CN113324948A - 混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器，包括顺次连接的第一单模光纤、第一石英毛细管、混合液芯光纤、第二石英毛细管和第二单模光纤，其中混合液芯光纤的纤芯为具有特定色散曲线的混合液体，其上制作有长周期光纤光栅，长周期光纤光栅中不同谐振峰都位于不同模式的色散转折点附近。本发明可以对温度和折射率双参量进行同时测量，且传感器体积小、成本低、制备方法简单易行。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感与通信技术领域，具体涉及一种基于混合液芯长周期光纤光栅的温度和折射率双参量传感器。
背景技术
长周期光纤光栅(Long period fiber grating,LPFG)是光纤光栅的一种，周期在几十到几百个微米之间，原理为光纤间同为正向传输的模式的耦合，在透射端观察呈现带阻特性。外界环境如温度、应变、横向负载、弯曲等的变化对光纤模式之间的耦合影响比较大，导致LPFG谐振波长发生漂移，是一种敏感度高的传感器件，经常用于对温度、折射率、湿度、弯曲、应变等参数的测量。随着对LPFG研究的深入，人们不再局限于单模光纤中LPFG的研究，涌现出许多特种光纤LPFG。
当LPFG用于温度传感时，普通单模光纤的纤芯和包层的主要材料都为石英，热光系数相差不大，都约为7.8·10-6/℃，因此常规单模光纤LPFG的温度灵敏度较低，一般为几十pm/℃。
另外，在实际的传感测量中，传感器不可能只受到一个参量的影响，温度、湿度、应变、环境折射率等变化一般都是同时存在的，尤其是对折射率的测量过程中必须要考虑温度的影响因素。
发明内容
本发明针对现有LPFG温度传感器灵敏度较低，光纤折射率传感器存在温度串扰的问题，提供一种可以实现对温度和折射率双参量的高灵敏度测量的混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器。
本发明所采用的技术方案是：
提供一种混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器，包括顺次连接的第一单模光纤、第一石英毛细管、混合液芯光纤、第二石英毛细管和第二单模光纤，其中混合液芯光纤的纤芯为具有特定色散曲线的混合液体，其上制备有长周期光纤光栅，长周期光纤光栅中不同谐振峰都位于不同模式的色散转折点附近。
接上述技术方案，所述混合液体为甘油与水的混合液。
接上述技术方案，所述混合液芯光纤包括包层和圆形空气孔，该圆形空气孔内置所述长周期光纤光栅，且其内填充所述混合液体。
接上述技术方案，第一石英毛细管的内径略大于第一单模光纤，第二石英毛细管的内径略大于第二单模光纤。
接上述技术方案，混合液体的热光系数的绝对值大于10-4/℃。
接上述技术方案，混合液体的折射率始终比两个石英毛细管高3·10-3～7·10-3。
接上述技术方案，混合液芯光纤两端的尾纤穿过石英毛细管与第一单模光纤连接。
接上述技术方案，第一石英毛细管和第二石英毛细管靠近混合液芯光纤的一端均存储一段混合液体。
接上述技术方案，混合液芯光纤与两端的石英毛细管连接处用紫外胶密封固定。
本发明产生的有益效果是：本发明通过将具有特定色散曲线的混合液体注入空芯光纤，能够实现多个工作在色散转折点附近的谐振峰，可以实现对温度、折射率的高灵敏度双参量测量。当混合液体纤芯的色散曲线与石英包层的色散曲线差别较大，根据数值仿真结果看出在不同的光栅周期下，LPFG都可以工作在色散转折点附近。对于具有特定周期的LPFG，温度变化时，谐振峰变化很大，可以出现多个模式的色散转折点，位于色散转折点附近的不同谐振峰的灵敏度较高且有差异，可以实现双参量同时高灵敏测量。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实例一种混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器的结构示意图；
图2为本发明实例混合液体和石英的色散曲线
图3为本发明实例长周期光栅在25℃、28℃、31℃时不同包层模式对应光栅周期与谐振波长的关系曲线。
图中：1.第一单模光纤，2.第一石英毛细管，3.混合液芯光纤，4.第二石英毛细管，5.第二单模光纤，6.混合液体，7.长周期光栅，8.紫外胶封接处。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器，可以实现对温度、折射率双参量的同时测量。
