CN205156934U - 一种fbg传感头及使用fbg传感头的多参量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种FBG传感头及使用FBG传感头的多参量传感器，该FBG传感头为一段整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅，优点是整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅的反射谱中存在多个波峰，每个波峰对不同感测参量的响应灵敏度不同，因此适用于多参量同时传感测量；该FBG传感头的制备过程简单，且稳定性好；使用整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅的传感器，对外界环境响应灵敏度高，且重复性好、性能稳定，具有很好的实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种FBG传感头及使用FBG传感头的多参量传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤传感技术，尤其是涉及一种FBG传感头及使用FBG传感头的多参量传感器。

背景技术

随着信息时代的到来，作为信息采集系统的首要部件的传感器已渗入到新技术革命的所有领域，涉及国民经济和大众生活的各个方面，成为制约时代发展的关键。据统计，2013年我国传感器销售额为1000亿元以上；2014年超过1200亿元；在物联网、智能手机和智能家居等产品智能化理念的推动下，2015年有望突破1300亿元。与此同时，随着传感器的工作环境的复杂化和人们对生活品质希望值的提升，传感器的功能需求标准也在不断提高。总之，在巨大需求量和高品质性能需求背景下，多参量传感器已成为时代发展的迫切需要。多参量传感器的应用，一方面，可以最大程度地降低测量多个参量采用单一传感器的成本和体积；另一方面，可以有效地提高传感器的稳定性和可靠性，适应越来越复杂的传感环境；更为重要的是多参量传感器可以对不同传感参量同时测量，达到实时性。

目前，多参量传感器的研究主要包括多传感器数据融合技术（MEMS）和新型功能材料两方面。多传感器数据融合技术是利用多个传感器资源，通过对多个传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在空间或时间上的冗余或互补信息，依据某种准则进行组合，以获得被测对象的一致性解释和描述。多传感器数据融合技术虽然可以获得多个参量的信息，但是并不能代替单一高精度传感器的测量结果，并且应用具有一定的局限性，只能针对具体问题展开，不能形成基本的理论框架和有效的广义融合模型及算法。另一方面，多传感器数据融合技术使得新材料型多参量传感器成为争相研究的热点，如光纤光栅传感器、超导传感器、纳米传感器和新型量子传感器等，其中，光纤光栅传感器具有波长绝对编码、不受电磁场干扰、安全防爆、耐腐蚀、灵敏度高、感传合一、体积小、重量轻等诸多优势，同时对外界应变、温度、压力、液位等物理量的变化同时敏感，尤其可应用于许多传统的传感器难以涉足的极端恶劣场合，并能在极限温度、腐蚀、真空和危险的环境中正常工作，已成为最具应用价值和应用前景的一类多参量传感器，引发了国内外科研人员对光纤光栅传感器的研究热潮。

根据周期的不同，光纤光栅可分为光纤布拉格光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPFG）两大类。其中，光纤布拉格光栅的周期一般在1μm以下，是一种反射型无源器件，除具有光纤光栅传感器的诸多优点外，尤为重要的是制作简单、成本低、可实现分布式感测，且带宽可达亚微米量级、感测精度极高，已成为多参量传感器的首选。目前，利用光纤布拉格光栅传感器实现多参量同时传感测量的问题，已提出两类解决方案：多传感器法和单传感器法，多传感器法需要两种或两种以上传感器的组合，这不但增加了复杂性、体积和连接损耗，而且提高了成本，而单传感器法正好可以弥补上述的不足。然而，现有的光纤布拉格光栅传感器中的光纤布拉格光栅为通用结构，通用结构的光纤布拉格光栅只有一个反射峰，多个影响因素同时存在时，其本身无法分辨谐振波长的漂移或反射峰的损耗来自哪个参量，因而限制了光纤布拉格光栅传感器在实际中大规模的应用。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种反射谱中存在多个波峰、适用于多参量同时传感测量的FBG传感头，以及使用FBG传感头的对外界环境响应灵敏度高、重复性好、性能稳定的多参量传感器。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种FBG传感头，其特征在于该FBG传感头为一段整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅。

所述的光纤布拉格光栅的中间部分为完全腐蚀后形成的锥腰区、两端端缘部分分别为未腐蚀的标准光栅区、位于所述的锥腰区与所述的标准光栅区之间的部分为渐变腐蚀形成的过渡区。

