CN204479209U - 基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度测量装置 - Google Patents

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周艳
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汪爱明
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Abstract

本实用新型涉及基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度测量装置，其中宽带光源发出的光经光纤耦合进入镀膜长周期光纤光栅（LPFG）中，然后通过光纤输入到光谱仪中。镀膜LPFG浸入待测液体中，其光栅段镀长度不等的液晶膜和金属膜，分别用于测量液体的温度和浓度。本实用新型可通过两谐振峰位置和深度清楚分辨其分别对应的液体温度和浓度的变化量，有效解决了交叉敏感问题，极大提高了测量精度，避免了光栅熔接，大大减小了传感器体积。

Description

基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度测量装置
技术领域
本实用新型涉及一种液体温度和浓度的测量装置，特别是涉及一种基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度的测量装置，属于光纤传感领域。
背景技术
光纤光栅，是指通过一定的方法在光纤纤芯形成永久性折射率周期性变化的光纤器件。长周期光纤光栅(LPFG)，是指光栅周期在几十到几百微米的光纤光栅，属于波长调制型传感器件，测量信号不受光强波动和光纤损耗影响，灵敏度高于强度调制型器件。根据耦合模理论，LPFG表现为前向传输的纤芯模耦合到同向传输的包层模中，使得特定波长的光强度衰减，在传输谱中形成损耗峰。在LPFG包层外镀一层敏感薄膜，其折射率随环境(温度、浓度、应力等)变化而变化，进而影响LPFG耦合过程。此类传感技术可广泛应用于工农业现场监测中。
近年来，应用镀膜LPFG单独测量温度或浓度的研究较多。文献[韦树贡,杨秀增,欧启标等.应用镀膜长周期光纤光栅对煤矿用乳化液浓度检测的研究.煤矿机械,2013,34(2):51-53.]提出一种应用较短周期镀膜LPFG用于乳化液浓度检测的方案；文献[张静,王晓工.温度敏感水凝胶包覆长周期光纤光栅传感器研究.高分子学报,2012,3(1):307-312.]提出了一种水凝胶包覆LPFG温度、湿度传感装置；文献[N.K.Chen,D.Y.Hsu.Widely tunable asymmetric long period fiber grating with high sensitivity using optical polymer on laser-ablated cladding.Optics Letters,2007,32(15):2082-2084.]在LPFG包层外镀一种高热光效应的聚合物实现15.8nm/℃的测温灵敏度；文献[王少石.基于液晶包覆的长周期光纤光栅的调谐特性研究.上海交通大学,2009.]搭建了镀液晶膜LPFG测量温度和电场的实验平台，并利用菲涅尔反射原理精确测量液晶折射率随温度变化关系。以上各种方法虽然实现了分别测量温度或浓度的目的，但测量浓度时，LPFG同时受温度变化干扰，造成测量结果不准确；且若同时测量温度和浓度，LPFG传感器体积会增大。
专利号为200420090063.2，授权公告日2005年10月12日的实用新型专利“长周期光纤光栅的温度传感装置”，设计了一种在光纤一侧先后镀低热敏和高热敏材料，当外界温度变化时，外镀膜层的热胀冷缩使光栅产生微弯，通过判断LPFG谐振波长变化来测量温度的方法。该专利虽可测出温度变化，但应变引起谐振波长变化的范围较小，不易观察；测量范围窄，仅适用于实验室环境；且仅能测量温度。
专利号为201220043479.3，授权公告日2012年9月12日的实用新型专利“一种采用长周期光纤光栅实时测试温度和折射率的装置”，设计了一种在LPFG一半长度光栅区域外镀高折射率的纳米薄膜来监测折射率，没有镀膜的一段监测温度的装置。该专利虽可实现用一根LPFG同时测量温度和折射率的目的，但未镀膜LPFG测温灵敏度低，且三层结构(未镀膜段)与四层结构(镀膜段)使透射谱上谐振峰分裂成两个透射深度相同的谐振峰，其间距较小，不易分辨，导致测量精度下降，不能有效避免交叉敏感问题。
发明内容
