CN105241848A - 一种液体折射率和温度双参量传感器及其制作方法 - Google Patents

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刘铁根
陈耀飞
刘芳超
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本发明公开了一种液体折射率和温度双参量传感器及其制作方法，包括输入光纤、输出光纤、毛细管和水滴状弯曲光纤光栅结构，输入光纤、输出光纤分别焊接在水滴状弯曲光纤光栅结构的两端，输入光纤、输出光纤从毛细管同一侧穿出，水滴状弯曲光纤光栅结构靠近毛细管，水滴状弯曲光纤光栅结构靠近毛细管一侧与毛细管固定；弯曲光纤光栅结构包括一段被去除涂覆层的光纤布拉格光栅；基于所述光纤布拉格光栅透射波谷与所述水滴状弯曲光纤结构造成的干涉波谷对温度和折射率的不同响应，实现折射率和温度双参量测量。与现有技术相比，本发明传感器具有结构紧凑、制作简单、成本低、灵敏度高等优点。

Description

一种液体折射率和温度双参量传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及光纤传感和生物化学领域，特别是涉及一种基于弯曲光纤光栅(FBG)的全光纤折射率和温度双参量传感器及其制作方法。
背景技术
光纤传感器因为具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、传感距离长等优点，近年来受到了广泛的关注和研究。折射率和温度作为液体的两个重要参量，对其进行实时、准确的同时测量在生物和化学等领域具有重要的意义。通常情况下，因FBG内的模场被限制在纤芯内部，它对外界温度的变化敏感但对折射率变化是不敏感的。为了实现FBG的折射率测量，一种方法是利用酸性溶液对FBG的包层进行腐蚀，通过减小FBG的包层来使得纤芯模场的倏逝场与外界液体相互作用，造成FBG反射波长随外界液体折射率的变化漂移，通过检测FBG谐振波长的变化来对折射率进行传感；另外一种方法是利用激光对FBG栅区包层进行刻蚀，形成D型横截面的结构，同样可使倏逝场与外界液体接触，从而实现折射率的测量。然而在这些现有的传感器的制作过程中，或者需要危险、复杂的腐蚀过程或者需要特殊的光纤刻蚀设备和技术，这些都增加了传感器的制作难度和成本，阻碍了此类传感器的实用化。因此，制作结构简单、制作容易、成本低廉的FBG双参量光纤传感器显得尤为重要。
发明内容
针对上述的现有技术及存在的问题，本发明提出了一种液体折射率和温度双参量传感器及其制作方法，通过监测透射谱中两个波谷中心波长的变化来对外界液体的折射率和温度进行同时测量。
本发明提出了一种液体折射率和温度双参量传感器，该传感器包括输入光纤1、输出光纤2、毛细管4和水滴状弯曲光纤光栅结构6，输入光纤1、输出光纤2分别焊接在水滴状弯曲光纤光栅结构6的两端，输入光纤1、输出光纤2从毛细管4同一侧穿出，水滴状弯曲光纤光栅结构6靠近毛细管4，水滴状弯曲光纤光栅结构6靠近毛细管4一侧与毛细管4固定；弯曲光纤光栅结构6包括一段被去除涂覆层的光纤布拉格光栅5；
该传感器基于所述光纤布拉格光栅5透射波谷与所述水滴状弯曲光纤结构6造成的干涉波谷对温度和折射率的不同响应实现折射率和温度双参量测量。
本发明还提出了一种液体折射率和温度双参量传感器制作方法，该方法包括以下步骤：
将弯曲光纤光栅栅区的涂覆层剥除并用酒精进行清洁，作为光纤布拉格光栅5；将焊接在弯曲光纤光栅两端的输入光纤1、输出光纤2从毛细管同一侧穿过，输入光纤1接宽带光源，输出光纤2接光谱仪实时监测透射谱，向弯曲光纤光栅端滑动毛细管，在弯曲光纤光栅区域形成水滴状弯曲光纤结构6，同时观察透射谱，至产生明显的干涉波谷；最后在毛细管4靠近弯曲光纤光栅一侧点胶固定。
与现有技术相比，本发明传感器具有结构紧凑、制作简单、成本低、灵敏度高等优点。
附图说明
图1是本发明的液体折射率和温度双参量传感器结构示意图；
图2是传感器处于外界折射率为1.0和温度为20℃的环境下的透射谱示意图；
图3是传感器的透射谱随外界温度的变化情况示意图；
图4是波谷1和波谷2的中心波长随外界温度的变化情况示意图；
图5是传感器的透射谱随外界折射率的变化情况示意图；
图6是波谷1和波谷2的中心波长随外界折射率的变化情况示意图；
附图标记：1、输入光纤，2、输出光纤，3、固定胶，4、毛细管，5、光纤布拉格光栅(FBG)；6、弯曲光纤(FBG)光栅结构。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式，进一步详述本发明的技术方案。