一种使用FBG传感头的多参量传感器，其特征在于包括SLED宽带光源、用于防止光返回至所述的SLED宽带光源的隔离器、全光纤耦合器、FBG传感头和光谱仪，所述的SLED宽带光源的输出光纤端头与所述的隔离器的第一个光纤端头连接，所述的隔离器的第二个光纤端头与所述的全光纤耦合器的第一个光纤端头连接，所述的全光纤耦合器的第二个光纤端头与所述的FBG传感头的其中一个光纤端头连接，所述的全光纤耦合器的第三个光纤端头与所述的光谱仪的输入光纤端头连接，所述的FBG传感头为一段整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅。

所述的全光纤耦合器的第四个光纤端头浸入光纤匹配液中以防止光返回。

所述的光纤布拉格光栅的中间部分为完全腐蚀后形成的锥腰区、两端端缘部分分别为未腐蚀的标准光栅区、位于所述的锥腰区与所述的标准光栅区之间的部分为渐变腐蚀形成的过渡区。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1）整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅的反射谱中存在多个波峰，每个波峰对不同感测参量的响应灵敏度不同，因此适用于多参量同时传感测量。

2）整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅的结构为三层式结构，即中间部分为锥腰区，两端头为标准光栅区，锥腰区与标准光栅区之间为渐变腐蚀形成的过渡区，过渡区可呈现出不同的特性，使得该整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅可用于温度、溶液浓度和液位等多参量测量。

3）在制备FBG传感头时，先将截取的普通单模光纤制备成稳定性好的普通的光纤布拉格光栅，再将普通的光纤布拉格光栅的中间部分放入装有腐蚀溶液的容器中，使光纤布拉格光栅的中间部分完全腐蚀且两端部分渐变腐蚀，得到整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅，制备过程简单，且制备得到的整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅的稳定性好。

4）使用整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅的传感器，对外界环境响应灵敏度高，且重复性好、性能稳定，具有很好的实用价值和广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例一的FBG传感头的结构示意图；

图2a为在荧光显微镜下观察到的长度为100厘米的FBG传感头的左侧部分的形状图；

图2b为在荧光显微镜下观察到的长度为100厘米的FBG传感头的右侧部分的形状图；

图3为实施例二的FBG传感头的多参量传感器的组成结构示意图；

图4为实施例三的FBG传感头的多参量传感器的组成结构示意图；

图5a为使用普通的光纤布拉格光栅的传感器中的光谱仪显示的反射谱；

图5b为使用实施例一的FBG传感头多参量传感器中的光谱仪显示的反射谱。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例一：

本实施例提出了一种FBG传感头，如图1所示，该FBG传感头为一段整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅1，光纤布拉格光栅1的中间部分为完全腐蚀后形成的锥腰区11、两端端缘部分分别为未腐蚀的标准光栅区12、位于锥腰区11与标准光栅区12之间的部分为渐变腐蚀形成的过渡区13，即锥腰区11的直径最小，过渡区13的直径次之，标准光栅区12的直径最大。整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅的反射谱中存在多个波峰，每个波峰对不同感测参量的响应灵敏度不同，因此适用于多参量同时传感测量；整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅的结构为三层式结构，即中间部分为锥腰区，两端头为标准光栅区，锥腰区与标准光栅区之间为渐变腐蚀形成的过渡区，过渡区可呈现出不同的特性，使得该整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅可用于温度、溶液浓度和液位等多参量测量。

在此具体实施例中，FBG传感头的长度一般可设计为80～120厘米，以下为制备长度为100厘米的FBG传感头的具体过程：

①选取型号为CorningSMF-28+的普通单模光纤，然后截取一段普通单模光纤，该段普通单模光纤的长度为100厘米、纤芯直径为8.2微米、包层直径为125微米。

②将截取的普通单模光纤制备成稳定性好的光纤布拉格光栅。

在此具体实施例中，步骤②的具体过程为：使截取的普通单模光纤在压力为1500psi的气压环境下经过两周左右时间的载氢；然后采用型号为COMPexpro50的准分子激光器，并利用现有的相位掩膜法将载氢后的普通单模光纤制备成光纤布拉格光栅；再为了使之具有较好的稳定性，利用温控箱在100℃下对制备成的光纤布拉格光栅进行退火处理，实际处理时就是把制备成的光纤布拉格光栅放在100℃下的温控箱内几天以完成退火处理，得到稳定性好的光纤布拉格光栅。

在此，所选用的准分子激光器发射的激光的波长为248纳米、最大脉冲能量为150毫焦。

③将步骤②制备得到的光纤布拉格光栅的中间部分放入装有腐蚀溶液的容器中，由于光纤包层和纤芯基质材料二氧化硅对氢氟酸具有极强的吸附作用，因此使光纤布拉格光栅的中间部分完全腐蚀且两端部分渐变腐蚀，得到整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅，再将整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅放入去离子水中漂洗，并晒干，作为FBG传感头。