本发明实施例基于混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器，包括顺次连接的第一单模光纤1、第一石英毛细管2、混合液芯光纤3、第二石英毛细管4和第二单模光纤5。混合液芯光纤3两端的尾纤穿过石英毛细管与单模光纤连接。混合液芯光纤3为圆孔光纤，纤芯内部注入甘油与水的混合液体6，且其上制作有长周期光纤光栅，且长周期光纤光栅中不同谐振峰都位于不同模式的色散转折点附近。即混合液芯光纤内的长周期光栅随着温度变化会出现多个模式的色散转折点，且不同谐振峰都位于色散转折点附近。从而能够实现多个工作在色散转折点附近的谐振峰，实现对温度、折射率的高灵敏度双参量测量。
进一步地，第一石英毛细管2连接第一单模光纤1与混合液芯光纤3，第二石英毛细管4连接第二单模光纤5与混合液芯光纤3，混合液芯光纤3与两端的石英毛细管连接处用紫外胶进行密封固定。长周期光纤光栅可以用CO2激光器、电弧放电、金属槽板压制等方法制作。如光栅的制作可以先在混合液芯光纤3的包层上制作光栅，或者也可以在整个结构连接好后用金属槽压制的方法对液芯光纤做形状调制。
本发明中，单模光纤与混合液芯光纤可以通过石英毛细管连接，这样不仅可以使单模光纤和混合液芯光纤良好对接，还可以在石英毛细管中储存一段液体，以减小温度变化时液体体积变化产生的影响。
本发明的传感器中将液体注入空芯光纤中充当纤芯，纤芯处的液体可以使用热光系数较高的材料按照一定比例制作成折射率略高于石英的混合液体，如热光系数为-2.8·10-4/℃的甘油与热光系数-1.45·10-4为水按照体积分数为94％和6％混合时，此时混合液体与石英毛细管的色散曲线如图2所示。该混合液体的色散曲线与石英毛细管的色散曲线相差较大，且混合液体的折射率始终比石英毛细管折射率高3·10-3～7·10-3，对应LPFG不同模式的周期与波长的关系如图3所示。当光栅的周期确定后，随着温度变化，对应LPFG的透射光谱中可以产生多个模式对应的色散转折点，当光由热光系数高的液体纤芯经LPFG耦合进入热光系数低的包层后，随着温度的变化，会使透射光谱产生较大的波长漂移。在LPFG的色散转折点附近，对应于传感器具有极高的灵敏度。由于不同模式的灵敏度不同，因此可以对外界环境的变化进行多参量测量，且灵敏度非常高。
本发明较佳实例中，第一单模光纤1和第二单模光纤5的纤芯直径为8.2微米，包层直径为125微米；第一石英毛细管和第二石英毛细管的空气孔的内径略大于单模光纤，本发明实施例中约为127μm，外径200-300μm，本发明实施例的外径250μm，混合液芯光纤的包层直径125微米，内部圆孔的直径为10μm。
混合液体为热光系数较高的导光材料，其热光系数大于10-4/℃。可以选用甘油与水的混合物等，因为孔径小的空芯光纤填充液体速度较慢，所以填充液体的长度越短，制作时间就越短，但同时光栅长度约为2-4cm，且要预留一段长度来连接毛细管，因此液芯光纤中混合液体的填充长度约为4-8cm。
通过仿真计算得到在不同温度时，不同包层模式的相位匹配曲线如图3所示，长周期光栅在周期几百微米时随着温度变化可以产生多色散转折点。
长周期光栅通常是在光纤上进行折射率周期性调制后形成的，基模向前传输时与包层模耦合，不同的共振损耗带在不同中心波长处产生透射谱，第m阶模式透射谱的中心波长λres,m由相位匹配条件确定：
其中Λ表示光栅的周期，
表示基模的有效折射率，
表示m阶包层模的有效折射率。LPFG的温度灵敏度可以表示为：
其中α是混合液体纤芯的热膨胀系数，T是外界环境的温度，γ表示波导色散，Γtemp表示温度相关系数，分别表示为：
其中ξco和ξcl是混合液体纤芯和石英包层的热光系数。由于液体纤芯的热光系数ξco远大于石英包层的热光系数ξcl，并且在色散转折点附近，
的值趋向于无穷，因此对应传感器具有极高的温度灵敏度。
综上，本发明传感器的液体纤芯的高热光系数使传感器对温度具有很高的敏感性，通过更改混合液体的成分，使混合液体的色散曲线与石英的色散曲线相差较大，选定合适的周期制作长周期光栅后，随着环境的温度的变化，在较小波长范围可以出现不同模式的色散转折点，并且长周期光纤光栅中不同谐振峰都位于不同模式的色散转折点附近，灵敏度较高且有差异，因此可以对温度和折射率双参量进行同时测量，且传感器体积小、成本低、制备方法简单易行。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器，其特征在于，包括顺次连接的第一单模光纤、第一石英毛细管、混合液芯光纤、第二石英毛细管和第二单模光纤，其中混合液芯光纤的纤芯为具有特定色散曲线的混合液体，其上制作有长周期光纤光栅，长周期光纤光栅中不同谐振峰都位于不同模式的色散转折点附近。
2.根据权利要求1所述的混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器，其特征在于，所述混合液体为甘油与水的混合液。
