一种采用长周期光纤光栅实时测试温度和折射率的装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术的一种采用长周期光纤光栅实时测试温度和折射率的装置，其中，包括沿光传播方向依次设置的宽带光源、LPFG传感器以及光接收部，LPFG传感器包括一根长周期光纤光栅以及镀在长周期光纤光栅一半长度区域外周面上的纳米薄膜。通过镀有高折射率的纳米薄膜的一段来监测折射率，没有镀膜的一段监测温度，达到用一个长周期光纤光栅同时测量温度和折射率的目的。本实用新型专利技术具有能同时测量折射率及温度变化、测量的稳定性好、测量精度高、大大减小LPFG传感器的体积的优点。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及光纤传感
，尤其涉及ー种采用长周期光纤光栅实时测试温度和折射率的装置。
技术介绍
在许多生产生活重要领域，诸如水污染的控制、病理诊断和药品的研制、食品生产和产品质量的监控等，不仅需要可靠获取所含成分參量，更需要得到其成分浓度(或折射率)的变化信息。因此，这类传感器技术的研究和开发成为研究人员关注的热点，也是目前众多领域性能參数传感测量技术上迫切需要解决的实际问题。液体浓度(或折射率)是ー个非常重要的參量，它与エ业生产、人们的生活密切相 关。到目前为止已有多种浓度监测方法见报，国外有平面荧光法、热标记法、干涉测量法、相位锁定超声波法等；国内有浮力法、重力法、静压法、折光法、振动法、同位素法、势力学法及电导法等。然而这些方法都需要复杂和昂贵的实验装置，且不能用于液体浓度的实时在线监测。因此光纤浓度传感器在此需求下应运而生。光纤传感器具有电绝缘性能好、传输信息容量大、能量损耗低、抗干扰性能好、耐高温、防腐蚀、重量轻、柔软性能好等优点。其中最有发展前景的是长周期光纤光栅传感器。因为长周期光纤光栅的耦合机理是把前向传输的导模耦合进各阶包层模，因包层模的倏逝场分布延伸到了包层外的介质中，所以其谐振波长和损耗峰幅值对外界环境的折射率的变化非常敏感，具有比其它光纤传感器更高的温度、弯曲、扭曲、折射率等灵敏度。同时光纤式传感器不需要对样品进行抽样，可实现实时测量，这是传统传感器无法比拟的。长周期光纤光栅由于其具有对浓度非常敏感的特性，1996年美国拂吉尼亚洲的Vikvam Bhatia等人首先把长周期光纤光栅用于油的折射率测量，在I. 404 I. 452折射率范围内，分辨率可达7. 69X10-5 ；1998年美国华盛顿的Heather J. Patrick等人利用长周期光纤光栅測量水中防冻剂的浓度，实验发现长周期谐振波长与水中防冻剂的浓度成很好的函数关系，且选择光栅周期为350mm的长周期光纤光栅折射率测量范围可达I I. 72。意大利的一个光电研究机构研制了基于长周期光纤光栅的浓度传感器,并将其用于CaC12, NaCl以及(CH20H) 2溶液浓度的測量，其測量精度与传统的阿贝折射率相比可以提高ー个数量级。而长周期光纤光栅具有对环境折射率和温度的交叉敏感性，在高精度的要求下測量折射率的同时必须消除温度的影响，J. B. Judkins等人在长周期光纤光栅用于应力或折射率测量过程中如何克服温度干扰问题做了特别研究，指出刻写在具有特定折射率剖面光纤上的长周期光纤光栅具有温度不敏感性，V. Bhatia等人在此方面的进ー步研究表明，若对长周期光纤光栅的周期进行特殊设计，刻写在标准的通信光纤上的长周期光纤光栅也具有温度不敏感性。近年来，我国利用长周期光纤光栅在液体浓度的測量方面也有一定的发展，如河北燕山大学对醇溶液的浓度的研究，浙江大学对蔗糖浓度作了一定深入的研究和相关文章报导。然而，我国利用长周期光纤光栅监测液体浓度在灵敏度和实用性等方面与国外还有一定的差距，迫切需要在目前国内研究基础上，借鉴国外研究成果和经验，自主创新地研究出低成本高灵敏度实用的液体浓度在线测量方法。申请日2011年3月4日，专利号201110053392. 4中国专利技术专利《基于闪耀长周期光纤光栅的折射率传感器》公开了ー种光折射率的测量方法。它包括沿光的传播方向依次布置的激光光源、窄带滤波器、起偏器、偏振控制器、保偏光纤、TLPFG、多模光纤和激光功率计。其中TLPFG输出的激光经过多模光纤进入光功率计，光功率计将测得的功率值输入计算机处理系统，计算机处理系统经过分析计算得到TLPFG包层外环境折射率的大小。TLPFG光栅的倾斜角大于45°且小于90°。