CN103175793A - 基于长周期光纤光栅的远距离多点检测用化学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于长周期光纤光栅的远距离多点检测用化学传感器。将光时域反射仪激光输出端与长距离传输光纤的一端光连接，在传输光纤不同传感点处分布熔接一根长周期光纤光栅传感器，长周期光纤光栅传感头周围化学环境的不同会导致透射谱发生漂移，且漂移变化量与外界化学环境具有一一对应的关系，当具有特定波长的光脉冲在光纤链路中经过长周期光纤光栅传感头时，透射光强会受到调制，通过光时域反射仪对光纤链路中背向散射信号的解调，可以获得每个传感点处的光强变化信息，从而实现了距离远、传感距离可分辨的多点实时检测的化学传感。本发明针对现有技术中光纤光栅传感器测量距离短、范围小、无法实现多路复用和费用高等问题，提供了一种成本低、结构简单、可实现多点、远距离及实时检测的基于长周期光纤光栅的化学传感器。

Description

基于长周期光纤光栅的远距离多点检测用化学传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于长周期光纤光栅(LongPeriod Fiber Grating，LPFG)的远距离多点检测用化学传感器。

背景技术

自从第一只光纤光栅被制造出来以后，人们对它的特性的研究不断深入，不仅使光纤光栅在通信领域中被广泛应用，而且也促进了光纤传感技术的迅速发展。光纤光栅具有体积小、成本廉价、波长选择性高、***损耗低、偏振不敏感、抗电磁干扰能力强、结构简单等优点，因此基于光纤光栅的传感技术发展的越来越快，它的应用也越来越广泛。比如在一些存在电磁干扰、腐蚀性强，或其他恶劣的化学条件下，传统的传感方法就无法胜任，而光纤光栅与这些传统的传感器件相比，具有很强的技术优势：它的信号测量不受光源起伏、光纤弯曲损耗和探测器老化等因素的影响；另外，光纤光栅能够避免一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要，因此基于光纤光栅的传感技术在传感领域中占据了很重要的地位。

随着光纤光栅的发展和制作技术的日渐成熟，光纤光栅产品不断推陈出新，被测对象也越来越广泛。比如布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅可以用来实现对温度、应力和折射率等的传感，其中长周期光纤光栅具有较长的周期，一般为100μm量级，其模式耦合是同向传输的纤芯基模与包层模之间的耦合，比较容易受到外界环境折射率的影响，并有着比较灵敏的变化，所以它更适合作为折射率敏感传感器或作为溶液浓度的测量器。虽然长周期光纤光栅的灵敏度比较高，但是对于检测谐振波长位移为手段的解调***来说，长周期光纤光栅具有多个谐振峰值和比较大的带宽，所以限制了其多路复用的能力。

光时域反射仪简称OTDR(Optical time-domain reflectometer，OTDR)，通常被用来测量长距离光缆的长度，还被广泛用于光缆线路的维护、施工、故障检测、工程校验等，是一种利用光纤线路中光波的瑞利散射和菲涅尔散射所产生的背向散射信号来对光纤线路检测的精密光电仪表。

目前基于长周期光纤光栅的传感器大多是基于光谱仪检测谐振波谷的移动相对量来实现对被测量的传感，并且其谐振波带宽比较宽，测量范围也比较小，因此昂贵的检测成本和无法实现波分复用等缺陷限制了此类传感器的应用。针对上述问题，我们提出了一种基于长周期光纤光栅的远距离多点检测用化学传感器。

发明内容

本发明针对现有技术中光纤光栅传感器测量距离短、范围小、无法实现多路复用和费用高等问题，提供了一种成本低、结构简单、可实现多点、远距离及实时检测的基于长周期光纤光栅的化学传感器。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案：

基于长周期光纤光栅的远距离多点检测用化学传感器包括光时域反射仪、多根长周期光纤光栅传感头、一根长距离传输光纤。光时域反射仪的输出端与长距离传输光纤的一端光连接，在长距离传输光纤上不同传感点处分别熔接一根长周期光纤光栅传感头。所述的光时域反射仪输出光脉冲的波长位于所有长周期光纤光栅传感头透射谱的线性区域内。

所述的传感器是基于长周期光纤光栅传感头周围化学环境发生改变时，引起长周期光纤光栅传感头的谐振波长发生移动，使得在特定波长处的光损耗发生变化，当从光时域反射仪输出的光脉冲波长位于长周期光纤光栅传感头透射光谱的线性区域时，长周期光纤光栅传感头透射谱的移动将导致透过的光脉冲强度发生变化，传输光纤上所有传感点处的强度变化情况在光时域反射仪的光强-距离曲线上同时显示。

本发明所具有的有益效果为：

1、本发明以长周期光纤光栅为传感元，可以大大提高对被测化学环境的敏感度。

2、本发明利用光时域反射仪输出特定波长的光脉冲在经过长周期光纤光栅传感头时，由于长周期光纤光栅传感头的透射谱随化学环境的变化而发生移动，透过的光脉冲受到长周期光纤光栅传感头调制后光强的衰减量与化学环境的变化一一对应，利用OTDR的光电探测与解调***对光纤链路进行分析，可以实现多个传感位置距离可分辨的检测，从而克服了长周期光纤光栅无法实现复用的缺陷。

3、本发明利用强度解调的方法实现信号解调，避免了昂贵的光谱仪等光谱检测设备的使用，大大降低了传感检测成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明光波强度检测原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步描述。

