CN114137273A - Fbg级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明专利提供了FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置，它包括ASE(1)、环形器(2)、测量系统(3)、光谱分析仪(4)、解调软件(5)、计算机(6)。本发明专利采用马赫曾德干涉仪原理和FBG传感原理。ASE产生的光束在光纤包、光子晶体光纤、拉锥后的多模光纤焊接构成的马赫曾德干涉仪中产生干涉光谱，通过干涉光谱的检测，实现温度的测量，并通过FBG产生的反射尖峰，检测电流产生的磁场的变化，通过检测电流产生磁场实现电流的测量，再利用分析矩阵消除温度的影响。本发明实现了消除温度敏感的电流的检测、检测误差小，且可在计算机上输出，实现了消除温度影响的电流实时监测。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置。
背景技术
相比于传统的电子传感器，光纤传感器具有较高的灵敏度、可远程测量、不受电磁干扰、体积小，并且可用于高压、高温、腐蚀等恶劣环境，而且光路有可绕曲性，便于与计算机连接接具有较高的灵活使用性，目前研究人员已经研制出很多光纤传感器，这些光纤传感器可测量温度、应力、压力等参量的测量。随着社会需求的不断增加，多功能化、小型传感器的需求逐渐扩大。设计一种基于乙醇氯仿与GMM材料光纤复合结构，可实现温度和磁场的双参量测量后消除温度影响的传感器具有可远程监测、耐极端环境、安全性高、绝缘性好、电磁干扰小、高测量精度和灵敏度、宽探测范围的优点。
FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置，传感单元利用光纤包与多模微纳光纤作为耦合器与光子晶体光纤焊接形成马赫曾德干涉仪，温度变化使光子晶体光纤中的乙醇氯仿材料发生折射率的变化进而改变马赫曾德干涉仪一个干涉臂的光程，进行测量；此外，FBG粘贴在GMM材料上，磁场变化GMM产生磁致伸缩使FBG栅距发生变化中心波长发生漂移实现磁场测量，目前采用乙醇氯仿材料以及GMM材料作为敏感材料，或者采用FBG级联结构进行双参量测量的传感器可以实现温度、应力、压力、振动等多参量监测。例如：2019年，Zhang R等人(Zhang R,Pu S,Li Y,et al.Mach-Zehnder interferometercascaded with FBG for simultaneous measurement of magnetic field andtemperature[J].IEEE Sensors Journal,2019,19(11):4079-4083.)提出将FBG与上锥形结构的MZI级联测量温度和磁场双参量的光学传感器，其中将MZI结构浸润在磁流体环境中，实现磁场传感，FBG结构实现温度的测，但是由于磁流体易退磁，材料寿命短，传感器的寿命降低；2020年Li J X等人(Li J X,Tong Z R,Zhang W H,Liu J W.“Research onmulti-parametercharacteristics of PCF sensor modified by GO composite films[J]”.AppliedOptics,2020,59:1-9)利用光子晶体光纤制造马赫曾德干涉仪，通过光子晶体光纤填充酒精与涂敷Go的方式实现温度与湿度的双参量测量，该传感单元虽然实现双参量测量，但制作工艺复杂，不如级联结构简单，而且光子晶体光纤中酒精易挥发导致传感器的寿命短，测量敏感度也较低；2019年，Lei X Q等人(Lei X Q,Feng Y,Dong X P.High-temperature sensor based on a special thin-diameter fiber[J].OpticsCommunications,2020,463:125386.)