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明：
如图1所示，本发明的传感器主要由输入光纤1、输出光纤2、毛细管4和弯曲光纤光栅(FBG)结构5构成，其中输入光纤1、输出光纤2分别焊接在弯曲光纤光栅结构5的两端，输入光纤1、输出光纤2从毛细管4穿出，直至弯曲光纤光栅结构5靠近毛细管4，水滴状的弯曲光纤光栅结构5靠近毛细管4一侧与由固定胶3与毛细管4固定，弯曲光纤光栅结构5包括一段被去除涂覆层的光纤布拉格光栅。
本例中所用的为普通的商品化的FBG，其输入光纤1、输出光纤2为标准单模光纤(CorningSMF-28)；固定胶3采用紫外固化胶；毛细管4为内径为0.5mm长度为3mm的玻璃管；弯曲光纤光栅结构5中被去除涂覆层的光纤光栅(包括FBG的栅区)的长度为25mm，水滴状结构的曲率半径为4.5mm。FBG是FiberBraggGrating的缩写，即光纤布拉格光栅。
该传感器的具体的制作过程为：首先，将弯曲光纤光栅FBG栅区的涂覆层剥除并用酒精进行清洁；将焊接在FBG两端的输入光纤1、输出光纤2从毛细管同一侧穿过，输入光纤1与接宽带光源，输出光纤2接光谱仪实时监测透射谱，向FBG端滑动毛细管，在FBG区域形成水滴状结构，同时观察透射谱，至产生明显的干涉波谷；最后在毛细管靠近FBG一侧点胶固定。(3)通过实验分别标定FBG透射波谷和弯曲结构干涉波谷对折射率和温度变化的响应曲线。标定后的传感器即可用来对外界折射率和温度的进行同时测量。
本发明的传感器可以看作是一个FBG和一个呈水滴状弯曲结构(如图1所示)的组合。对于一个宽带输入光信号，输出光谱是FBG和弯曲结构透射谱的叠加。为了便于分析可将二者分开讨论：
(1)、对于FBG，由于在布拉格波长处前向传输的纤芯模式几乎被全部耦合进后向传输的纤芯模式中，因此其透射谱表现为在布拉格波长处形成一个尖锐的波谷；
(2)、对于一个水滴状的弯曲结构，由于光纤的弯曲导致一部分纤芯模式进入包层，在包层与外界分界面又发生反射，从而形成回音壁模式，该模式在弯曲部分传输时部分耦合回纤芯，在输出光纤处纤芯模与回音壁模式之间发生干涉，在输出谱上形成一到多个较宽的波谷；
综上所述，本发明的传感器的透射谱上会出现两类波谷：一类由FBG引起，一类由水滴状弯曲结构引起。这两类波谷的中心波长均会随着外界折射率或温度的变化而线性变化，但是其斜率不同，因此经过标定后，通过同时监测两类波谷中心波长的变化，对外界的折射率和温度进行同时测量。
如图2所示，可以看到，1539.2nm处的细锐的波谷(波谷1)是FBG引起的，另外两个较宽的波谷则是因弯曲结构引起。选取图中所示的波谷1和波谷2作为监测对象，分别测量它们的中心波长随温度和折射率的变化，对传感器进行标定。
如图3所示，在外界折射率保持为1.0时，波谷1和波谷2的中心波长都随着温度的增大向长波方向移动，但移动的幅度不同。
如图4所示，可见波谷1和波谷2二者的中心波长随温度线性变化，曲线的斜率代表相应中心波长对温度变化的灵敏度。可以看出，该样品传感器FBG和水滴状弯曲结构产生的透射谷中心波长对外界温度变化的灵敏度分别为9.8pm/℃和31.7pm/℃；y为应变量，表示波谷的中心波长的变化量。图中，x为自变量，表示外界温度的大小；R表示线性拟合的拟合系数。
如图5所示的是外界温度保持20℃，传感器的透射谱随外界折射率的变化情况。可以看出，波谷1和波谷2的中心波长都随着外界折射率的增大向长波方向移动。
如图6所示为波谷1和波谷2的中心波长随外界折射率的变化曲线，均呈良好的线性关系。拟合结果表明FBG和弯曲结构对于的波谷中心波长对外界折射率变化的灵敏度分别为0.5050nm/RIU和165.9276nm/RIU(RIU为单位折射率)。图中，y为应变量，表示波谷的中心波长的变化量；x为自变量，表示外界折射率的大小；R表示线性相关系数。
在对此传感器进行标定后，传感器两个波谷对温度和折射率变化的响应可以表示为如下矩阵形式：
其中ΔT和Δn表示外界温度和折射率的变化量，Δλ1和Δλ2分别表示波谷1和波谷2的中心波长的变化量。公式中的数字就是以上述标定过程确定的灵敏度参量。根据上式，只要测得两个波谷中心波长的变化量，即可计算出相应的温度和折射率的变化量，从而实现了对温度和折射率的同时测量。
综上可以看出，本发明中的传感器具有同时对折射率和温度测量的能力，且此传感器具有制作成本低、结构简单紧凑、灵敏度高等优点。

