一种三参量同时区分测量光纤传感器件的制备方法及应用技术

一种三参量同时区分测量光纤传感器制备方法及应用，一段采用193nm准分子激光器刻写的栅区总长度约为15mm的标准单模光纤布拉格光栅被光纤切刀在栅区被切断分为两小段，导致均匀折射率调制的光栅被破坏；将两小段光栅分别固定在熔接机的左右两个光纤固定夹上，然后通过熔接机手动调节模式对齐两段光栅并调整至合适间距；另取一段光纤，将其末端剥去一段距离涂覆层并用酒精擦洗干净，然后蘸取一小滴感光胶使其滴在固定好的两段光栅的缝隙中；使用紫外固化灯照射感光胶，使感光胶固化形成感光胶腔，而引入结构相移。本发明专利技术根据结构相移的光谱特点可有效实现温度、压强和折射率的区分测量，此方法操作工艺简单、成本较低。

The preparation and application of a three parameter optical fiber sensor

【技术实现步骤摘要】
一种三参量同时区分测量光纤传感器件的制备方法及应用
本专利技术涉及光纤传感器件
，特别涉及一种三参量同时区分测量光纤传感器制备方法及应用。
技术介绍
将光纤用作传感器件时，它可以直接或间接的测量多个物理量，譬如拉力、压强、温度、折射率、湿度等等。但是，随着周围环境的日益复杂多变，对单一物理量的变化的检测已经不能满足人们的测量需求。因此，设计并制作一种可以实现多参量、多功能的传感器件已经成为光纤传感技术的研究热点。基于光学干涉原理制作的干涉型光纤传感器，特别是光纤法布里－珀罗干涉仪(FPI)，因其结构灵活多样、高反射率、低损耗等优点被广泛的应用于光纤传感检测等领域。制作光纤干涉型法布里－珀罗结构的方式类型可分为:全光纤F-P腔结构的本征型干涉仪(IFPI)和借助其他材料或物体(如毛细管、陶瓷套芯等)构成F-P腔结构的非本征型干涉仪(EFPI)。目前，利用基于全光纤的FPI和光纤光栅的集成结构传感器来实现温度与压强、温度与折射率、温度与位移、温度与湿度等的双参量同时区分测量的技术已经非常成熟，但是其响应灵敏度也仅限于光纤水平，且制作成本较高。以上这些双参量区分测量的原理多是采用温度补偿法，即集成传感器中的结构——光纤光栅，对压强、折射率等不敏感，在测量时可以用作温度补偿。同时，双或多参量区分测量，交叉敏感效应又是一个本征问题。
技术实现思路
为了解决以上技术问题，本专利技术的目的在于提供一种三参量同时区分测量光纤传感器制备方法及应用，通过在光纤光栅中间位置使用感光胶制作F-P腔，引入结构相移，根据结构相移的光谱特点可有效实现温度、压强和折射率的区分测量，此方法操作工艺简单、成本较低。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种三参量同时区分测量光纤传感器的制备方法，包括以下步骤；步骤一：将一段采用193nm准分子激光器刻写的栅区总长度为15mm的标准单模光纤布拉格光栅以光纤切刀在栅区切断分为两小段，导致均匀折射率调制的光栅被破坏；步骤二：将两小段光栅分别固定在熔接机的左右两个光纤固定夹上，然后通过熔接机手动调节模式对齐两段光栅，并调整间距为50到100um以便得到较好的干涉谱图；步骤三：另取一段光纤，将其末端剥去一段距离涂覆层并用酒精擦洗干净，然后蘸取一小滴感光胶使其滴在固定好的两段光栅(如步骤二所述)的缝隙中；步骤四：使用紫外固化灯照射感光胶，使感光胶固化形成感光胶腔，从而引入结构相移，得到了一种基于非本征FPI和相移光栅的集成传感器。所述的紫外固化灯照射感光胶5分钟，以提高感光胶腔的强度。所述的光纤切刀在栅区大约中间位置被切断分为两小段。一种三参量同时区分测量光纤传感器的应用，本装置应用于对温度、压强和折射率这三个参量的同时区分测量；所述的光纤传感器有两个反射面，分别为反射面1与反射面2，都是光纤与感光胶的交界面，入射光经过光纤光栅被部分反射，剩余的光继续向前传播,到达反射面1再次被反射部分，剩余的光继续向前传播然后通过折射率约为1.5、长度约为57um的感光胶腔被反射面2反射部分光，剩余光继续向前传播而在此被光纤光栅部分反射，光经过密闭EFPI两个反射面反射后,由于不同光程差引起的相位延迟不同，在输出端产生干涉图样，由于反射面反射率较低，可以忽略多光束反射，因此，输出光强近似为在这两个腔中形成的干涉，输出光强度为：其中,I为输出光强；I1和I2分别为入射光在密闭EFPI腔体端面处的反射光强；为干涉的初始相位；n为密闭EFPI腔的折射率；λ为光学波长；L为密闭EFPI的腔长，因此，腔体的光学长度可以计算为:式中，λ1和λ2为密闭EFPI干涉光谱中相邻两个波谷的波长，密闭EFPI谱中的自由光谱范围(FSR)可以表示为：传输矩阵法被广泛应用于相移光纤光栅等非均匀光纤光栅的光波场计算,因此采用该方法对通过在栅区制作密闭EFPI而引入的结构相移的过程中的光谱特性进行分析.由于引入结构相移时,相位相对延迟,需在光栅相移前加入负号,相移矩阵为：式中表示相移量的大小；通过测量密闭EFPI光谱的波长漂移(ΔλEFPI)、结构相移光谱的功率变化(ΔKPS)和波长漂移(ΔλPS)，可以利用灵敏度系数矩阵实现对温度、压强和折射率这三个参量的同时区分测量，设温度、压强和折射率的变化量为ΔT,ΔP和Δn,则其灵敏度矩阵可表示为：式中，S1n、S1T和S1P为密闭EFPI波长漂移随折射率、温度、压力变化的灵敏度；S2n、S2T和S2P为结构相移波长漂移随被测量变化的灵敏度；，S3n、S3T和S3P为结构相移功率漂移随测量值变化的灵敏度。通过矩阵的逆运算可以得到被测量的三个物理量的变化量为：式中是灵敏度系数矩阵的行列式；将以上实验测量结果代入式(6)，可以得到：至此，可以有效实现对温度、压强和折射率这三个参量的同时区分测量。本专利技术的有益效果：第一，本专利技术制作的密闭EFPI是使用感光胶固化形成的，突破了光纤传感器灵敏度仅局限于光纤的问题；第二，通过在栅区制备EFPI结构而引入结构相移，为相移光栅的制作提出了一种新思路；第三，F-P腔长是通过调整固定在熔接机固定夹左右两端的两小段光栅之间的缝隙确定的，所以其腔体长度可灵活、精确的控制。第四，可以实现温度、压强和折射率三参量的同时区分测量并且灵敏度高、成本低廉，在光纤传感检测领域具有很重要的研究意义。附图说明图1是一根标准单模光纤光栅大约在栅区中间位置被切断示意图。图2是将被切断的两段光栅固定在熔接机的光纤固定夹上的示意图。图3是另取一根单模光纤并蘸取感光胶滴在两段光栅缝隙的示意图。图4是使用紫外固化灯照射固化两段光栅缝隙的感光胶的示意图。图5是集成传感器的显微图像。图6是集成传感器测量实验装置的示意图。图7是集成传感器对温度的响应光谱图。图8是25℃时放大的结构相移光栅的反射光谱图。图9是40℃时放大的结构相移光栅的反射光谱图。图10是50℃时放大的结构相移光栅的反射光谱图。图11是密闭EFPI波长漂移随温度变化的线性拟合曲线图。图12是结构相移波长漂移随温度变化的线性拟合曲线图。图13是结构相移功率漂移随温度变化的线性拟合曲线图。图14是集成传感器对压强的响应光谱图。图15是增加压强时放大的结构相移光栅的反射光谱图。图16是密闭EFPI波长漂移随压强变化的线性拟合曲线图。图17是集成传感器对折射率的响应光谱图。图18是折射率为1.3342时放大的结构相移光栅的反射光谱图。图19是折射率为1.3388时放大的结构相移光栅的反射光谱图。图20是折射率为1.3478时放大的结构相移光栅的反射光谱图。图21是密闭EFPI波长漂移随折射率变化的线性拟合曲线图。图22是结构相移光栅功率漂移随折射率变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三参量同时区分测量光纤传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤；/n步骤一：将一段采用193nm准分子激光器刻写的栅区总长度为15mm的标准单模光纤布拉格光栅以光纤切刀在栅区切断分为两小段，导致均匀折射率调制的光栅被破坏；/n步骤二：将两小段光栅分别固定在熔接机的左右两个光纤固定夹上，然后通过熔接机手动调节模式对齐两段光栅并调整至间距为50到100um；/n步骤三：另取一段光纤，将其末端剥去一段距离涂覆层并用酒精擦洗干净，然后蘸取一小滴感光胶使其滴在固定好的两段光栅(如步骤二所述)的缝隙中；/n步骤四：使用紫外固化灯照射感光胶，使感光胶固化形成感光胶腔，而引入结构相移。/n

