基于LPFG和FBG级联结构的双参数光纤传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于LPFG和FBG级联结构的双参数光纤传感器及其制备方法，将LPFG与FBG级联，同时改变温度和施加应力，两支光栅的中心波长都会因温度或应变而发生漂移，由于两支光栅的光栅周期、包层热光系数、有效弹光系数等都不同，因此两支光栅的温度灵敏度与应变灵敏度也不同。只要确定灵敏系数矩阵，保证两支光栅的中心波长差别足够大，即可通过LPFG和FBG的波长变化值求解方程得到相应的温度与应变，实现双参数测量。本发明专利技术提出的双参数光纤传感器结构简单，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。

Two parameter optical fiber sensor based on LPFG and FBG cascade structure and its preparation method

The invention provides a double parameter optical fiber sensor based on LPFG and FBG cascade structure and its preparation method. The LPFG and FBG are cascaded and the temperature and stress are changed. The central wavelengths of the two gratings drift because of the temperature or strain. Due to the grating period of the two gratings, the thermal optical coefficient of the cladding and the effective elastic system The temperature sensitivity and strain sensitivity of the two gratings are also different. As long as the sensitivity coefficient matrix is determined and the central wavelength difference between the two gratings is large enough, the corresponding temperature and strain can be obtained by solving the equation of wavelength variation of LPFG and FBG, and the measurement of two parameters can be achieved. The dual parameter fiber sensor proposed by the invention is simple in structure, good in stability and high in sensitivity. It does not require special writing of FBG. It is an effective means to solve the double parameter measurement of single fiber.