Claims (2)

1.一种液体折射率和温度双参量传感器，其特征在于，该传感器包括输入光纤(1)、输出光纤(2)、毛细管(4)和水滴状弯曲光纤光栅结构(6)，输入光纤(1)、输出光纤(2)分别焊接在水滴状弯曲光纤光栅结构(6)的两端，输入光纤(1)、输出光纤(2)从毛细管(4)同一侧穿出，水滴状弯曲光纤光栅结构(5)靠近毛细管(4)，水滴状弯曲光纤光栅结构(5)靠近毛细管(4)一侧与毛细管(4)固定；弯曲光纤光栅结构(6)包括一段被去除涂覆层的光纤布拉格光栅(5)；
该传感器基于所述光纤布拉格光栅(5)透射波谷与所述水滴状弯曲光纤结构(6)造成的干涉波谷对温度和折射率的不同响应，实现折射率和温度双参量测量。
2.一种液体折射率和温度双参量传感器制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
将弯曲光纤光栅栅区的涂覆层剥除并用酒精进行清洁，作为光纤布拉格光栅(5)；将焊接在弯曲光纤光栅两端的输入光纤(1)、输出光纤(2)从毛细管(4)同一侧穿过，输入光纤(1)接宽带光源，输出光纤(2)接光谱仪实时监测透射谱，向弯曲光纤光栅端滑动毛细管(4)，造成光纤光栅(5)弯曲，形成水滴状弯曲光纤光栅结构(6)，同时观察透射谱，至产生明显的干涉波谷；最后在毛细管(4)靠近弯曲光纤光栅一侧点胶固定。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106706030A (zh) * 2016-11-22 2017-05-24 西北工业大学 利用单根光纤布拉格光栅实现温度、应变和折射率同时传感的方法
CN109709070A (zh) * 2018-12-29 2019-05-03 天津大学 复合光纤光栅传感器及其折射率和温度双参量测量方法
CN110470240A (zh) * 2019-08-16 2019-11-19 天津大学 一种光纤曲率测量传感器及其制作方法、测量***
CN112577628A (zh) * 2020-12-14 2021-03-30 武汉理工大学 一种强倏逝场干涉仪级联光反射器件的高灵敏温度传感器

