CN203908582U - S型锥内嵌式光纤布拉格光栅双参数传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种传感器，特别是能够对应力和温度进行高精度同时检测的双参数光纤光栅传感器。该传感器主要由光纤布拉格光栅(FBG)和S型光纤锥(SFT)组成，SFT内嵌于FBG的中间位置。由于FBG谐振峰和SFT干涉峰对应力和温度响应的灵敏度不同，因此当外界的应力和温度发生变化时，这两种特征峰对应的波长将产生不同的漂移量。测量二者的波长漂移量并通过实验校准的矩阵进行求解，即可实现应力和温度双参数的高精度同时测量。这种S型锥内嵌式光纤布拉格光栅双参数传感器具有结构灵巧、制作简便、性能优良、性价比高等优点，进一步优化其传感机构，亦可实现位移、压力、弯曲、折射率等与温度的双参数同时测量。

Description

S型锥内嵌式光纤布拉格光栅双参数传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤光栅传感器，能够对外界的应力和温度变化进行高灵敏度同时感测，属于光纤传感技术领域。 

背景介绍 

应力是工业生产过程、产品设计制作以及工程监测领域等实际应用中的一个重要参量，人们现已开发出多种类型的应力传感器。其中，光纤布拉格光栅(FBG)由于具有诸多传统传感器所无法比拟的优点，因而成为光传感器研究开发的热点。 

光纤具有质量轻、柔韧性好、抗电磁干扰、易设计加工、材料来源丰富等优点，因而成为新型应力传感器设计和研制的优选材料。采用紫外曝光、激光刻蚀、化学腐蚀等技术，能够在光纤的纤芯或包层上产生周期性折射率分布，从而形成光纤光栅，光栅制作所使用的光纤可为各种类型的光纤，光纤的类型包括标准单模光纤、双包层光纤、保偏光纤、多模光纤、空心光纤、光子晶体光纤或微结构光纤。当对光纤光栅施加轴向应力后，产生的轴向应变将改变光栅的周期(增大或缩小)、纤芯和包层的半径(缩小或增大)；同时，光纤本身的弹光效应亦会改变光纤的有效折射率。这些因素的综合影响，使得光纤光栅的谐振峰波长产生漂移(向长波或短波移动)。光纤光栅传感器因其具有上述优点，现已被广泛应用于建筑结构、航天航空、海洋探测以及科学研究等诸多领域，它属于一种新颖的光学检测技术。 

然而，在实际工程应用中，周围环境的温度变化也会在一定程度上影响传感器检测的准确性。温度对光纤材料的影响主要有两个方面：一是热膨胀导致光纤材料尺度的变化，另一方面是因热所致光纤折射率的改变。光纤光栅对温度和应力同时敏感，这一问题严重困扰着光纤光栅传感器在传感领域中的应用。研究表明：在光纤光栅中引入S型光纤锥(SFT)结构，如将FBG和SFT两种结构进行巧妙组合，则可实现对温度和应力的区分和同时测量。 

本实用新型是一种新型的可同时测量应力和温度的光纤光栅双参数传感器。检索结果表明，目前尚没有采用SFT内嵌式结构制作可同时进行应力和温度双参数测量的FBG传感器的专利报道。 

发明内容

本实用新型的目的旨在设计出一种可同时进行应力和温度双参数测量的高灵敏度光纤光栅传感器，所提供的S型锥内嵌式光纤布拉格光栅双参数传感器，包括传感部分和测量部分。传感部分由FBG(1)和SFT(2)构成，如图1(a)所示；其特征是将SFT(2)内嵌于FBG(1)中间位置，形成一个精细的Mach-Zenhder(MZ)干涉仪，如图1(b)为实物图；利用FBG和SFT两种结构的巧妙组合，可对应力和温度进行双参数同时测量。传感器测量部分的连接方式：光纤耦合器(4)一侧的两个连接点，其一通过传输光纤(3)与FBG(1)连接，其二置于匹配液(5)之中；而光纤耦合器另外一侧的两个连接点，则分别与光源(6)和光探测器(7)相接，如图2所示。 

采用紫外曝光方法制作FBG，其理论和技术均已成熟，现已实现了批量生产，目前在市场上很容易购得。并且，通过对制作参数的优化及控制，能够获得较高质量的FBG。在本实用新型中，通过电弧放电方法在FBG中引进一个SFT，形成FBG和SFT两种结构的巧妙组合。由于FBG谐振峰和SFT干涉峰对应力和温度响应的灵敏度不同，因此当外界的应力和温度发生变化时，这两种特征峰对应的波长将产生不同的漂移量。测量二者的波长漂移量，能够实现对应力和温度双参数的高精度同时测量。 

本实用新型所述的光纤光栅为1550nm波段的光纤布拉格光栅；所述的传输光纤为单模光纤；所述的光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器，或是三端口、四端口光环行器；所述的光源为宽带光源或可调谐光纤激光器；所述的光探测器为光谱仪或多波长计；所述的传感器工作环境温度为0℃～100℃之间。 

