同样向长波方向漂移，但谐振峰深度减小。
分别将图5中DipA和DipB附近的透射谱图局部放大得到图6和图7，之后将两处谐振峰波长随轴向应变的变化关系做线性拟合，线性拟合图分别如图8和图9所示；其中DipA的拟合结果为y＝0.023x+1260.02，即灵敏度为23pm/με；DipB的拟合结果为y＝0.011x+1364.84，及灵敏度为11pm/με。
根据图5～6所示，本发明双面W形长周期光纤光栅在应变从0开始增大至500με的初期，两个谐振峰波长都有着较大的漂移，之后漂移幅度减小。因此选取0～250με的应变范围再次进行轴向应变试验，且每隔25με记录一组光谱数据，测试结果如图10～12所示，其中图11和图12分别为图10中两个谐振峰DipA和DipB处的局部放大图。
按前述方法，将图10～12中两个谐振峰波长随应变变换关系做线性拟合，分别得到图13和图14，其中DipA的拟合结果为y＝0.071x+1250.01，即灵敏度为71pm/με；DipB的拟合结果为y＝0.048x+1356.77，即灵敏度为48pm/με。由此验证，本发明双面W形长周期光纤光栅，在微小应变中，有着较高的灵敏度，可应用于高精度轴向应变测量。
2、温度感测：
保证其他条件不变，利用光谱分析仪观测本发明双面W形长周期光纤光栅透射谱随环境温度的变化情况，温度调节范围30～150℃，光谱分析仪每隔20℃记录一组观测数据，结果如图15～17所示，其中图16和图17分别为图15中两个谐振峰DipA和DipB处的局部放大图。
按前述方法，将图15～17中两个谐振峰波长随温度变换关系做线性拟合，分别得到图18和图19，其中DipA的拟合结果为y＝0.045x+1267.63，即灵敏度为45pm/℃；DipB的拟合结果为y＝0.048x+1367.60，即灵敏度为48pm/℃。本发明光纤光栅与普通长周期光纤光栅的温度灵敏度相近，说明该结构并未影响光栅的温度灵敏度。
3、应变-温度交叉感测：
由前述轴向应变和温度的测试证明，本发明双面W形长周期光纤光栅存在两个谐振峰，即DipA和DipB，且两个谐振峰波长与轴向应变以及温度都有良好的线性相关性。根据上面测试得到的应变及温度特性，可利用双面W形长周期光纤光栅的两谐振峰不同的应变灵敏度和温度灵敏度，应用于应变与温度的同时测量，具体方法如下：
当双面W形长周期光纤光栅同时遇到轴向应变以及环境温度变化时，谐振峰波长的变化可以表示为：
其中，KεA和KεB分别表示轴向应变单独作用于光纤光栅时，谐振波长为ΔλA和ΔλB的应变灵敏度；KTA和KTB分别表示温度单独作用于光纤光栅时，谐振波长ΔλA和ΔλB的温度灵敏度；Δε和ΔT分别为轴向应变和温度。
从矩阵角度出发，只要满足KεAKTB≠KεBKTA，公式(1)就有解；而根据前述应变和温度感测试验结果，本发明双面W形长周期光纤光栅两个谐振峰波长对应的应变及温度灵敏度满足上述条件。进而将公式(1)进行反演，得到：
其中D为KεAKTB-KεBKTA，因与Δε以及ΔT成反比关系，故D值反应了上述应变-温度交叉感测方法的灵敏度，其值越大，上述感测方法的分辨率越高，也即灵敏度越高，将本发明光纤光栅DipA应变灵敏度71、温度灵敏度45和DipB应变灵敏度48和温度灵敏度48带入得到D值为1248，由此可见相比单独感测，上述交叉感测的精度更高；公式(2)即为应变与温度随谐振峰波长的变化关系，当本发明双面W形长周期光纤光栅用于同时感测轴向应变和温度时，只需要测得两谐振峰DipA和DipB处的谐振波长，即可换算得到对应的轴向应变及温度情况。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种双面W形长周期光纤光栅，其特征在于：分别在光纤表面两侧对称得刻蚀有一段凹槽段，凹槽段由n个W形凹槽沿轴向等间距排列构成。
2.根据权利要求1所述的双面W形长周期光纤光栅，其特征在于：所述W形凹槽两侧底端的深度d1、W形凹槽中部凸起的深度d2以及W形凹槽的长度w分别满足：20μm≤d1≤30μm、15μm≤d1≤25μm、200μm≤w≤300μm；每段凹槽段中W形凹槽的个数n以及周期f分别满足：16≤n≤26、500μm≤f≤600μm。
3.根据权利要求2所述的双面W形长周期光纤光栅，其特征在于：所述W形凹槽两侧底端的深度d1为25μm，W形凹槽中部凸起的深度d2为20μm，W形凹槽的长度w为250μm。
4.根据权利要求2所述的双面W形长周期光纤光栅，其特征在于：所述每段凹槽段中W形凹槽个数n为21，光栅的周期f为550μm。
5.根据权利要求1所述双面W形长周期光纤光栅，其特征在于：所述光纤光栅的光纤原料为标准单模光纤。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述双面W形长周期光纤光栅感测轴向应变的应用，其特征在于：所述光纤光栅的透射谱包含两个谐振峰，且两谐振峰波长与轴向应变呈线性关系，通过检测所述光纤光栅透射谱中谐振峰波长得到被测轴向应变大小。
7.根据权利要求6所述的基于双面W形长周期光纤光栅感测轴向应变的应用，其特征在于：轴向应变的测量范围是0～250με。
8.一种基于权利要求1-5任一项所述双面W形长周期光纤光栅感测温度的应用，其特征在于：所述光纤光栅的透射谱包含两个谐振峰，且两谐振峰波长与温度呈线性关系，通过检测所述光纤光栅透射谱中谐振峰波长得到所处环境温度。
9.一种基于权利要求1-5任一项所述双面W形长周期光纤光栅在应变-温度交叉感测上的应用，其特征在于：所述光纤光栅透射谱中两谐振峰DipA和DipB对应的轴向应变灵敏度分别为KεA和KεB、温度灵敏度分别为KTA和KTB，通过检测所述光纤光栅透射谱中两谐振峰DipA和DipB的波长，并根据公式
得到被测轴向应变Δε和被测温度ΔT，D为中间量。
10.根据权利要求9所述的基于双面W形长周期光纤光栅在应变-温度交叉感测上的应用，其特征在于：所述公式中D为KεAKTB-KεBKTA，所述D的数值大小反应了应变-温度交叉感测的灵敏度。
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| CN115014221A (zh) * | 2022-05-05 | 2022-09-06 | 武汉理工大学 | 适用于异质表面安装固定的光纤光栅传感器微结构与工艺 |
| CN117268279A (zh) * | 2023-09-13 | 2023-12-22 | 北京讯腾智慧科技股份有限公司 | 一种应变光纤传感器及其制造方法、集成波导传感器 |
| CN117268279B (zh) * | 2023-09-13 | 2024-05-10 | 北京讯腾智慧科技股份有限公司 | 一种应变光纤传感器及其制造方法、集成波导传感器 |
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