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202024961U (zh) * 2010-12-10 2011-11-02 中国计量学院 一种基于锥形腐蚀的温度自补偿fbg折射率传感器
WO2012033718A1 (en) * 2010-09-08 2012-03-15 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Slow-light fiber bragg grating sensor
CN102455191A (zh) * 2010-11-01 2012-05-16 西安金和光学科技有限公司 基于光纤弯曲形变的光纤传感装置
KR101314848B1 (ko) * 2012-07-17 2013-10-04 파워옵틱스(주) 이중코어 광섬유 격자를 이용한 온도/굴절률 측정장치
CN103392136A (zh) * 2010-12-02 2013-11-13 Ofs飞泰尔公司 Dfb光纤激光弯曲传感器和光外差麦克风
CN104266999A (zh) * 2014-10-20 2015-01-07 吉林大学 一种基于d型塑料光纤探头的液体折射率测量仪
CN104655590A (zh) * 2015-02-10 2015-05-27 天津大学 全光纤折射率和温度传感器及测量方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012033718A1 (en) * 2010-09-08 2012-03-15 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Slow-light fiber bragg grating sensor
CN102455191A (zh) * 2010-11-01 2012-05-16 西安金和光学科技有限公司 基于光纤弯曲形变的光纤传感装置
CN103392136A (zh) * 2010-12-02 2013-11-13 Ofs飞泰尔公司 Dfb光纤激光弯曲传感器和光外差麦克风
CN202024961U (zh) * 2010-12-10 2011-11-02 中国计量学院 一种基于锥形腐蚀的温度自补偿fbg折射率传感器
KR101314848B1 (ko) * 2012-07-17 2013-10-04 파워옵틱스(주) 이중코어 광섬유 격자를 이용한 온도/굴절률 측정장치
CN104266999A (zh) * 2014-10-20 2015-01-07 吉林大学 一种基于d型塑料光纤探头的液体折射率测量仪
CN104655590A (zh) * 2015-02-10 2015-05-27 天津大学 全光纤折射率和温度传感器及测量方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YAOFEI CHEN等: "Simultaneous Measurement of Refractive Index and Temperature Using a Cascaded FBG/Droplet-Like Fiber Structure", 《IEEE SENSORS JOURNAL》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106706030A (zh) * 2016-11-22 2017-05-24 西北工业大学 利用单根光纤布拉格光栅实现温度、应变和折射率同时传感的方法
CN106706030B (zh) * 2016-11-22 2019-03-01 西北工业大学 利用单根光纤布拉格光栅实现温度、应变和折射率同时传感的方法
CN109709070A (zh) * 2018-12-29 2019-05-03 天津大学 复合光纤光栅传感器及其折射率和温度双参量测量方法
CN109709070B (zh) * 2018-12-29 2021-07-20 天津大学 利用复合光纤光栅传感器的折射率和温度双参量测量方法
CN110470240A (zh) * 2019-08-16 2019-11-19 天津大学 一种光纤曲率测量传感器及其制作方法、测量***
CN112577628A (zh) * 2020-12-14 2021-03-30 武汉理工大学 一种强倏逝场干涉仪级联光反射器件的高灵敏温度传感器
CN112577628B (zh) * 2020-12-14 2023-01-17 武汉理工大学 一种强倏逝场干涉仪级联光反射器件的高灵敏温度传感器

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