腐蚀过程中，可利用Agilent86140B且精度为0.06纳米的光谱仪实时监测腐蚀过程中光纤布拉格光栅的反射谱的变化情况。

在此具体实施例中，步骤③中的腐蚀溶液由浓度为40%的氢氟酸和纯净水按体积比为1：2配比得到；容器可采用塑料材质制成的D形槽。

图2a给出了在荧光显微镜下观察到的FBG传感头的左侧部分的形状图，图2b给出了在荧光显微镜下观察到的FBG传感头的右侧部分的形状图。由于荧光显微镜受最大观察范围限制，因此利用荧光显微镜观察FBG传感头时分左、右两侧部分单独观察。图2a和图2b显示的FBG传感头的锥腰区的长度为34厘米且直径为3.2微米。

在制备FBG传感头时，先将截取的普通单模光纤制备成稳定性好的普通的光纤布拉格光栅，再将普通的光纤布拉格光栅的中间部分放入装有腐蚀溶液的容器中，使光纤布拉格光栅的中间部分完全腐蚀且两端部分渐变腐蚀，得到整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅，制备过程简单，且制备得到的整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅的稳定性好。

在制备FBG传感头的过程中，载氢的环境压力及退火的温度都可适当调整，如以下具体制备过程：

①选取型号为CorningSMF-28+的普通单模光纤，然后截取一段普通单模光纤，该段普通单模光纤的长度为120厘米、纤芯直径为8.2微米、包层直径为125微米。

②将截取的普通单模光纤制备成稳定性好的光纤布拉格光栅。

在此具体实施例中，步骤②的具体过程为：使截取的普通单模光纤在压力为1600psi的气压环境下经过两周左右时间的载氢；然后采用型号为COMPexpro50的准分子激光器，并利用现有的相位掩膜法将载氢后的普通单模光纤制备成光纤布拉格光栅；再为了使之具有较好的稳定性，利用温控箱在110℃下对制备成的光纤布拉格光栅进行退火处理，实际处理时就是把制备成的光纤布拉格光栅放在110℃下的温控箱内几天以完成退火处理，得到稳定性好的光纤布拉格光栅。

③将步骤②制备得到的光纤布拉格光栅的中间部分放入装有腐蚀溶液的容器中，由于光纤包层和纤芯基质材料二氧化硅对氢氟酸具有极强的吸附作用，因此使光纤布拉格光栅的中间部分完全腐蚀且两端部分渐变腐蚀，得到整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅，再将整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅放入去离子水中漂洗，并晒干，作为FBG传感头。

实施例二：

本实施例提出了一种使用实施例一提出的FBG传感头的多参量传感器，如图3所示，其包括SLED宽带光源2、用于防止光返回至SLED宽带光源2的隔离器3、全光纤耦合器4、FBG传感头和光谱仪5，SLED宽带光源2的输出光纤端头与隔离器3的第一个光纤端头连接，隔离器3的第二个光纤端头与全光纤耦合器4的第一个光纤端头连接，全光纤耦合器4的第二个光纤端头与FBG传感头的其中一个光纤端头连接，全光纤耦合器4的第三个光纤端头与光谱仪5的输入光纤端头连接，全光纤耦合器4的第四个光纤端头悬置，FBG传感头为一段整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅1。

在此具体实施例中，SLED宽带光源2、隔离器3、全光纤耦合器4和光谱仪5均采用现有技术；整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅1的中间部分为完全腐蚀后形成的锥腰区11、两端端缘部分分别为未腐蚀的标准光栅区12、位于锥腰区11与标准光栅区12之间的部分为渐变腐蚀形成的过渡区13，即锥腰区11的直径最小，过渡区13的直径次之，标准光栅区12的直径最大。整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅的反射谱中存在多个波峰，每个波峰对不同感测参量的响应灵敏度不同，因此适用于多参量同时传感测量；整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅的结构为三层式结构，即中间部分为锥腰区，两端头为标准光栅区，锥腰区与标准光栅区之间为渐变腐蚀形成的过渡区，过渡区可呈现出不同的特性，使得该整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅可用于温度、溶液浓度和液位等多参量测量。

使用整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅的传感器，对外界环境响应灵敏度高，且重复性好、性能稳定，具有很好的实用价值和广阔的应用前景。

