基于LPFG与FBG级联的双参数光纤传感器及其制备方法与流程

本发明涉及双参数光纤传感器件领域，特别涉及一种基于LPFG与FBG级联的双参数光纤传感器及其制备方法。
背景技术：
：光纤传感技术是20世纪70年代发展起来的新型传感技术，通过调制光纤中传输光的强度、相位、波长、偏振态并对这些变化进行监测，实现对温度、应变、压力、声振动、角速度等多种参量的测量。由于光纤传感器具有体积小、重量轻、测量灵敏度高、复用能力强、抗电磁干扰、易于嵌入材料内部等优点，近年来受到广泛关注，成为传感技术研究领域的热点之一。与传统的机电或电子传感器相比，光纤传感器更符合现代生物传感技术的需求，具有重要的学术价值和应用前景。然而，目前针对传感器的研究更多的是单一变量的传感测量，而实际环境并不是简单的单一变量，交叉敏感问题无处不在。近年来，对于双参数测量传感器的研究也受到研究者的广泛青睐。2012年葡萄牙C.Gouveia等人利用高双折射光纤制作了能够同时传感折射率和温度的光栅腔传感器，通过分别测量干涉条纹对比度和波长漂移变化来解调折射率和温度的变化，实现的快慢轴折射率灵敏度分别达到-1.06％0.01RIU和-0.96％.0.0RIU，温度灵敏度达到10.52pm/℃和10.13pm/℃。2014年JianyingYuan等人利用长周期光纤光栅与Sagnac干涉环串联，实现了温度及折射率的同时测量，折射率灵敏度为16.864nm/RIU，温度灵敏度为1.533nm/℃。2015年，简永生课题组提出了一种基于耦合型双芯光纤级联布拉格光纤光栅的温度与应力双参数解耦测量的全光纤型传感系统，可以分别实现4.3048με及0.4562℃的应力与温度传感测量分辨率。2016年，ShengnanWu等人通过FBG连接侧面开口的光纤F-P腔，并应用于气体压力和温度的测量，气体压力灵敏度分别为4.063pm/kPa和4.071pm/kPa，温度交叉敏感度为214Pa/℃和204Pa/℃。2017年，天津大学徐德刚设计了一种基于级联保偏光纤和长周期光纤光栅的Sagnac环温度和环境折射率双参量传感器，其温度灵敏度1.2nm/℃，环境折射率灵敏度为15nm/RIU。葡萄糖(Glucose)是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，它是一种多羟基醛，在生物学领域具有重要地位，是活细胞能量来源和新陈代谢中间产物，即生物主要供能物质。浓度是描述溶液特性的重要参数，对浓度的测量和控制在工业生产和科学研究等各个领域都有着极为普遍的应用。因此，需要一种能够有效测量葡萄糖溶液的浓度和活性温度范围的基于LPFG与FBG级联的双参数光纤传感器及其制备方法。技术实现要素：为了解决上述问题，本发明提供一种基于LPFG与FBG级联的双参数光纤传感器，包括第一单模光纤和第二单模光纤，所述第一单模光纤包括LPFG结构，所述第二单模光纤包括FBG结构，所述第一单模光纤和第二单模光纤进行级联，得到传感结构。优选地，所述第一单模光纤采用SMF-28单模光纤，所述第二单模光纤采用SMF-28单模光纤。优选地，所述LPFG结构为采用飞秒激光器的飞秒激光逐线写入的方式加工得到。本发明制备得到的双参数传感器能够实现温度与浓度的无传染双参数监测与测量，传感原理如下：当环境参数发生变化时，光栅周期、栅距等会发生改变，级联结构的透射谱波长也将随之发生漂移。设外界温度为T，低耦合强度的LPFG光谱干涉峰谐振波长的温度灵敏性可表示为：其中，λL是干涉条纹波长，Δm是光纤差分有效群折射率，是光纤纤芯与包层的有效折射率之差，αT是光纤的热膨胀系数。FBG反射波长的温度灵敏度为：其中，λB是FBG的干涉条纹波长，ζT是光纤的热光系数。由式和可知，相同温度变化条件下，LPFG与FBG对于温度变化的灵敏度不同，二者的波长漂移量也不同，不存在串扰。根据耦合模理论，LPFG纤芯传输的基模能量可耦合到同向传输的包层模中，而FBG的光场主要是沿纤芯传输。当外界折射率变化时，LPFG的包层模式有效折射率也会发生改变，引起谐振波长的移动，实现溶液浓度测量，而FBG无法直接感知外界折射率的变化。故在进行浓度测量时，级联结构的两支光栅之间不存在串扰。设LPFG包层折射率为n2，当外界环境折射率从n3变为n′3时，LPFG谐振波长的漂移量可表示为：式中，r2是包层半径，U∞为0阶第一类贝塞尔函数J0的m阶根。设外界温度T和浓度p发生变化时，光纤LPFG和FBG的透射谱波长变化与温度变化ΔT、浓度变化Δp存在如下相关关系：其中：K11、K12分别为LPFG的温度灵敏系数、浓度灵敏系数；K21、K22分别为FBG的温度灵敏系数、浓度灵敏系数，且由于FBG无法感知外界溶液浓度，故K22＝0。