【技术实现步骤摘要】
基于LPFG和FBG级联结构的双参数光纤传感器及其制备方法
本专利技术涉及双参数光纤传感领域，特别涉及一种基于LPFG和FBG级联结构的双参数光纤传感器及其制备方法。
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诸多优点，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传感技术的需求，特别是在航空航天领域的极端应用环境下，光纤传感器的独特优势更加凸显。作为未来国防航空航天关键技术，航空航天光纤传感技术的研究具有重要的学术价值和应用前景，对航空航天工业的发展具有重要意义。大型航空航天飞行器运行过程中，应变与温度是两类重要的监测对象，也是其他物理量传感的技术基础。由于实际应用过程中交叉敏感问题普遍存在，近年来双参数传感器的研究受到广泛的关注。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，以0.01折射率变化为单位(RefractiveIndexUnit,RIU)，该传感器快慢轴折射率灵敏度分别为-1.06％/0.01RIU和-0.96％/0.01RIU,温度灵敏度为10.52pm/℃和10.13pm/℃。2012年，西北工业大学邵敏等人利用长周期光纤光栅(LongPeriodFiberGrating,LPFG)和保偏光纤Sagnac环透射光谱的调制特性，设计了温度和折射率同时区分测量系统，其中，该系统温度灵敏度0.1286nm/℃，折射率灵敏度49.38dB/RIU。2014年JianyingYuan等人利用LPFG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(FiberBraggGrating,FBG)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法布里-珀罗谐振腔，并应用于气体压力及温度测量，气体压力灵敏度分别为4.063pm/kPa和4.071pm/kPa，温度交叉敏感度分别为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LPFG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。因此，需要一种能够有效解决应变、温度交叉影响的问题，实现单根光纤双参数测量的基于LPFG和FBG级联结构的双参数光纤传感器及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于LPFG和FBG级联结构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，所述第一单模光纤与第二单模光纤级联连接；优选地，所述LPFG结构的光栅周期为200μm。优选地，所述FBG结构的光栅周期为200μm。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LPFG为采用CO2激光器进行刻写制得，所述CO2激光器的飞秒激光功率设为50μW，加工速度10m/s，光栅周期200μm，占空比为0.5。本专利技术提出的级联结构紧凑简单、稳定性高，通过将LPFG与FBG级联，利用两支光栅的不同滤波特性进行测量和解调，一体实现双参数传感。其中，LPFG的模式耦合是纤芯基模与同向包层模的耦合，其导模与某一包层模耦合的耦合波长为：式中，λLPFG是LPFG的干涉条纹波长，neff和分别为导模和第p阶包层模的有效折射率，ΛLPFG为LPFG光栅周期。当外界温度为T时，低耦合强度的C+L波段的LPFG光谱干涉峰谐振波长的温度灵敏度可表示为其中，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，nco是光纤纤芯的有效折射率，αT是光纤的热膨胀系数。FBG对于温度单独变化所引起的反射波长改变的温度灵敏度为：其中，λFBG是FBG的干涉条纹波长，ζT是光纤的热光系数。由公式与可知，当温度单独变化时，LPFG的温度变化灵敏度仍包含有效折射率之差与外界温度变化的微分量，故与相比于LPFG，FBG具有更高的温度灵敏度。当应变ε单独变化时，引起的LPFG与FBG耦合波长偏移量分别为：其中，nFBG为FBG的有效折射率，ρ11和ρ12为光纤应力张量的分量，ν为泊松系数。对于专利技术提出的级联结构而言，应变、温度交叉灵敏度的影响主要体现在λLPFG(T,ε)与λFBG(T,ε)的Taylor展开式的二阶交叉项。在大应变范围和高温升情况下，必须考虑该项非线性因素。在本专利技术提出的应变和温度范围内，该项交叉影响较小。将LPFG与FBG级联，同时改变温度和施加应力，两支光栅的中心波长都会因温度或应变而发生漂移，由于两支光栅的光栅周期、包层热光系数、有效弹光系数等都不同，因此两支光栅的温度灵敏度与应变灵敏度也不同。只要确定灵敏系数矩阵，保证两支光栅的中心波长差别足够大，即可通过LPFG和FBG的波长变化值求解方程得到相应的温度与应变，实现双参数测量。设外界温度T和应变ε发生变化时，光纤LPFG和FBG的透射谱波长变化ΔλLPFG、ΔλFBG与温度变化ΔT、应变变化Δε的相关关系可表述如下：其中：K11、K12分别为LPFG的温度灵敏系数、应变灵敏系数；K21、K22分别为FBG的温度灵敏系数、应变灵敏系数。由可得，LPFG与FBG的温度、应变、波长漂移存在如下关系：对求其逆矩阵，可得即，要测得该光纤传感器对温度与应变变化的灵敏度，可通过光谱仪监测透射谱波长变化，代入对外界环境温度与应变进行监测，实现温度与应变的双参数测量。本专利技术还提供一种基于LPFG和FBG级联结构的双参数光纤传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤一：采用单模光纤，将光纤去除涂覆层，用酒精清洁，风干，夹至光纤夹具上；步骤二：采用CO2激光器将第一单模光纤进行刻写，得到光栅周期为200μm的LPFG结构；步骤三：采用CO2激光器将第二单模光纤进行刻写，得到FBG结构；步骤四：采用熔接机将所述第一单模光纤和第二单模光纤进行级联，得到本专利技术所述的双参数光纤传感器。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CO2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。本专利技术的基于飞秒激光直写加工LPFG级联FBG结构实现温度和应变双参数实时监测的光纤传感器，将LPFG与FBG级联，同时改变温度和施加应力，两支光栅的中心波长都会因温度或应变而发生漂移，由于两支光栅的光栅周期、包层热光系数、有效弹光系数等都不同，因此两支光栅的温度灵敏度与应变灵敏度也不同。只要确定灵敏系数矩阵，保证两支光栅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LPFG和FBG级联结构的双参数光纤传感器，其特征在于，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，所述第一单模光纤与第二单模光纤级联连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于LPFG和FBG级联结构的双参数光纤传感器，其特征在于，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，所述第一单模光纤与第二单模光纤级联连接。2.根据权利要求1所述的双参数光纤传感器，其特征在于，所述LPFG结构的光栅周期为200μm。3.根据权利要求1所述的双参数光纤传感器，其特征在于，所述FBG结构的光栅周期为200μm。4.根据权利要求1所述的双参数光纤传感器，其特征在于，所述单模光纤采用SMF-28单模光纤。5.根据权利要求1所述的双参数光纤传感器，其特征在于，所述LPFG为采用CO2激光器进行刻写制得，所述CO2激光器的飞秒激光功率设为50μW，加工速度10m/s，光栅周期200μm，占空比为0.5。6.根据权利要求1所述的双参数光纤传感器，其特征在于，所述双参数光纤传感器通过LPFG和FBG的波长变化值求解方程得到相应的温度与应变，实现双参数测量，具体过程如下：LPFG的模式耦合是纤芯基模与同向包层模的耦合，其导模与某一包层模耦合的耦合波长为：式中，λLPFG是LPFG的干涉条纹波长，neff和分别为导模和第p阶包层模的有效折射率，ΛLPFG为LPFG光栅周期；当外界温度为T时，低耦合强度的C+L波段的LPFG光谱干涉峰谐振波长的温度灵敏度可表示为：其中，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，nco是光纤纤芯的有效折射率，αT是光纤的热膨胀系数；FBG对于温度单独变化所引起的反射波长改变的温度灵敏度为：其中，λFBG是FBG的干涉条纹波长，ζT是光纤的热光系数；由公式与可知，当温度单...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雯，祝连庆，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