3.根据权利要求1所述的混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器，其特征在于，所述混合液芯光纤包括包层和圆形空气孔，该圆形空气孔内置所述长周期光纤光栅，且其内填充所述混合液体。
4.根据权利要求1所述的混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器，其特征在于，第一石英毛细管的内径略大于第一单模光纤，第二石英毛细管的内径略大于第二单模光纤。
5.根据权利要求1所述的混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器，其特征在于，混合液体的热光系数的绝对值大于10-4/℃。
6.根据权利要求1所述的混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器，其特征在于，混合液体的折射率始终比两个石英毛细管高。
7.根据权利要求1所述的混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器，其特征在于，混合液芯光纤两端的尾纤穿过石英毛细管与第一单模光纤连接。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器，其特征在于，第一石英毛细管和第二石英毛细管靠近混合液芯光纤的一端均存储一段混合液体。
9.根据权利要求8所述的混合液芯光纤长周期光栅温度和折射率双参量传感器，其特征在于，混合液芯光纤与两端的石英毛细管连接处用紫外胶密封固定。
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|---|---|
| CN (1) | CN113324948A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101261165A (zh) * | 2008-04-24 | 2008-09-10 | 上海交通大学 | 浓度可调谐的混合液芯光纤温度传感器 |
| CN203811537U (zh) * | 2014-01-15 | 2014-09-03 | 中国计量学院 | 基于长周期光纤光栅折射率温度双参数测量传感器 |
| CN107490561A (zh) * | 2017-07-24 | 2017-12-19 | 温州大学 | 一种高灵敏倾斜光纤光栅低折射率传感检测装置 |
| CN107687907A (zh) * | 2017-07-17 | 2018-02-13 | 东北大学 | 一种基于液体填充空芯环状光纤光栅的温度传感方法 |
| CN109211838A (zh) * | 2018-07-25 | 2019-01-15 | 东北大学 | 一种超高灵敏度的长周期光子晶体光纤光栅折射率传感器 |
| CN110260920A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-09-20 | 哈尔滨工程大学 | 基于定向耦合器与长周期光纤光栅的温度和折射率双参量传感器 |
-
2021
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101261165A (zh) * | 2008-04-24 | 2008-09-10 | 上海交通大学 | 浓度可调谐的混合液芯光纤温度传感器 |
| CN203811537U (zh) * | 2014-01-15 | 2014-09-03 | 中国计量学院 | 基于长周期光纤光栅折射率温度双参数测量传感器 |
| CN107687907A (zh) * | 2017-07-17 | 2018-02-13 | 东北大学 | 一种基于液体填充空芯环状光纤光栅的温度传感方法 |
| CN107490561A (zh) * | 2017-07-24 | 2017-12-19 | 温州大学 | 一种高灵敏倾斜光纤光栅低折射率传感检测装置 |
| CN109211838A (zh) * | 2018-07-25 | 2019-01-15 | 东北大学 | 一种超高灵敏度的长周期光子晶体光纤光栅折射率传感器 |
| CN110260920A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-09-20 | 哈尔滨工程大学 | 基于定向耦合器与长周期光纤光栅的温度和折射率双参量传感器 |
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