CN113218913A - 一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器 - Google Patents

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张岳铭
王志浩
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Abstract

本发明公开了一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器，由宽带光源、滤波器、传感单元、待测液体、液体容器、光谱仪、连接所用的单模光纤组成。通过将宽带光源输出的宽带激光通过滤波器限定在特定波长后输入到传感单元中，当溶液浓度发生变化时，溶液折射率同时发生变化，从而导致传感单元的有效折射率改变，致使光谱波长发生漂移，同时涂覆在传感单元上的氧化石墨烯膜层会提升该传感器的传感性能，并且因为能够做到温度与溶液浓度双参数测量，所以拥有在高灵敏度下且温度补偿的能力，具有很好的应用前景。

Description

一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器
技术领域
本发明提出了一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
啁啾光纤光栅是光纤光栅的一种，是一种周期随着光纤轴向方向不断变化的一种特殊光纤光栅；因为其透射谱拥有很宽的带宽，所以透射谱中能够实现很多波长的带阻，适用于多波长滤波的特点，在光通信方面有特殊的优势。
通常现在的溶液浓度传感器都只能对溶液浓度这一单参量进行测定，而溶液浓度这一参量的测定又是通过测定折射率这一参量再带入经验公式得到的，所以归根结底溶液浓度的测定其实是折射率的测定，折射率通常不会随着其他环境变化而变化，但是温度变化则会引起折射率的变化，所以为了准确的测得折射率变化，制作一种温度补偿的测量折射率传感器`非常必要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器，通过将宽带光源输出的宽带激光通过滤波器限定在特定波长后输入到传感单元中，当溶液浓度发生变化时，会使得传感单元周围折射率发生变化，在被传感单元被腐蚀端，对于折射率变化更加敏感，在未腐蚀端，可以检测温度的变化，同时光栅表面被涂覆上氧化石墨烯薄膜后，折射率匹配液中的液体小分子可以渗透进氧化石墨烯膜层之间的小缝隙，并且被氧化石墨烯所吸收，吸收后由于载流子浓度的的变化将会影响石墨烯本身复杂的折射率，石墨烯薄膜的存在使得传感单元对外界环境变化更加敏感，因此，当涂覆石墨烯的样本处于不同折射率大小的外界环境下时，其光谱将会发生明显变化，测得折射率变化后根据溶液浓度—溶液折射率经验公式带入其中即可得到溶液浓度，传感单元对周围折射率变化非常敏感，并且可以在温度敏感波长区检测温度变化情况，达到了温度补偿的作用，提高了传感器的稳定性，拥有很好的灵敏度，具有很好的应用前景。
1、一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、滤波器(2)、传感单元(3)、待测液体(4)、液体容器(5)光谱仪(6)、连接所用的单模光纤(7)组成；其特征在于：所述的传感单元(3)由腐蚀啁啾光纤光栅折射率传感区(31)、非腐蚀啁啾光纤光栅温度补偿区(32)氧化石墨烯膜层(33)组成；宽带光源(1)输出光传输到滤波器(2)使光谱被限定在1530nm～1585nm后使光信号输入传感单元(3)，待测液体(4)位于液体容器(5)中，将传感单元(3)放入待测液体(4)中，环境折射率变化将会使得光谱波峰发生移动，而环境温度变化将会使得检测波长范围内整体发生漂移，氧化石墨烯膜层(33)可以提高传感器的灵敏度，使得腐蚀啁啾光纤光栅折射率传感区(31)可以检测环境折射率变化，非腐蚀啁啾光纤光栅温度补偿区(32)可以起到温度补偿的作用，之后通过光谱仪(6)检测光谱变化，并带入溶液浓度经验公式即可得到溶液浓度变化，传感器各部分均由单模光纤(7)连接，该传感器灵敏度高，检测范围大，可以温度补偿，拥有很好的应用前景。
其中，所述的宽带光源(1)的波长范围为1530nm～1585nm。
其中，所述的滤波器(2)为带通滤波器。
其中，所述的传感单元(3)为线性啁啾光纤光栅，直径为100μm，长为14mm，纤芯折射率为1.45，折射率调制幅度为5×10-5，啁啾系数为2.5nm/mm。
其中，所述的传感单元(3)中的腐蚀啁啾光纤光栅折射率传感区(31)长为7mm，蚀刻程度为85％。
其中，所述的传感单元(3)中的非腐蚀啁啾光纤光栅温度补偿区(32)长为7mm。
其中，所述的传感单元(3)中的氧化石墨烯膜层(33)厚度为272nm，单层膜厚为6.8nm，涂覆40层。
本发明的工作原理是：腐蚀啁啾光栅结合了布拉格光栅的波长选择特性和腐蚀光纤倏势场传输特性，将其放置在不同的环境中，可以将腐蚀后剩余的光栅整体看作纤芯，将光纤周围的环境介质看作包层，下面研究由纤芯直径的不同所引起的布拉格波长的漂移情况。当光栅的周期Λ保持不变时，由布拉格条件可知，波长λB随着有效折射率neff的变化而呈现线性变化，由于单模光纤的相位因子β与光纤的直径密切相关，从而使光栅的有效折射率neff＝β/k0(其中，k0＝2π/λ)也随光纤直径的改变而变化；
计算中引入光纤归一化频率
Figure BDA0003089138720000021
和归一化横向传播常数
Figure BDA0003089138720000022
因此可将有效折射率neff表示为：
Figure BDA0003089138720000023
其中，a为光纤的半径，n1为光纤纤芯的折射率，n2为包层的折射率。并且，横向传播尝试U，归一化频率V满足光纤本征方程：
U2+W2＝V2 (2)
采用高斯场近似对本方程进行化简，U,V的关系可用如下式子表示：
可得：
Figure BDA0003089138720000024
Figure BDA0003089138720000031
事实上，n1,k0是常数，因此光纤布拉格光栅有效折射率neff是光纤半径a与包层折射率n2的函数，综合以上公式，当光栅半径a改变时，光纤布拉格波长将随之改变；当包层折射率n2改变时，光纤布拉格波长也会发生相应的改变。
本发明的有益效果是：提出涂覆氧化石墨烯的腐蚀部分啁啾光纤光栅与非腐蚀部分啁啾光纤光栅分别用来检测折射率于温度，使该传感器对环境折射率变化非常敏感，同时，能够温度补偿能够使得传感器的灵敏度将得到显著提升，为溶液浓度检测提供了一种较为简便易搭建、可靠、灵敏度高的新方法。
附图说明
图1是本发明的一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器特征装置示意图。
图2是本发明的传感单元结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
1、一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、滤波器(2)、传感单元(3)、待测液体(4)、液体容器(5)光谱仪(6)、连接所用的单模光纤(7)组成；其特征在于：所述的传感单元(3)由腐蚀啁啾光纤光栅折射率传感区(31)、非腐蚀啁啾光纤光栅温度补偿区(32)氧化石墨烯膜层(33)组成；宽带光源(1)输出光传输到滤波器(2)使光谱被限定在1530nm～1585nm后使光信号输入传感单元(3)，将传感单元(3)放入待测液体(4)中，氧化石墨烯膜层(33)的介电常数会随环境变化发生改变，会引起光纤光栅整体有效折射率的增加，进而引起光纤布拉格波长的漂移，同时增加光栅表面的倏逝场强度，可以提高传感器的灵敏度，环境折射率变化将会使得光谱波峰发生移动，而环境温度变化将会使得检测波长范围内整体发生漂移，使得腐蚀啁啾光纤光栅折射率传感区(31)可以检测环境折射率变化，非腐蚀啁啾光纤光栅温度补偿区(32)可以起到温度补偿的作用，在折射率传感区通过光谱仪(6)检测环境折射率的变化，将检测到的折射率变化带入溶液浓度经验公式即可得到溶液浓度变化，在温度补偿区检测环境温度的变化，从而达到检测折射率的同时温度自补偿的作用，传感器各部分均由单模光纤(7)连接。