实施例三：

本实施例提出了一种使用实施例一提出的FBG传感头的多参量传感器，如图4所示，其包括SLED宽带光源2、用于防止光返回至SLED宽带光源2的隔离器3、全光纤耦合器4、FBG传感头、光谱仪5和光纤匹配液6，SLED宽带光源2的输出光纤端头与隔离器3的第一个光纤端头连接，隔离器3的第二个光纤端头与全光纤耦合器4的第一个光纤端头连接，全光纤耦合器4的第二个光纤端头与FBG传感头的其中一个光纤端头连接，全光纤耦合器4的第三个光纤端头与光谱仪5的输入光纤端头连接，全光纤耦合器4的第四个光纤端头浸入光纤匹配液6中以防止光返回，FBG传感头为一段整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅1。

在此具体实施例中，SLED宽带光源2、隔离器3、全光纤耦合器4和光谱仪5均采用现有技术，SLED宽带光源2的中心波长为1550纳米、带宽为80纳米、最大输出功率为5纳瓦；整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅1的中间部分为完全腐蚀后形成的锥腰区11、两端端缘部分分别为未腐蚀的标准光栅区12、位于锥腰区11与标准光栅区12之间的部分为渐变腐蚀形成的过渡区13，即锥腰区11的直径最小，过渡区13的直径次之，标准光栅区12的直径最大；光纤匹配液采用酒精。

使用整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅的传感器，对外界环境响应灵敏度高，且重复性好、性能稳定，具有很好的实用价值和广阔的应用前景。

图5a给出了使用普通的光纤布拉格光栅（由长度为100厘米、纤芯直径为8.2微米、包层直径为125微米的普通单模光纤制成）的传感器中的光谱仪显示的反射谱，在实验时可直接将普通的光纤布拉格光栅置于实施例三的FBG传感头的多参量传感器中替代FBG传感头，利用光谱仪得到反射谱，谐振波长为1536.24纳米，3dB带宽为0.109纳米。

图5b给出了截取的普通单模光纤的长度为100厘米、纤芯直径为8.2微米、包层直径为125微米时，制备得到的长度为100厘米的FBG传感头应用于实施例三的FBG传感头的多参量传感器中的光谱仪显示的反射谱，由于FBG传感头的特殊结构形式，使得反射谱出现多个谐振峰，两侧标准光栅区各出现一个主反射峰，其中右侧主反射峰的波长位置与未腐蚀前的普通光纤布拉格光栅相近，另一个主反射峰和次反射峰处于左侧的位置。带宽由于光栅长度的缩短而略有增大，两主反射峰中间由于光栅半径的减小，倏逝波场增大，激发包层模，出现多个次反射峰；且传感特性测试表明，不同反射峰对温度、溶液浓度和液位等具有不同的响应灵敏度，从而可以用于同时测量多个参量。

对比实施例二的多参量传感器与实施例三的多参量传感器，发现实施例三的多参量传感器中设置有光纤匹配液，利用光纤匹配液能够很好的防止全光纤耦合器4的第四个光纤端头输出的光返回，从稳定性上看，实施例三的多参量传感器比实施例二的多参量传感器更稳定。

值得注意的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非因此限定本实用新型的专利保护范围，本实用新型还可以对上述部件进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本实用新型的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本实用新型所涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种FBG传感头，其特征在于该FBG传感头为一段整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅。

2.根据权利要求1所述的一种FBG传感头，其特征在于所述的光纤布拉格光栅的中间部分为完全腐蚀后形成的锥腰区、两端端缘部分分别为未腐蚀的标准光栅区、位于所述的锥腰区与所述的标准光栅区之间的部分为渐变腐蚀形成的过渡区。

3.一种使用FBG传感头的多参量传感器，其特征在于包括SLED宽带光源、用于防止光返回至所述的SLED宽带光源的隔离器、全光纤耦合器、FBG传感头和光谱仪，所述的SLED宽带光源的输出光纤端头与所述的隔离器的第一个光纤端头连接，所述的隔离器的第二个光纤端头与所述的全光纤耦合器的第一个光纤端头连接，所述的全光纤耦合器的第二个光纤端头与所述的FBG传感头的其中一个光纤端头连接，所述的全光纤耦合器的第三个光纤端头与所述的光谱仪的输入光纤端头连接，所述的FBG传感头为一段整体呈双锥型结构的光纤布拉格光栅。

4.根据权利要求3所述的一种使用FBG传感头的多参量传感器，其特征在于所述的全光纤耦合器的第四个光纤端头浸入光纤匹配液中以防止光返回。

5.根据权利要求3或4所述的一种使用FBG传感头的多参量传感器，其特征在于所述的光纤布拉格光栅的中间部分为完全腐蚀后形成的锥腰区、两端端缘部分分别为未腐蚀的标准光栅区、位于所述的锥腰区与所述的标准光栅区之间的部分为渐变腐蚀形成的过渡区。