本实用新型的主要目的在于：解决现有方法测温灵敏度低、同时测量液体温度和浓度时不能有效避免交叉敏感的难题，提出一种基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度测量装置，此方法应用分别对温度和液体浓度敏感的两种薄膜，实现对液体温度和浓度的同时、实时测量，提高测量精度，且达到较高的测量灵敏度，大大减小传感器体积，具有很高的工程应用价值。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度测量装置，它由沿光传播方向依次布置的宽带光源、镀膜LPFG传感元件以及光接收部组成。镀膜LPFG传感元件分别镀液晶膜和金属镍膜，浸入待测液体中，宽带光源发出的光依次耦合到镀膜LPFG传感元件以及光接收部中，通过观察接收部光谱中两谐振峰移动距离，判断待测液体温度和浓度的变化。
本实用新型解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的宽带光源选用具有高稳定性和高可靠性的超宽带光源，工作带宽为 1200～1700nm，共500nm带宽，在光谱范围内具有极好的平坦度。
前述的镀膜LPFG传感元件两端利用光纤熔接机分别与光纤熔接，再通过光纤接头座分别与宽带光源和光接收部连接。
前述的LPFG利用紫外线曝光技术实现纤芯折射率的周期性调制，光栅周期为500μm，得到的LPFG体积小、重量轻、可弯曲，以波长编码可避免光源波动影响从而提高测量稳定性。根据耦合模理论，前向传输的纤芯模耦合到同向传输的包层模产生的透射谱，其谐振波长对环境折射率变化敏感，谐振峰会相应产生较大的偏移，灵敏度较高。
前述的LPFG纤芯直径为8.3μm，纤芯折射率为1.4681，包层直径为125μm，包层折射率为1.4628，为单模光纤。
前述的镀膜LPFG，镀膜部分光栅总长度为6cm，其中用于温度传感部分长度为2.5cm，镀厚度为550nm的液晶膜，其折射率随温度变化呈近似线性关系，对浓度不敏感，所以当环境温度改变时，膜层折射率随之变化引起包层模有效折射率变化，进而谐振峰移动；用于浓度传感部分长度为3.5cm，镀厚度同样为550nm的金属镍膜，其折射率随浓度变化呈一一对应的单调变化关系，对温度不敏感，所以当环境浓度改变时，膜层折射率随之变化同样引起谐振峰移动。
前述的镀膜LPFG在使用时，先稍加应力使光纤呈直线，光纤两端用光纤夹持器固定，保持光栅段悬空，以避免应力对谐振波长的影响，造成测量结果不准确。
前述的光接收部为光谱仪，监测液体温度和浓度时，光谱仪上显示两个分裂的谐振峰。由于温度和浓度传感对应的光栅长度不同、膜层折射率不同，透射峰深度和位置相差明显，可区分温度和浓度所对应的谐振峰移动距离，进而判断温度和浓度的变化量，测量精度高。
本实用新型基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度测量装置与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本实用新型在一根LPFG包层外分别镀液晶膜和金属镍膜，同时测量液体的温度和浓度，大大减小了传感器体积，适用于工况复杂、空间狭小的 恶劣环境中。
(2)本实用新型应用一根LPFG实现传感，避免了光栅之间的熔接，提高局部测量精度。
(3)本实用新型用于测量温度和浓度的两段光栅长度不同且镀膜材料折射率不同，两透射峰深度和位置差异明显，解决了LPFG本身不能分辨两谐振峰各自对应变量的难题，提高了测量精度，能有效避免交叉敏感问题。
(4)本实用新型应用三包层结构的镀膜LPFG，当液体温度和浓度有微小变化时，谐振峰偏移更加明显，与三层结构相比极大提高了液体温度和浓度的测量灵敏度。
(5)本实用新型为无源传感器，其相对于传统的电子传感器具有防磁、防爆、耐腐蚀、体积小、重量轻等优点，能实现分布式、远距离测量，尤其适用于特殊环境如煤矿井下、油田、隧道等环境。
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如下。
本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
图1是本实用新型的总体结构示意图
图2是本实施例的透射光谱图
其中：
1：电源                    2：宽带光源
3：光纤                    4：镀膜LPFG
5：纤芯                    6：包层
7：光栅                    8：液晶膜
9：金属镍膜                10：光接收部