感测原理： 

当光源发出的光经过传感器时，由耦合模理论可知，FBG谐振峰波长满足关系式λ_B＝2n_effΛ。其中，n_eff为纤芯模式的有效折射率，Λ为光栅周期。SFT的形成在光纤中引入了缺陷，这使得光波经过SFT的前锥区时，一些包层模式被激发；而在SFT的后锥区，这些包层模式被耦合回纤芯，从而使光波发生干涉。由干涉理论可知，波峰、波谷的波长满足关系式λ_m＝2Δn_effL_eff/(2m+1)。其中，Δn_eff为纤芯和包层模式的有效折射率差，L_eff为干涉长度，m为整数。图3给出了SFT内嵌FBG的透射光谱图。 

光纤布拉格光栅应力和温度双参数传感器是利用FBG谐振波长与其应力、温度的关系来实现对应力和温度的传感，其关系式可表示为 

Δλ_FBG＝K_F，FBGΔF+K_T，FBGΔT  (1) 

式中K_F，FBG、K_T，FBG分别为FBG的应力和温度系数，ΔF、ΔT分别为应力和温度的变化量。当应力和温度发生变化时，光纤的弹光效应与热光效应、光波耦合作用将引起FBG谐振波长的改变，通过解调FBG波长变化即可获得被测的应力和温度的细致信息。对于位移、压力、弯曲、折射率等一些被测参量与温度的双参数测量，则需采用其他装置或媒介将这些参量的变化转化为作用于FBG上的应力(或应变)或温度的变化加以实现。如通过建立并标定FBG的应力(或应变)或温度响应与被测参量的变化关系，便可由FBG谐振波长变化获得被测量的信息。同理，在SFT干涉仪中，可将选中的特征波峰或波谷对应的波长表示为 

Δλ_SFT＝K_F，SFTΔF+K_T，SFTΔT  (2) 

式中K_F，SFT、K_T，SFT分别为SFT干涉仪的应力和温度系数，ΔF、ΔT分别为应力和温度的变化量。 

将式(1)和式(2)联立，可得到以下矩阵表述形式为 

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{FBG}}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{SFT}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{K}_{F,\mathrm{FBG}}& K_{T,\mathrm{FBG}}\\ K_{F,\mathrm{SFT}}& K_{T,\mathrm{SFT}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔF}\\ \mathrm{\ΔT}\end{array}\right]---\left(3\right)$

式(3)即为由FBG与SFT干涉仪构成的S型锥内嵌式光纤布拉格光栅双参数传感器的感测原理表达式。 

测量方法： 

当传感器制作完成后，式(3)中的各个系数K均已确定，并可通过初始实验测得其值，测量装置如图2所示。测量方法如下： 

第一步，测量传感器对应力的响应。首先，将传感器的传感头置于温控箱内，温度保持在室温(如28℃)不变，记录传感器初始光谱(如图3所示)及相应数据；然后，对传感头施加不同的应力(拉力)，依次记录FBG谐振峰和SFT干涉峰的漂移情况，如图4(a)所示；最后，将记录的光谱及数据进行处理，得到FBG谐振峰和SFT干涉峰与应力的实验关系及拟合曲线，如图4(b)所示。 

第二步，测量传感器对温度的响应。首先，将应力(拉力)置于某一值(如0.25N)不变，记录传感器此时的光谱及相应数据；然后，调节温控箱改变传感头周围的温度，记录不同温度下FBG谐振峰和SFT干涉峰的漂移情况，如图5(a)所示；最后，将记录的光谱及数据进行处理，得到FBG谐振峰和SFT干涉峰与温度的实验关系及拟合曲线，如图5(b)所示。 

第三步，将前两步测量的数据进行分析、整理，得到传感器所对应的四个系数K_F，FBG、K_T，FBG、K_F，SFT和K_T，SFT。通过对式(3)变形得到测量关系式为 

于是，当外界的应力和温度发生变化时，通过测量传感器的FBG谐振峰和SFT干涉峰对应的波长漂移量Δλ_FBG和Δλ_SFT并将其代入式(4)，即可求得应力ΔF和温度变化ΔT的值。 

本实用新型的有益效果是： 

本实用新型传感部分为SFT内嵌于FBG，其结构灵巧，制作简便，易于***集成。利用FBG谐振峰和SFT干涉峰对外界应力和温度响应的灵敏度不同，通过测量这两个特征峰对应的波长漂移量，实现应力和温度双参数的高精度同时测量。这种新型传感器综合了光纤光栅和光纤干涉仪二者的优点，具有测量精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、适合在恶劣环境下工作等特点。进一步优化其传感机构，亦可实现位移、压力、弯曲、折射率等与温度的双参数同时测量。 