提出基于夹在两段多模光纤之间的特殊薄直径光纤，以两段多模光纤作为耦合器用于制作全光纤马赫-曾德尔干涉仪用于测量温度，此装置制作简单具有可重复和低成本的优点，但该装置只能对100摄氏度以上的温度测量，对低温度的测量灵敏度较低；2021年，叶楚妮等人(叶楚妮,陈鹤鸣.基于表面等离子体共振的光子晶体光纤温度传感器[J/OL].光通信技术)采用氯仿混合酒精研究了不同温度时乙醇氯仿混合液的折射率，验证了乙醇氯仿混合液使传感器具有更好灵敏度，但其光子晶体光纤的制作比较复杂，也没有进行双参量测量；2020年，Tong R等人(Tong R,Zhao Y,Hu H,etal.Large measurement range and high sensitivity temperature sensor with FBGcascaded Mach-Zehnder interferometer[J].Optics&Laser Technology,2020,125:106034.)将FBG与MZI级联设计一种可大量程检测光纤温度传感器，其中采用单模光纤错位熔接的方式构成MZI，并在错位熔接区涂敷温敏材料聚二甲硅氧烷(PDMS)，采用FBG判断温度，采用MZI实现温度精确读取；2020年，Xia F等人(Xia F,Zhao Y,Zheng H,et al.Ultra-sensitive seawater temperature sensor using an FBG-cascaded microfiber MZIoperating at dispersion turning point[J].Optics&Laser Technology,2020,132:106458.)提出一种海水温度检测的光纤传感器，其采用FBG与微纳光纤级联结构实现温度检测，其中微纳光纤表面包覆PDMS温敏材料产生MZI，级联结构增强了灵敏度和探测范围，该传感单元虽然实现了温度的宽探测范围，但是结构复杂，且只能实现但参量测量；2021年，Zhan B等人(Zhan B,Ning T,Pei L,et al.Terfenol-DBased Magnetic Field SensorWith Temperature Independence Incorporating Dual Fiber Bragg GratingsStructure[J].IEEE Access,2021,9:32713-32720.)提出将两根FBG按照不同角度粘贴在Terfenol-D材料上，实现温度补偿的磁场传感器，该传感器只实现但参量测量，解调结构复杂。
发明内容
目前研究者采用光子晶体光纤或布拉格光栅光纤已经实现了气体浓度、温度、应力、磁场等参数的测量，研究者研发了许多温敏材料和磁敏材料，通过填充光纤或涂敷光纤实现了测量灵敏度的提高。但是大多都存在级联结构复杂，灵敏度低，测量磁场时不能实现消除温度的影响、或者很难消除温度的影响；本发明结合目前现有技术的优势与缺点，提出一种具有高灵敏度、可消除温度参量影响的测量、光纤制作简单、高利用率、低制作成本的乙醇氯仿材料填充与GMM涂敷光纤复合结构消除温度影响的电流测量传感器。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
技术方案：FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置，其特征在于：它包括ASE(1)、环形器(2)、测量系统(3)、光谱分析仪(4)、解调软件(5)、计算机(6)；
所述测量系统(3)包括加热台(3-1)、电源(3-2)、电阻箱(3-3)、导体棒(3-4)、传感单元(3-5)、水平台(3-6)，其中：
加热台(3-1)上固定放置通电的导体棒(3-4)与传感单元(3-5)，导体棒(3-4)与传感单元(3-5)临近平行放置，在加热台(3-1)的右侧放置水平台(3-6)，在上面放置电源(3-2)与电阻箱(3-3)，起到给导体棒(3-4)提供和调节电流的作用；