由可得，LPFG与FBG的温度、浓度、波长漂移存在如下关系：对求其逆矩阵，可得由可知，若测得该光纤传感器对温度与浓度变化的灵敏度，即可通过光谱仪监测透射谱波长变化，代入计算求解，实现温度与浓度的无串扰双参数监测与测量。本发明还提供一种基于LPFG与FBG级联的双参数光纤传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤一：将单模光纤去除涂覆层，用酒精清洁，风干，夹至光纤夹具上；步骤二：利用飞秒激光器的飞秒激光逐线写入的方式加工第一单模光纤，得到光栅周期为200μm的LPFG；步骤三：利用激光刻写第二单模光纤，得到FBG；步骤四：利用光纤熔接机将所述LPFG与所述FBG进行级联，得到双参数光纤传感器。优选地，所述单模光纤采用Corning公司SMF-28单模光纤。优选地，所述飞秒激光器的飞秒激光功率设置为50μW，加工速度10m/s，光栅周期200μm，占空比为0.5。本发明基于飞秒激光直写加工双光栅级联结构实现葡萄糖溶液温度和浓度双参数实时监测的光纤传感器，并对该传感器温度和浓度传感特性进行了研究，建立了该光纤传感器温度/浓度与光谱特征位置波长变化之间的无串扰双参数传感数学模型，通过双参数灵敏度系数矩阵便可以实时解算环境温度和浓度。本发明的双光栅级联结构形式简单，稳定性好，灵敏度高，无需对FBG进行特殊写制，是解决单根光纤双参数测量的有效手段，同时，本发明对复杂环境下的多参数耦合测量与解耦也具有重要的参考价值。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1示出了本发明的双参数光纤传感器的透射光谱图。图2示出了升温过程中本发明的双参数光纤传感器的透射光谱图，其中，(a)为1551nm～1565nm光谱范围内透射光谱随温度变化图，(b)与(c)分别为FBG与LPFG的波长漂移细节图。图3示出了降温过程中本发明的双参数光纤传感器的透射光谱图，其中，(a)是整体图，(b)是FBG细节图，(c)是LPFG细节图。图4示出了本发明的双参数光纤传感器的温度传感特性曲线图，其中，(a)为FBG温度传感特性曲线，(b)为LPFG温度传感特性曲线。图5示出了不同浓度下本发明的双参数光纤传感器的透射光谱图。图6示出了本发明的双参数光纤传感器的浓度传感特性曲线图。具体实施方式通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。一种基于LPFG与FBG级联的双参数光纤传感器，包括第一单模光纤和第二单模光纤，所述第一单模光纤包括LPFG结构，所述第二单模光纤包括FBG结构，所述第一单模光纤和第二单模光纤进行级联，得到传感结构。根据本发明的优选实施例，所述第一单模光纤采用SMF-28单模光纤，所述第二单模光纤采用SMF-28单模光纤。所述LPFG的光栅周期为200μm，刻写50个周期。本发明还提供一种基于LPFG与FBG级联的双参数光纤传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤一：将单模光纤去除涂覆层，用酒精清洁，风干，夹至光纤夹具上；具体地，所述单模光纤均采用Corning公司SMF-28单模光纤。步骤二：利用飞秒激光器的飞秒激光逐线写入的方式加工第一单模光纤，得到光栅周期为200μm的LPFG；步骤三：利用激光刻写第二单模光纤，得到FBG；具体地，所述飞秒激光器的飞秒激光功率设置为50μW，加工速度10m/s，光栅周期200μm，占空比为0.5。步骤四：利用光纤熔接机将所述LPFG与所述FBG进行级联，得到双参数光纤传感器。所述LPFG的模式耦合是纤芯基模与同向包层模的耦合，所以它的谐振波长与损耗峰的能量对外界环境的温度、折射率、弯曲、应变等物理量极其敏感。外界环境的浓度变化时，环境的折射率随之变化，LPFG纤芯基模与包层模的有效折射率也会随之变化，所以LPFG可以对外界溶液的浓度进行测量。所述FBG的反射光的中心波长与光栅周期和纤芯有效折射率的大小有关，应变、温度会引起光栅周期的改变，并且弹光效应、热光效应和环境折射率也将使得光纤的纤芯基模和包层模的有效折射率发生改变。当光纤直径保持不变时，外界环境折射率的改变并不影响纤芯有效折射率，故本发明提出的FBG对外界环境的浓度不敏感。将所制备的LPFG级联FBG结构接入1×2耦合器连接光谱仪和光源，采用YokogawaAQ6375光谱仪(1200nm～2400nm)，最小分辨精度为0.02nm。传感介质分别为空气、水、浓度30％的葡萄糖溶液，1540nm～1600nm波段内的透射光谱如图1所示。由于LPFG的滤波作用，该级联光纤传感器光谱范围内出现两个明显波谷。