Claims (7)

1.一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、滤波器(2)、传感单元(3)、待测液体(4)、液体容器(5)光谱仪(6)、连接所用的单模光纤(7)组成；其特征在于：所述的传感单元(3)由腐蚀啁啾光纤光栅折射率传感区(31)、非腐蚀啁啾光纤光栅温度补偿区(32)氧化石墨烯膜层(33)组成；宽带光源(1)输出光传输到滤波器(2)使光谱被限定在1530nm～1585nm后使光信号输入传感单元(3)，待测液体(4)位于液体容器(5)中，将传感单元(3)放入待测液体(4)中，环境折射率变化将会使得光谱波峰发生移动，而环境温度变化将会使得检测波长范围内整体发生漂移，氧化石墨烯膜层(33)可以提高传感器的灵敏度，使得腐蚀啁啾光纤光栅折射率传感区(31)可以检测环境折射率变化，非腐蚀啁啾光纤光栅温度补偿区(32)可以起到温度补偿的作用，之后通过光谱仪(6)检测光谱变化，并带入溶液浓度经验公式即可得到溶液浓度变化，传感器各部分均由单模光纤(7)连接，该传感器灵敏度高，检测范围大，可以温度补偿，拥有很好的应用前景。
2.根据权利要求1所述的一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器，其特征在于：所述的宽带光源(1)的波长范围为1530nm～1585nm。
3.根据权利要求1所述的一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器，其特征在于：所述的滤波器(2)为带通滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器，其特征在于：所述的传感单元(3)为线性啁啾光纤光栅，直径为100μm，长为14mm，纤芯折射率为1.45，折射率调制幅度为5×10-5，啁啾系数为2.5nm/mm。
5.根据权利要求1所述的一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器，其特征在于：所述的传感单元(3)中的腐蚀啁啾光纤光栅折射率传感区(31)长为7mm，腐蚀程度为85％。
6.根据权利要求1所述的一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器，其特征在于：所述的传感单元(3)中的非腐蚀啁啾光纤光栅温度补偿区(32)长为7mm。
7.根据权利要求1所述的一种温度补偿的测量溶液浓度啁啾光纤光栅传感器，其特征在于：所述的传感单元(3)中的氧化石墨烯膜层(33)厚度为272nm，单层膜厚为6.8nm，涂覆40层。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113945543A (zh) * 2021-09-02 2022-01-18 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） 光纤传感器及其制备方法、检测***和检测方法

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