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原文传递复合光纤光栅传感器及其折射率和温度双参量测量方法

专利名称：	复合光纤光栅传感器及其折射率和温度双参量测量方法
摘要：	本发明公开了一种复合光纤光栅传感器及其折射率和温度双参量测量方法，该传感器结构包括单模光纤(1)及单模光纤纤芯(2)，在所述单模光纤纤芯(2)沿水平方向上设置由长周期光栅(3)和倾斜光栅(4)构成混合光栅；入射光(5)入射到混合光栅，之后出射光(6)进入光波测量系统；得到倾斜光栅折射率测量因子的波长偏移量，然后通过灵敏度系数反演得到实际灵敏度值；之后用该实际灵敏度值补偿长周期光栅双参量测量因子中折射率导致的波长偏移，进而得到被测温度，实现了折射率和温度双参量测量。本发明实现了两种参量的同时测量，结构简单、降低了计算量，同时兼具了传统长周期光栅高折射率灵敏度的优点和倾斜光栅高温度灵敏度的优点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	天津;12
申请人：	天津大学
发明人：	江俊峰;蒋磊;刘铁根;张学智;樊晓军;刘琨;王双;李雨晴;褚悦;徐棒田
专利状态：	有效
申请日期：	2018-12-29T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-03T00:00:00+0800
申请号：	CN201811638117.7
公开号：	CN109709070A
代理机构：	天津市北洋有限责任专利代理事务所
代理人：	李素兰
分类号：	G01N21/43(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	300072 天津市南开区卫津路92号
主权项：	1.一种复合光纤光栅传感器，该传感器结构包括单模光纤(1)及单模光纤纤芯(2)，其特征在于，在所述单模光纤纤芯(2)沿水平方向上设置由长周期光栅(3)和倾斜光栅(4)构成混合光栅，入射光(5)入射到混合光栅，形成从位于光路最后位置的倾斜光栅出射的出射光(6)；其中：所述长周期光栅(3)沿所述单模光纤纤芯(2)的水平方向以一个光栅周期的间隔处重复地设置，所述长周期光栅表面设置有长周期光栅包层模(9)；所述倾斜光栅(4)在所述间隔处的光纤区域重复形成，所述倾斜光栅(4)具有倾斜光栅纤芯；每个所述倾斜光栅(4)的一个端面设置倾斜光栅包层模(7)，所述倾斜光栅纤芯表面设置倾斜光栅纤芯模(8)。 2.如权利要求1所述的一种复合光纤光栅传感器，其特征在于，所述光栅周期选为50～1000微米，光栅长度选为5～30毫米。 3.如权利要求1所述的一种复合光纤光栅传感器，其特征在于，所述倾斜光栅(4)的倾斜角度选择为2～12度。 4.一种基于复合光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法具体包括以下步骤：步骤(1)、通过逐点写入法刻写长周期光栅(3)，具体过程为：激光光束经柱面镜聚焦后在单模光纤(1)侧面上曝光，在单模光纤纤芯(2)写入一个光栅条纹；之后，将单模光纤(1)水平移动一个光栅周期的距离再对下一点进行曝光，这一过程不断重复直到写完所有的光栅条纹为止；步骤(2)、将刻写有长周期光栅(3)的单模光纤(1)进行载氢处理；步骤(3)、将刻写有长周期光栅(3)且经过载氢处理的单模光纤(1)固定到位移台上，利用紫外光作为刻写倾斜光栅(4)的光源，紫外光经过掩膜板相位调制后发生衍射形成干涉条纹，进而对待刻单模光纤(1)进行曝光，紫外光在单模光纤(1)上的曝光范围正好在长周期光栅(3)的刻写长度内，进而在刻写长周期光栅(3)的光纤区域形成倾斜光栅(4)；通过调整光纤和掩膜板之间的角度来得到不同倾斜角度的倾斜光栅(4)。 5.如权利要求4所述一种基于复合光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤(1)的通过逐点写入法刻写长周期光栅(3)中，在刻写过程中对单模光纤(1)进行轴向预拉伸，使得单模光纤(1)在刻写过程中保持恒定应力。 6.一种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，其特征在于，该测量方法具体包括以下过程：第一步、入射光(5)入射到混合光栅，之后出射光(6)进入光波测量系统；第二步、使用信号分离算法将混合光栅光谱信号进行分离，分别得到长周期光栅光谱和倾斜光栅光谱；第三步、将倾斜光栅包层模(7)谐振波长与倾斜光栅纤芯模(8)谐振波长间的波长差作为不受温度影响的折射率测量因子，记为倾斜光栅折射率测量因子；第四步、将长周期光栅(3)的包层模谐振波长(4)同时作为折射率和温度测量因子，记为长周期光栅双参量测量因子；第五步、在恒温环境下进行折射率测量，得到倾斜光栅折射率测量因子的折射率灵敏度系数；具体过程为：将混合光栅固定于载玻片上，在混合光栅上滴加不同折射率的液体，实时观察光谱变化，待光谱稳定后记录光谱，并从光谱中分别求得长周期光栅双参量测量因子和倾斜光栅折射率测量因子的波长偏移，根据已知折射率和波长偏移量计算得到折射率灵敏度系数；第六步、在恒定折射率环境下进行温度测量，得到长周期光栅双参量测量因子的温度灵敏度系数；具体过程为：将混合光栅固定于恒温箱中，光栅周围为空气，所以环境折射率稳定为1；调整恒温箱温度，实时观察光谱变化，待光谱稳定后记录光谱，并从光谱中求得长周期光栅双参量测量因子的波长偏移；根据已知温度和波长偏移量计算得到温度灵敏度系数；第七步、基于灵敏度系数标定，对温度和折射率进行双参量测量；首先记录混合光栅在空气中的透射光谱，然后将混合光栅置于被测环境中，记录通过混合光栅的透射光谱，通过对比空气中和被测环境中的透射光谱，得到倾斜光栅折射率测量因子的波长偏移量，然后通过第五步中得到的折射率灵敏度系数，根据倾斜光栅折射率测量因子的波长偏移计算得到被测环境的折射率值；之后用该折射率值补偿长周期光栅双参量测量因子中折射率导致的波长偏移，进而得到只受温度影响下的长周期光栅双参量测量因子的波长偏移量，通过第六步中的温度灵敏度系数，计算得到被测环境的温度值，从而实现了折射率和温度双参量测量。
所属类别：	发明专利