此传感器虽然可以实现折射率測量，但该传感器以光功率作为标定參量，光功率容易受外界环境因素的影响，因而测量的稳定性不够好，且测量精度不是很高；同时传感过程没有考虑温度的影响。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是针对上述技术现状，而提供能同时测量折射率及温度变化、测量的稳定性好、測量精度高、大大减小LPFG传感器的体积的ー种采用长周期光纤光栅实时测试温度和折射率的装置。本技术解决上述技术问题所采用的技术方案为ー种采用长周期光纤光栅实时测试温度和折射率的装置，其中，包括沿光传播方向依次设置的宽带光源、LPFG传感器以及光接收部，LPFG传感器包括ー根长周期光纤光栅以及镀在长周期光纤光栅一半长度区域外周面上的纳米薄膜。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括上述的长周期光纤光栅为三包层LPFG。上述的LPFG传感器通过光纤接头座分别与宽带光源和光接收部连接配合。上述的宽带光源包括沿光传播方向依次设置的LED光源驱动以及LED ニ极管。上述的光接收部包括有光谱仪。上述的纳米薄膜折射率高于长周期光纤光栅包层折射率。上述的纳米薄膜从长周期光纤光栅的一端延伸至长周期光纤光栅中部。与现有技术相比，本技术的ー种采用长周期光纤光栅实时测试温度和折射率的装置，其中，包括沿光传播方向依次设置的宽带光源、LPFG传感器以及光接收部，LPFG传感器包括ー根长周期光纤光栅以及镀在长周期光纤光栅一半长度区域外周面上的纳米薄膜。LPFG传感器通过光纤接头座分别与宽带光源和光接收部连接配合，长周期光纤光栅是在光纤上利用紫外光照射实现折射率调制得到的，其一方面具有体积小、重量轻，可弯曲的好处，同时其以波长编码可以免受光源波动的影响，从而达到提高测量稳定性的目的 ’另一方面，其透射谱是把纤芯基模耦合到同向传输的包层模产生的，所以透射谱的谐振波长与其所处的外界环境折射率敏感，外界环境折射率发生微小的变化，就可以使长周期光纤光栅的谐振波长发生很大的变化，所以通过测量长周期光纤光栅的谐振波长漂移即可推出外界环境折射率的变化。因为长周期光纤光栅具有光纤传感器所具有的共性，即交叉敏感性，当用长周期光纤光栅測量某ー待测參量时，由于环境变化引起的其它非待测參量的变化同样会引起谐振波长的漂移或透射峰的损耗，而长周期光纤光栅本身不可能分辨出谐振波长的漂移或透射峰的损耗是来自于待测參量还是非待测參量，从而使測量精度大大下降。在利用长周期光纤光栅进行折射率测量的过程中存在应力、弯曲和温度的影响，在使LPFG处于自然悬垂的状态下，主要是温度的影响。将LPFG传感器的长周期光纤光栅长度分成两段，通过在其中一段长度区域内镀上高折射率的纳米薄膜来监测折射率，没有镀膜的一段监测温度。三层LPFG的一段与四层LPFG的一段对温度和折射率的敏感度不同，进而达到用ー个长周期光纤光栅同时测量温度和折射率的目的，此种结构即可以减小光栅之间的熔接，又可以大大减小LPFG传感器的体积，对局部測量能提高精度。进ー步采用折射率大于包层材料的折射率镀膜，可大大増大折射率的測量范围。本技术具有能同时测量折射率及温度变化、测量的稳定性好、測量精度高、大大减小LPFG传感器的体积的优点。附图说明图I是本技术的结构示意图；图2是实施例中的透射光谱图。具体实施方式以下结合附图对本技术的实施例作进ー步详细描述。图I至图2所示为宽带光源1、LED光源驱动11、LED ニ极管12、LPFG传感器2、光接收部3、光谱仪31、长周期光纤光栅4、纳米薄本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.ー种采用长周期光纤光栅实时测试温度和折射率的装置，其特征是包括沿光传播方向依次设置的宽带光源(1)、LPFG传感器(2)以及光接收部(3)，所述的LPFG传感器(2)包括ー根长周期光纤光栅(4)以及镀在长周期光纤光栅(4) 一半长度区域外周面上的纳米薄膜(5)。2.根据权利要求I所述的ー种采用长周期光纤光栅实时测试温度和折射率的装置，其特征是所述的长周期光纤光栅(4)为三包层LPFG。3.根据权利要求2所述的ー种采用长周期光纤光栅实时测试温度和折射率的装置，其特征是所述的LPFG传感器(2)通过光纤接头座分别与宽带光源(I)和光接收部(3)连接配合。4.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵洪霞，鲍吉龙，程培红，关荣峰，
申请(专利权)人：宁波工程学院，
类型：实用新型
国别省市：