传感单元(3-5)中含光纤包(3-5-2)的单模光纤(3-5-1)、光子晶体光纤(3-5-3)、多模微纳光纤(3-5-4)与FBG(3-5-5)级联构成光纤复合结构，其中光子晶体光纤(3-5-3)的空气孔中填充乙醇氯仿材料(3-5-7)，FBG(3-5-5)部分粘贴在GMM材料(3-5-6)上共同构成传感单元(3-5)；
传感单元(3-5)的具体制备过程包括光纤复合结构的制作、敏感材料的涂敷；
其中：光纤复合结构的制作包括单模光纤(3-5-1)中光纤包(3-5-2)的制作、填充乙醇氯仿材料(3-5-7)的光子晶体光纤(3-5-3)的制作、多模微纳光纤(3-5-4)的制作、单模光纤(3-5-1)-光子晶体光纤(3-5-3)-多模微纳光纤(3-5-4)-FBG(3-5-5)级联结构的制作；首先单模光纤(3-5-1)中光纤包(3-5-2)的制备：选取切割平整的长为5mm的单模光纤(3-5-1)，再将单模光纤(3-5-1)的右端利用熔接机的球形模式完成光纤包(3-5-2)的制备；填充乙醇氯仿材料(3-5-7)的光子晶体光纤(3-5-3)的制备：这里采用的是正中心实芯纤芯，在纤芯周围围绕着空气孔，填充乙醇氯仿材料(3-5-7)时采用装有配置好的乙醇氯仿材料(3-5-7)的注射器将针孔与光子晶体光纤(3-5-3)的一端连接，用熔化的石蜡将光纤与针孔密封好，石蜡冷却好后，将注射器中的乙醇氯仿材料(3-5-7)缓慢推入光子晶体光纤(3-5-3)中；多模微纳光纤((3-5-4)的制备：取一段3mm长的多模光纤将其拉锥成微纳结构；多模微纳光纤(3-5-4)与前面的光子晶体光纤(3-5-3)、光纤包(3-5-2)构成马赫曾德干涉仪；最后将端面切割平整的三者从左往右是尾部含有光纤包(3-5-2)的单模光纤(3-5-1)、填充好的光子晶体光纤(3-5-3)、多模微纳光纤(3-5-4)依次熔接，构成温度传感的单元，最后与栅区长为20mm且中心波长为1550nm的FBG(3-5-5)采用光纤熔接机进行熔接，形成光纤复合结构，其中所用所有光纤的外径相同；
敏感材料的涂敷主要是GMM材料(3-5-6)的涂敷；将复合结构中FBG(3-5-5)栅区部分采用环氧树脂材料粘贴在GMM材料(3-5-6)表面，静置48小时；
光子晶体光纤(3-5-3)中填充的是乙醇氯仿材料(3-5-7)，乙醇氯仿材料(3-5-7)的制备方法为：将准备好的乙醇和氯仿进行1:1混和并搅拌均匀，需要注意的是乙醇的温度为78摄氏度，氯仿的温度为61摄氏度，所以传感器进行测量时须在60摄氏度以下的环境中进行；
进一步地，所述的FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置，其特征还在于：
ASE(1)发出光束传输至环形器(2)，环形器(2)输出光束传输至测量系统(3)中的传感单元(3-5)，当光束经单模光纤(3-5-1)传输至光纤包(3-5-2)时，具有耦合作用的光纤包(3-5-2)使纤芯中的光分出一部分进入包层中，通过光纤包(3-5-2)后沿光子晶体光纤(3-5-3)空气孔中填充的乙醇氯仿材料(3-5-7)传导，另一部分光沿的纤芯传导，当这两部分光传输至多模微纳光纤(3-5-4)时耦合产生马赫曾德干涉，而当温度发生变化时，由于温度变化使光子晶体光纤(3-5-3)中乙醇氯仿材料(3-5-7)的折射率发生变化，沿乙醇氯仿材料(3-5-7)传播的光的光程发生变化，干涉光发生变化，光束在传感单元(3-5)中产生干涉，当测量系统(3)中导体棒(3-4)的电流发生变化时，则导体棒(3-4)在自身周围激发的磁场发生变化，由于磁场的变化使在导体棒(3-4)旁边传感单元(3-5)中的GMM材料(3-5-6)由于磁致伸缩效应产生伸长，粘贴在GMM材料(3-5-6)上的FBG(3-5-5)栅距发生变化，干涉光发生变化，干涉光通过环形器(2)将反射光谱传输至光谱分析仪(4)显示干涉光谱，解调软件(5)将光谱分析仪(4)中的解调并传输至计算机(6)进行数据处理。