附图说明

图1是传感器的传感头。(a)FBG和SFT结构图；(b)SFT实物图。 

图2是本实用新型测量装置图。图中，1.FBG；2.SFT；3.传输光纤；4.光纤耦合器；5.匹配液；6.光源；7.光探测器。 

图3是传感器透射光谱图。 

图4是传感器的FBG谐振峰和SFT干涉峰的应力响应。(a)应力引起的光谱变化情况；(b)两个特征峰对应的波长漂移量与应力的实验关系及典型拟合曲线。 

图5是传感器的FBG谐振峰和SFT干涉峰的温度响应。(a)温度应起的光谱变化情况；(b)两个特征峰对应的波长漂移量与温度的实验关系及典型拟合曲线。 

图6是本实用新型的实施例理论分析与实验测量结果的对比。 

具体实施方式

将传感器的传感头置于温控箱内并连接至光源和光探测器之间，传感头两端留有足够长的尾纤，将其中一端固定在光纤夹持器上，另一端粘固一个盛水容器并通过滑轮使其自然下坠。测量时，依次向容器中加入一定质量的水，通过水的重力控制传感器拉力(应力)的大小。在光纤夹持器与滑轮之间，利用升降台将温控箱置于适当位置，使传感器有效封闭于温控箱之中，并通过调节温控箱的温度进行传感器温度响应测量。 

测量过程 

测量之前，首先设置初始状态，利用光探测器记录此时传感器的光谱图，同时测量FBG谐振峰和SFT干涉峰对应的波长值；然后，以传感器的初始值作为参考值，对传感器施加不同的应力并改变温控箱的温度，记录两种特征峰值对应的波长漂移量Δλ_FBG和Δλ_SFT；最后，将Δλ_FBG和Δλ_SFT测量值代入式(4)中，分别求得传感器的应力和温度变化值ΔF和ΔT。 

测量所用的光纤光栅为玻璃的FBG，其谐振波长位于1550nm波段；传输光纤为石英单模光纤；光纤耦合器为2×2光纤耦合器；光源为超连续宽带光源，光谱范围为1250nm～1650nm；光探测器为光纤光谱仪，最高分辨率为0.02nm；传感器的工作环境温度为0℃～100℃之间。 

具体测量实例 

在本实用新型具体测量实例中，组成传感头的FBG和SFT参数分别如下：FBG的材质为单模光纤(Corning SMF-28e)，利用紫外曝光法和载氢技术写制而成；光栅长约1cm，谐振波长为1550nm，3dB带宽为0.3nm，反射率为90％。SFT是利用光纤熔接机(FITEL S178A)电弧放电技术制作而成，并内嵌于FBG的中间位置；锥长约700μm，锥腰直径约45μm，锥区两端横向偏离约70μm，各参数标识如图1中的(a)、(b)所示。 

图6为本实用新型的实施例测量结果，其中给出了两种测量方案，其一是保持温度为38℃时改变应力的测量结果；其二是保持应力为0.392N时改变温度的测量结果。由图6可见，使用本实用新型测得的值(数据点)与实际值(直线)在误差范围内是一致的。 

在实际应用中，通过光电转换器将光信号转换为电信号，再用计算机进行数据处理，则可进一步提高本实用新型的应力和温度感测灵敏度。 

Claims (7)

1.一种S型锥内嵌式光纤布拉格光栅双参数传感器，包括传感部分和测量部分，传感部分由FBG(1)、SFT(2)构成，其特征是将SFT(2)内嵌于FBG(1)中间位置，形成一个精细的Mach-Zenhder(MZ)干涉仪，利用FBG和SFT两种结构的巧妙组合，实现应力和温度的双参数同时测量； 

传感器测量部分的连接方式：光纤耦合器(4)一侧的两个连接点，其一通过传输光纤(3)与FBG(1)连接，其二置于匹配液(5)之中；而光纤耦合器另外一侧的两个连接点，则分别与光源(6)和光探测器(7)相接。 

2.根据权利要求1所述的S型锥内嵌式光纤布拉格光栅双参数传感器，其特征是所述传感器中的光栅为玻璃或塑料的光纤布拉格光栅；光栅制作所使用的光纤可为各种类型的光纤，光纤的类型包括标准单模光纤、双包层光纤、保偏光纤、多模光纤、空心光纤、光子晶体光纤或微结构光纤。 

3.根据权利要求1所述的S型锥内嵌式光纤布拉格光栅双参数传感器，其特征是所述的传输光纤为单模光纤。 

4.根据权利要求1所述的S型锥内嵌式光纤布拉格光栅双参数传感器，其特征是所述的光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器，或是三端口、四端口光环行器。 

5.根据权利要求1所述的S型锥内嵌式光纤布拉格光栅双参数传感器，其特征是所述的光源是宽带光源或可调谐光纤激光器。 

6.根据权利要求1所述的S型锥内嵌式光纤布拉格光栅双参数传感器，其特征是所述的光探测器是光谱仪或多波长计。 

7.根据权利要求1所述的S型锥内嵌式光纤布拉格光栅双参数传感器，其特征是所述的传感器工作环境温度为0℃～100℃之间。