【技术特征摘要】
1.一种三参量同时区分测量光纤传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一：将一段采用193nm准分子激光器刻写的栅区总长度为15mm的标准单模光纤布拉格光栅以光纤切刀在栅区切断分为两小段，导致均匀折射率调制的光栅被破坏；
步骤二：将两小段光栅分别固定在熔接机的左右两个光纤固定夹上，然后通过熔接机手动调节模式对齐两段光栅并调整至间距为50到100um；
步骤三：另取一段光纤，将其末端剥去一段距离涂覆层并用酒精擦洗干净，然后蘸取一小滴感光胶使其滴在固定好的两段光栅(如步骤二所述)的缝隙中；
步骤四：使用紫外固化灯照射感光胶，使感光胶固化形成感光胶腔，而引入结构相移。


2.根据权利要求1所述的一种三参量同时区分测量光纤传感器制备方法，其特征在于，所述的紫外固化灯照射感光胶5分钟，以提高感光胶腔的强度。


3.根据权利要求1所述的一种三参量同时区分测量光纤传感器制备方法，其特征在于，所述的光纤切刀在栅区大约中间位置被切断分为两小段。


4.一种三参量同时区分测量光纤传感器的应用，其特征在于，本装置应用于对温度、压强和折射率这三个参量的同时区分测量；
所述的光纤传感器有两个反射面，分别为反射面(1)与反射面(2)，都是光纤与感光胶的交界面，入射光经过光纤光栅被部分反射，剩余的光继续向前传播,到达反射面(1)再次被反射部分，剩余的光继续向前传播然后通过折射率约为1.5、长度约为57um的感光胶腔被反射面(2)反射部分光，剩余光继续向前传播而在此被光纤光栅部分反射，光经过密闭EFPI两个反射面反射后,由于不同光程差引起的相位延迟不同，在输出端产生干涉图样，由于反射面反射率较低，可以忽略多光束...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘颖刚，杨丹青，王钰玺，张庭，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61