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。本实施例不得用于解释对本实用新型保护范围的限制。
图1为本实用新型基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度测量装置的总体结构示意图。110/220V交流电源(1)用于驱动宽带光源(2)，发出带宽为1200～1700nm的光。宽带光源(2)与光纤(3)通过光纤接头座相连，光纤(3)与镀膜LPFG(4)利用光纤熔接机熔接。500nm带宽的光通过光纤(3)耦合进入镀膜LPFG(4)中。出射光通过光纤(3)进入光接收部(11)，即光谱仪。通过判断光谱仪显示的两谐振峰偏移距离，实现待测液体温度和浓度的测量。
前述的镀膜LPFG(4)为三包层结构，由纤芯(5)、包层(6)、液晶膜(8)和金属镍膜(9)组成，光栅(7)应用紫外线曝光技术均匀刻在纤芯(5)上，周期为500μm。其中，纤芯(5)直径为8.3μm，折射率为1.4681，包层(6)直径为125μm，折射率为1.4628，为单模光纤。液晶膜(8)长度为2.5cm，镀厚度为550nm，其折射率随温度变化呈近似线性关系，对浓度不敏感，所以当环境温度改变时，膜层折射率变化引起包层模有效折射率变化，进而谐振峰移动；金属镍膜(9)材料选择镍，长度为3.5cm，厚度为550nm，其折射率随浓度变化呈一一对应的单调变化关系，对温度不敏感，所以当环境浓度改变时，膜层折射率变化同样引起谐振峰移动。
图2为本实施例的透射光谱图。其中，实线为镀液晶膜部分测量液体温度对应的透射谱，虚线为镀金属镍膜部分测量液体浓度对应的透射谱。前述的两种膜层折射率不同，依据包层模本征方程得出的包层模有效折射率不同，导致透射谱中两谐振峰位置距离较大(液晶膜和金属镍膜的一阶4次谐振波长分别为1644nm和1577nm)，同时，膜层长度不等，依据透射率公式计算出的透射深度相差较大(液晶膜和金属镍膜的一阶4次谐振峰深度分别为-8dB和-11dB)。经过矢量叠加后可清楚分辨两谐振峰分别对应的温度变化量和浓度变化量，极大提高了测量精度，有效解决了交叉敏感问题，且避免了光栅熔接引起的局部测量精度低等难题，大大减小了传感器体积。
上述如此结构构成的本实用新型基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度 测量装置的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。
如上所述是本实用新型的基本构思。但是，在本实用新型的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本实用新型的其他可操作的实施例进行改进。在本实用新型中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (3)

1.基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度测量装置，包括宽带光源、镀膜长周期光纤光栅(LPFG)和光接收部三大部分，其特征在于：宽带光源(2)发出的光经光纤(3)耦合进入镀膜LPFG(4)后，再通过光纤(3)输入光接收部(10)中，其中镀膜LPFG分别镀液晶膜(8)和金属镍膜(9)，浸入待测液体中，光接收部(10)为光谱仪。
2.根据权利要求1所述的基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度测量装置，其特征在于所述的LPFG，光栅周期为500μm，其纤芯直径为8.3μm，纤芯折射率为1.4681，包层直径为125μm，包层折射率为1.4628，为单模光纤。
3.根据权利要求1所述的基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度测量装置，其特征在于所述的液晶膜长度为2.5cm，厚度为550nm，金属镍膜长度为3.5cm，厚度为550nm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105866041A (zh) * 2016-04-02 2016-08-17 上海大学 基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测传感系统及监测方法
CN105973279A (zh) * 2016-06-03 2016-09-28 安徽工业大学 一种单端反射式长周期光纤光栅传感器及其制作工艺
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