进一步地，所述ASE(1)为宽带光源，中心波长为1550nm用于产生光信号。
所述的FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置，其特征在于：
所述测量系统(3)测量温度时，将加热台(3-1)开启，传感单元(3-5)放置在加热台(3-1)上，实现复合结构温度灵敏度的测量；而测量电流时，操作电阻箱(3-3)阻值发生改变，使导体棒(3-4)产生中的电流发生变化，导体棒(3-4)产生的磁场随着电流发生变化，变化的磁场影响FBG(3-5-5)上的敏感材料GMM(3-5-6)，使之发生伸缩，间接得到FBG(3-5-5)结构的电流测量灵敏度，最后由测试的温度灵敏度利用分析矩阵方法消除FBG(3-5-5)结构测量电流时温度产生的影响。
结构发明：FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置。
与现有结构相比，本发明专利的有益效果是：
本发明实现温度和电流的同时测量，可以消除环境温度对传感器的影响，实现电流的准确测量，结构制作方法简单，体积小、耐极端环境，满足小型化的监测设备需求。
本发明中采用乙醇氯仿填充光子晶体光纤与光纤包、多模微纳光纤构成马赫曾德干涉仪实现温度的测量，与传统的马赫曾德结构相比装置制作简单，成本低廉、使用寿命长，并且减小了由于两臂长的不同引起的误差，大大增加了测量的灵敏度。
本发明中FBG粘贴GMM材料实现电流测量，与涂敷磁流体材料相比该结构可复用性强。
本发明中可以消除温度的影响，测量的精度增加，准确性增强。
本发明可实现解调并可将结果输出至计算机，实现实时监测和测量。
附图说明
图1为FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置的结构图。
图2为FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置的传感单元结构图。
图3为FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置的测量系统图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明提出的FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置的具体实现方式加以说明。
如图1所示，为本发明提供FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置的结构图，ASE(1)发出光束传输至环形器(2)，环形器(2)输出光束传输至测量系统(3)的传感单元(3-5)的含有光纤包(3-5-2)的单模光纤(3-5-1)侧，光束依次通过单模光纤(3-5-1)、光纤包(3-5-2)、光子晶体光纤(3-5-3)、多模微纳光纤(3-5-4)最后在FBG(3-5-5)处发生反射，反射光通过环形器(2)输出至光谱分析仪(4)，当测量系统(3)中加热台(3-1)发生温度变化时，光子晶体光纤(3-5-3)中乙醇氯仿材料(3-5-1)折射率发生变化，光纤包(3-5-2)、填充乙醇氯仿材料(3-5-7)的光子晶体光纤(3-5-3)与多模微纳光纤(3-5-4)产生的马赫曾德干涉仪的的干涉效果发生变化，通过监测光谱分析仪(4)中干涉光的变化测量温度；当旋转电阻箱(3-3)的旋钮，改变电阻箱(3-3)的电阻使流过导体棒(3-4)的电流改变，导体棒(3-4)中的电流发生改变时，则自身激发的磁场随之发生改变，在导体棒(3-4)旁边的传感单元(3-5)中的GMM材料(3-5-6)产生磁致伸缩，粘贴在GMM材料(3-5-6)上的FBG(3-5-5)由于磁致伸缩效应产生栅距的变化，由FBG(3-5-5)产生的干涉谱反射尖峰发生漂移，通过监测光谱分析仪(4)漂移量实现电流的监测；将光谱分析仪(4)中的数据输出至解调软件(5)，通过解调软件(5)处理后将结果输出至计算机(6)，得出磁场的测量数据，再通过矩阵分析方法，消除温度的影响，并进一步分析传感单元(3-5)的电流测量灵敏度。
