基于LPFG级联FBG的应力与温度双参数传感器的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅的光纤级联应力与温度测量传感结构，采用两种灵敏度不同的LPFG结构和FBG结构进行级联，通过观察其透射光谱，得到该双参数传感器的温度传感特性和应变传感特性，进而求得LPFG和FBG两种微结构的温度灵敏度和应变灵敏度，进而带入灵敏度矩阵，实现对温度和应变的双参数测量。本发明专利技术的该光纤传感器灵敏度高，线性度好，可以同时动态实现应变和温度的测量，具有广阔的应用前景和重要的参考价值。

【技术实现步骤摘要】
基于LPFG级联FBG的应力与温度双参数传感器的制备方法
本专利技术涉及光纤传感器件领域，特别涉及一种基于LPFG级联FBG的应力与温度双参数传感器的制备方法。
技术介绍
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。温度和应变都是表征物质物理和化学性质的重要参数，温度和应变测量在大型飞行器质量监控、生物医疗、石油探测、桥梁建筑等重要领域有着极其广泛的应用，已经广泛地应用到国民经济的各个领域；但是，复杂的现实环境中存在着各种变量，单一的干涉式光纤传感器对压强和温度两种物理参数都敏感，测量压强或温度时会出现交叉敏感的问题，很难实现压强和温度的同时测量。双参数的实时测量对于真实的现实环境显得尤为重要。因此，需要一种能有效地对应力与温度进行实时动态测量的基于LPFG级联FBG的应力与温度双参数传感器的制备方法。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种基于LPFG级联FBG的应力与温度双参数传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤一：利用CO2激光器加工第一单模光纤，得到LPFG；步骤二：利用准分子激光加工第二单模光纤，得到FBG；步骤三：重复步骤二，得到与步骤二中波段范围不同的FBG；步骤三：利用光纤熔接机将上述LPFG与两个上述FBG级联，制成应力与温度双参数光纤传感器。优选地，所述CO2激光器的激光束功率为1mV，加工速度为10m/s。根据本专利技术的另一个方面，本专利技术还提供一种基于LPFG级联FBG的应力与温度双参数传感器，包括：第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤，所述第一单模光纤包括LPFG结构，所述第二单模光纤和第三光模光纤均包括FBG结构，所述第一单模光纤、第二单模光纤与第二单模光纤进行级联，构成传感结构。优选地，两个FBG结构在不同的波段范围内。优选地，所述单模光纤采用SMF-28单模光纤。优选地，所述FBG结构为采用准分子激光加工得到，所述LPFG结构为采用CO2激光器加工得到。本专利技术提出一种将LPFG与FBG的级联结构，当温度或应变发生变化时，中心波长也随之发生变化。由于LPFG和FBG的光栅周期和光学系数是不同的，所以温度和应变灵敏度不同，因此，灵敏度矩阵可用于双参数测量。本专利技术提出一种基于长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅的光纤级联应力与温度测量传感结构，采用两种灵敏度不同的LPFG结构和FBG结构进行级联，通过观察其透射光谱，得到该双参数传感器的温度传感特性和应变传感特性，进而求得LPFG和FBG两种微结构的温度灵敏度和应变灵敏度，进而带入灵敏度矩阵，实现对温度和应变的双参数测量。本专利技术的该光纤传感器灵敏度高，线性度好，可以同时动态实现应变和温度的测量，具有广阔的应用前景和重要的参考价值。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，并不应当用作对本专利技术所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1示出了本专利技术的双参数传感器的透射谱图。图2示出了在升温过程中本专利技术的双参数传感器的透射谱图，其中，(a)为整体图，(b)为FBG1的细节图，(c)为LPFG的细节图，(d)为FBG2的细节图。图3示出了在降温过程中本专利技术的双参数传感器的透射谱图，其中，(a)为整体图，(b)为FBG1的细节图，(c)为LPFG的细节图，(d)为FBG2的细节图。图4示出了本专利技术的双参数传感器的温度响应曲线。图5示出了加载过程中本专利技术的双参数传感器的透射谱图，其中，(a)为整体图，(b)为FBG1的细节图，(c)为LPFG的细节图，(d)为FBG2的细节图。图6示出了在卸载过程中本专利技术的双参数传感器的透射谱图，其中，(a)为整体图，(b)为FBG1的细节图，(c)为LPFG的细节图，(d)为FBG2的细节图。图7示出了本专利技术的双参数传感器的应变响应曲线。具体实施方式通过参考示范性实施例，本专利技术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，本专利技术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专利技术的具体细节。在下文中，将参考附图描述本专利技术的实施例。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。本专利技术提供一种一种基于LPFG级联FBG的应力与温度双参数传感器，包括：第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤，所述第一单模光纤包括LPFG结构，所述第二单模光纤和第三光模光纤均包括FBG结构，所述第一单模光纤、第二单模光纤与第二单模光纤进行级联，构成传感结构。具体的，两个FBG结构在不同的波段范围内。所述单模光纤采用SMF-28单模光纤。所述FBG结构为采用准分子激光加工得到，所述LPFG结构为采用CO2激光器加工得到。本专利技术提出的一种将LPFG与FBG的级联结构，当温度或应变发生变化时，中心波长也随之发生变化。由于LPFG和FBG的光栅周期和光学系数是不同的，所以温度和应变灵敏度不同，因此，灵敏度矩阵可用于双参数测量。本专利技术还提供一种基于LPFG级联FBG的应力与温度双参数传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤一：利用CO2激光器加工第一单模光纤，得到LPFG；步骤二：利用准分子激光加工第二单模光纤，得到FBG；步骤三：重本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LPFG级联FBG的应力与温度双参数传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：利用CO2激光器加工第一单模光纤，得到LPFG；步骤二：利用准分子激光加工第二单模光纤，得到FBG；步骤三：重复步骤二，利用准分子激光加工第三单模光纤，得到与步骤二中波段范围不同的FBG；步骤三：利用光纤熔接机将上述LPFG与两个上述FBG级联，制成应力与温度双参数光纤传感器。

【技术特征摘要】
1.一种基于LPFG级联FBG的应力与温度双参数传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：利用CO2激光器加工第一单模光纤，得到LPFG；步骤二：利用准分子激光加工第二单模光纤，得到FBG；步骤三：重复步骤二，利用准分子激光加工第三单模光纤，得到与步骤二中波段范围不同的FBG；步骤三：利用光纤熔接机将上述LPFG与两个上述FBG级联，制成应力与温度双参数光纤传感器。2.根据权利要求1所述的应力与温度双参数传感器的制备方法，其特征在于，所述CO2激光器的激光束功率为1mV，加工速度为10m/s。3.一种基于LPFG级联FBG的应力与温度双参数传感器，其特征在于，包括第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤，所述第一单模光纤包括LPF...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝连庆，张雯，董明利，娄小平，李红，何巍，陈少华，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11