传感介质变化时，FBG波谷位置为1551.9nm且保持位置不变；LPFG波谷位置分别为1560.5nm、1581.8nm、1587.8nn，对介质的变化更为敏感。实验选取FBG和LPFG的波谷作为检测点，对两处波长漂移进行解调，验证该级联光栅结构的双参数传感特性。温度特性为保证实验环境的洁净度与温湿度，实验均在恒温25℃的超净间环境内完成。将LPFG级联FBG光纤传感结构固定在水浴槽中，使用精密温控单元进行加热和降温。考虑到葡萄糖的生物特性，当环境温度高于50℃时，细胞易失活，故待测温度范围为30℃～50℃，步长2℃，待温度稳定后记录光谱仪中光谱数据，检测传感器的波长偏移量。升温过程双光栅级联结构透射光谱如图2所示，其中，(a)为1551nm～1565nm光谱范围内透射光谱随温度变化图，为清晰计，分别取起始温度30℃、终止温度50℃进行分析。结合实验数据可知，在20℃温度变化范围内，FBG波长漂移0.6nm，LPFG波长漂移0.4nm。(b)与(c)分别为FBG与LPFG的波长漂移细节图。由图可知，该双光栅级联结构的两个特征波谷随温度升高均有漂移，但变化趋势相异。当温度升高时，FBG波谷位置发生红移，LPFG波谷位置发生蓝移。相似地，降温过程双光栅级联结构透射光谱如图3所示，整体图、FBG细节图、LPFG细节图分别如图3中(a)、(b)、(c)所示。结合实验数据可知，在20℃温度变化范围内，该双光栅级联结构的两个特征波谷随温度降低均有漂移，但变化趋势相异。其中，FBG波长漂移0.6nm，LPFG波长漂移0.4nm，当温度降低时，FBG波谷位置发生蓝移，LPFG波谷位置发生红移。以温度变化为横轴，以波谷位置为纵轴，绘制如图4所示的升温、降温过程温度响应特性曲线，其中，(a)为FBG温度传感特性曲线，(b)为LPFG温度传感特性曲线。由实验结果可知，当温度由30℃升至50℃时，FBG中心波长线性增加，灵敏度26.36pm/℃，线性度0.9508；LPFG中心波长线性减小，灵敏度-24.55pm/℃，线性度0.9142。当温度由50℃降至30℃时，FBG中心波长线性减小，灵敏度25.00pm/℃，线性度0.9458；LPFG中心波长线性增加，灵敏度为-21.82pm/℃，线性度0.9212。具体参数列入表1中。表1双光栅级联结构温度传感特性参数浓度特性采用纯度为99.9％的葡萄糖在室温环境中配置不同浓度待测溶液，浓度范围3％～30％。双光栅级联结构由夹持器固定，浸入不同浓度的葡萄糖溶液中，监测双光栅级联结构在不同浓度葡萄糖溶液中的敏感情况。不同浓度葡萄糖溶液中双光栅级联结构透射光谱及LPFG部分细节图如图5所示。结合实验数据可知，当葡萄糖溶液浓度变化时，FBG波长不漂移。当浓度升高时，LPFG波谷位置发生蓝移。以浓度变化为横轴，以波谷位置为纵轴，绘制如图6所示的浓度传感特性曲线，由图6可知：当浓度由3％增至30％时，FBG中心波长不漂移，对浓度变化不敏感；LPFG中心波长线性减小，灵敏度196.36pm/％，线性度0.9565。具体参数列入表2中。表2双光栅级联结构浓度传感特性曲线灵敏度/pm/％线性度FBG01LPFG196.360.9565综上可知：该双光栅级联结构中，LPFG对温度和浓度都敏感，FBG仅对温度敏感。其中，温度范围30℃～50℃时，FBG的升温与降温灵敏度分别为26.36pm/℃和25.00pm/℃，LPFG的升温与降温灵敏度分别为-24.55pm/℃和-21.82pm/℃。浓度范围3％～30％时，FBG的浓度灵敏度为0，LPFG的浓度灵敏度为196.36pm/％。由于存在回程误差，对上述参数取平均值作为相应的灵敏度系数并代入，可得到该光纤传感器的温度应变传感矩阵方程为：在实际测量中，通过解调该光纤传感器的波长变化值，代入双参数传感矩阵，即可实时结算环境温度和待测浓度，实现对葡萄糖溶液的温度和浓度双参量动态测量。本发明以单模光纤为研究对象，以葡萄糖溶液的浓度和活性温度范围为测量对象，利用飞秒激光逐线写入方式加工LPFG并与FBG级联，制成温度和浓度双参数光纤传感器，并对该传感器温度和浓度传感特性进行了研究，建立了该光纤传感器温度/浓度与光谱特征位置波长变化之间的无串扰双参数传感数学模型，通过双参数灵敏度系数矩阵便可以实时解算环境温度和浓度。本发明的双光栅级联结构形式简单，稳定性好，灵敏度高，无需对FBG进行特殊写制，是解决单根光纤双参数测量的有效手段，可以同时动态实现温度和浓度的测量。另外，对复杂环境下的多参数耦合测量与解耦也具有重要的参考价值。结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。当前第1页1 2 3