如图2所示，为本发明提供FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置的传感单元结构图，传感单元(3-5)中将单模光纤(3-5-1)中制作好的光纤包(3-5-2)、填充乙醇氯仿材料(3-5-7)的光子晶体光纤(3-5-3)、多模微纳光纤(3-5-4)依次焊接完成再与FBG(3-5-5)级联后将FBG(3-5-5)部分粘贴在GMM材料(3-5-6)上静置48小时充分固定后，共同构成传感单元(3-5)；填充乙醇氯仿材料(3-5-7)的光子晶体光纤(3-5-3)与光纤包(3-5-2)、拉锥后的多模光纤(3-5-4)构成马赫曾德干涉仪，监测温度的变化；与GMM材料(3-5-6)粘贴的FBG(3-5-5)监测电流的变化；其检测原理为：当温度发生变化时，由于温度变化使光子晶体光纤(3-5-3)中乙醇氯仿材料(3-5-7)的折射率发生变化，沿乙醇氯仿材料(3-5-7)干涉臂传播的光的光程发生变化，进而干涉光发生变化。当测量系统(3)中导体棒(3-4)电流发生变化时，导体棒(3-4)在传感单元(3-5)处产生的磁场发生变化，GMM材料(3-5-6)由于磁致伸缩效应产生伸长，粘贴在GMM材料(3-5-6)上的FBG(3-5-5)栅距发生变化，因此这里利用的是电磁感应原理，通过电流产生的磁场间接的测出电流。由FBG(3-5-5)产生的一个反射尖峰发生漂移，通过监测反射峰的漂移测量磁场。进而再采用矩阵分析法利用计算机消除温度的影响，最后测得消除温度敏感的电流。
如图3所示，为本发明提供FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置的系统图，加热台(3-1)上平行固定放置传感单元(3-5)与导体棒(3-4)。将导体棒(3-4)与电源(3-2)、电阻箱(3-3)连接使导体棒(3-4)中有电流，实现电流测量；加热台(3-1)上放置的传感单元(3-5)当加热台(3-1)开启时，监测温度变化。
Claims (3)
1.FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置，其特征在于：它包括ASE(1)、环形器(2)、测量系统(3)、光谱分析仪(4)、解调软件(5)、计算机(6)；
所述测量系统(3)包括加热台(3-1)、电源(3-2)、电阻箱(3-3)、导体棒(3-4)、传感单元(3-5)、水平台(3-6)，其中：
加热台(3-1)上固定放置通电的导体棒(3-4)与传感单元(3-5)，导体棒(3-4)与传感单元(3-5)临近平行放置，在加热台(3-1)的右侧放置水平台(3-6)，在上面放置电源(3-2)与电阻箱(3-3)，起到给导体棒(3-4)提供和调节电流的作用；
传感单元(3-5)中含光纤包(3-5-2)的单模光纤(3-5-1)、光子晶体光纤(3-5-3)、多模微纳光纤(3-5-4)与FBG(3-5-5)级联构成光纤复合结构，其中光子晶体光纤(3-5-3)的空气孔中填充乙醇氯仿材料(3-5-7)，FBG(3-5-5)部分粘贴在GMM材料(3-5-6)上共同构成传感单元(3-5)；
传感单元(3-5)的具体制备过程包括光纤复合结构的制作、敏感材料的涂敷；