如图1所示，一种基于长周期光纤光栅的远距离多点检测用化学传感器，包括光时域反射仪1、长距离传输光纤2和多个长周期光纤光栅传感头3，其特征在于：光时域反射仪1的输出端与长距离传输光纤2的一端光连接，在长距离传输光纤2上不同传感点处分别熔接一根长周期光纤光栅传感头3，长周期光纤光栅传感头3置于待检测的化学环境4中。

其中，光时域反射仪输出光脉冲的波长位于所有长周期光纤光栅传感头透射谱的线性区域内。

本发明装置的工作方式为：

光时域反射仪按设定值发出特定波长和特定频率的光脉冲，耦合进入传输光纤，光脉冲在传播过程中会在每一个位置都会产生后向散射信号，光脉冲及其后向散射信号在被测区域内传输经过分布在传输光纤上的多个长周期光纤光栅传感头时会受到强度调制，由于长周期光纤光栅的模式耦合作用，透射谱中会产生谐振波长，谐振波长的大小为：

λ＝Δn_effΛ

其中：

是纤芯导模有效折射率与包层模有效折射率

之差。

长周期光纤光栅传感头周围化学环境的不同，将导致包层模有效折射率

的不同，因此长周期光纤光栅传感头的透射谱会发生漂移，且漂移变化量与外界化学环境具有一定的关系，本发明还可以通过在长周期光纤光栅传感头上涂覆一层化学敏感膜或化学功能性材料，可以实现具有针对性的化学物质传感。当具有特定波长的光脉冲在经过长周期光纤光栅传感头时，由于长周期光栅传感头透射谱的漂移，在输入光脉冲的特定波长处，其透射光强就会随之发生改变，示意图如图2所示。光脉冲在光纤链路中每遇到一个长周期光纤光栅传感头都会受到相似的强度调制，因此光强改变量与外界化学环境具有一一对应的关系，所以通过光时域反射仪对光纤链路中背向散射信号的解调，可以获得每个传感点处的光强信息，从而实现了距离远、传感距离可分辨、多点、在线的长周期光纤光栅化学传感。

为了获得更大的测量范围和比较好的线性，尽可能地减少长周期光纤光栅的长度，以获得比较大的光谱半宽度。其中长周期光纤光栅的光谱半宽由下式决定：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{0.8{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cut}}^2}{L(n_{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{cl}})}$

其中：λ_cut为光纤的截止波长，L为光栅长度，n_co和n_cl分别代表纤芯导模和包层的有效折射率。

传输光纤上的每根长周期光纤光栅传感头都会对透过的光脉冲进行强度调制，所以在光时域反射仪显示的OTDR光强-距离曲线图上可以同时观察到对应监测点处的光强阶跃的变化。只要通过观察OTDR光强-距离曲线在传感点处光强跃变的大小即可获得该传感点处的化学环境信息。

该装置能够实现远距离多点检测的关键技术为：利用在光纤链路中多个传感点处熔接长周期光纤光栅，当长周期光纤光栅传感头周围化学环境发生改变时，引起长周期光纤光栅传感头的谐振波长发生移动，使得在特定波长处的光损耗发生变化，当从光时域反射仪输出的光脉冲波长位于长周期光纤光栅传感头透射光谱的线性区域时，长周期光纤光栅传感头透射谱的移动将导致透过的光脉冲强度发生变化，通过监测光时域反射仪的光强-距离曲线即可同时获得传输光纤上所有传感点处的强度变化情况，实现长距离、多点、在线的长周期光纤光栅化学传感。

本实施例中的光时域反射仪的型号为FTB-150，设定光时域反射仪输出光波长为1550nm，由光脉冲调制器设置最后输出光脉冲的脉冲宽度50nm，频率为30kHz；传输光纤为G.652单模光纤，长度25km；长周期光纤光栅传感头光栅周期为640μm，长度为10mm，测得谐振波长为1580nm，选择四根这种规格的长周期光纤光栅传感头分别布置在传输光纤的5km、10km、15km和20km处。将四根长周期光纤光栅传感头分别浸入在异丙醇、水、甲醇、乙醇溶液中，分别记录光时域反射仪显示屏上光强-距离曲线在5km，10km，15km，20km处衰减的大小，其数据如表一所示。

表一：本发明化学敏感传感器远距离多点检测结果

距离(待测溶液)	5km(异丙醇)	10km(水)	15km(甲醇)	20km(乙醇)
					损耗大小	3.4dB	1.7dB	1.9dB	2.5dB

Claims (1)

1.一种基于长周期光纤光栅的远距离多点检测用化学传感器，包括光时域反射仪1、长距离传输光纤2和多个长周期光纤光栅传感头3；其特征在于：光时域反射仪的输出端与长距离传输光纤的一端光连接，在长距离传输光纤上不同传感点处分别熔接一根长周期光纤光栅传感头；所述的光时域反射仪输出光脉冲的波长位于所有长周期光纤光栅传感头透射谱的线性区域内；

所述的传感器是基于长周期光纤光栅传感头周围化学环境发生改变时，引起长周期光纤光栅传感头的谐振波长发生移动，使得在特定波长处的光损耗发生变化，当从光时域反射仪输出的光脉冲波长位于长周期光纤光栅传感头透射光谱的线性区域时，长周期光纤光栅传感头透射谱的移动将导致透过的光脉冲强度发生变化，传输光纤上所有传感点处的强度变化情况在光时域反射仪的光强-距离曲线上同时显示。

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