其中：光纤复合结构的制作包括单模光纤(3-5-1)中光纤包(3-5-2)的制作、填充乙醇氯仿材料(3-5-7)的光子晶体光纤(3-5-3)的制作、多模微纳光纤(3-5-4)的制作、单模光纤(3-5-1)-光子晶体光纤(3-5-3)-多模微纳光纤(3-5-4)-FBG(3-5-5)级联结构的制作；首先单模光纤(3-5-1)中光纤包(3-5-2)的制备：选取切割平整的长为5mm的单模光纤(3-5-1)，再将单模光纤(3-5-1)的右端利用熔接机的球形模式完成光纤包(3-5-2)的制备；填充乙醇氯仿材料(3-5-7)的光子晶体光纤(3-5-3)的制备：这里采用的是正中心实芯纤芯，在纤芯周围围绕着空气孔，填充乙醇氯仿材料(3-5-7)时采用装有配置好的乙醇氯仿材料(3-5-7)的注射器将针孔与光子晶体光纤(3-5-3)的一端连接，用熔化的石蜡将光纤与针孔密封好，石蜡冷却好后，将注射器中的乙醇氯仿材料(3-5-7)缓慢推入光子晶体光纤(3-5-3)中；多模微纳光纤((3-5-4)的制备：取一段3mm长的多模光纤将其拉锥成微纳结构；多模微纳光纤(3-5-4)与前面的光子晶体光纤(3-5-3)、光纤包(3-5-2)构成马赫曾德干涉仪；最后将端面切割平整的三者从左往右是尾部含有光纤包(3-5-2)的单模光纤(3-5-1)、填充好的光子晶体光纤(3-5-3)、多模微纳光纤(3-5-4)依次熔接，构成温度传感的单元，最后与栅区长为20mm且中心波长为1550nm的FBG(3-5-5)采用光纤熔接机进行熔接，形成光纤复合结构，其中所用所有光纤的外径相同；
敏感材料的涂敷主要是GMM材料(3-5-6)的涂敷；将复合结构中FBG(3-5-5)栅区部分采用环氧树脂材料粘贴在GMM材料(3-5-6)表面，静置48小时；
光子晶体光纤(3-5-3)中填充的是乙醇氯仿材料(3-5-7)，乙醇氯仿材料(3-5-7)的制备方法为：将准备好的乙醇和氯仿进行1:1混和并搅拌均匀，需要注意的是乙醇的温度为78摄氏度，氯仿的温度为61摄氏度，所以传感器进行测量时须在60摄氏度以下的环境中进行；
所述的FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置，其特征还在于：
ASE(1)发出光束传输至环形器(2)，环形器(2)输出光束传输至测量系统(3)中的传感单元(3-5)，当光束经单模光纤(3-5-1)传输至光纤包(3-5-2)时，具有耦合作用的光纤包(3-5-2)使纤芯中的光分出一部分进入包层中，通过光纤包(3-5-2)后沿光子晶体光纤(3-5-3)空气孔中填充的乙醇氯仿材料(3-5-7)传导，另一部分光沿的纤芯传导，当这两部分光传输至多模微纳光纤(3-5-4)时耦合产生马赫曾德干涉，而当温度发生变化时，由于温度变化使光子晶体光纤(3-5-3)中乙醇氯仿材料(3-5-7)的折射率发生变化，沿乙醇氯仿材料(3-5-7)传播的光的光程发生变化，干涉光发生变化，光束在传感单元(3-5)中产生干涉，当测量系统(3)中导体棒(3-4)的电流发生变化时，则导体棒(3-4)在自身周围激发的磁场发生变化，由于磁场的变化使在导体棒(3-4)旁边传感单元(3-5)中的GMM材料(3-5-6)由于磁致伸缩效应产生伸长，粘贴在GMM材料(3-5-6)上的FBG(3-5-5)栅距发生变化，干涉光发生变化，干涉光通过环形器(2)将反射光谱传输至光谱分析仪(4)显示干涉光谱，解调软件(5)将光谱分析仪(4)中的解调并传输至计算机(6)进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置，其特征在于：
所述ASE(1)为宽带光源，中心波长为1550nm用于产生光信号。
3.根据权利要求1所述的FBG级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置，其特征在于：
所述测量系统(3)测量温度时，将加热台(3-1)开启，传感单元(3-5)放置在加热台(3-1)上，实现复合结构温度灵敏度的测量；而测量电流时，操作电阻箱(3-3)阻值发生改变，使导体棒(3-4)产生中的电流发生变化，导体棒(3-4)产生的磁场随着电流发生变化，变化的磁场影响FBG(3-5-5)上的敏感材料GMM(3-5-6)，使之发生伸缩，间接得到FBG(3-5-5)结构的电流测量灵敏度，最后由测试的温度灵敏度利用分析矩阵方法消除FBG(3-5-5)结构测量电流时温度产生的影响。
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