專(zhuān)利名稱(chēng)：一種采用長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)時(shí)測(cè)試溫度和折射率的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及ー種采用長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)時(shí)測(cè)試溫度和折射率的裝置。
背景技術(shù)：
在許多生產(chǎn)生活重要領(lǐng)域，諸如水污染的控制、病理診斷和藥品的研制、食品生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)控等，不僅需要可靠獲取所含成分參量，更需要得到其成分濃度(或折射率)的變化信息。因此，這類(lèi)傳感器技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)，也是目前眾多領(lǐng)域性能參數(shù)傳感測(cè)量技術(shù)上迫切需要解決的實(shí)際問(wèn)題。液體濃度(或折射率)是ー個(gè)非常重要的參量，它與エ業(yè)生產(chǎn)、人們的生活密切相 關(guān)。到目前為止已有多種濃度監(jiān)測(cè)方法見(jiàn)報(bào)，國(guó)外有平面熒光法、熱標(biāo)記法、干涉測(cè)量法、相位鎖定超聲波法等；國(guó)內(nèi)有浮力法、重力法、靜壓法、折光法、振動(dòng)法、同位素法、勢(shì)力學(xué)法及電導(dǎo)法等。然而這些方法都需要復(fù)雜和昂貴的實(shí)驗(yàn)裝置，且不能用于液體濃度的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。因此光纖濃度傳感器在此需求下應(yīng)運(yùn)而生。光纖傳感器具有電絕緣性能好、傳輸信息容量大、能量損耗低、抗干擾性能好、耐高溫、防腐蝕、重量輕、柔軟性能好等優(yōu)點(diǎn)。其中最有發(fā)展前景的是長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器。因?yàn)殚L(zhǎng)周期光纖光柵的耦合機(jī)理是把前向傳輸?shù)膶?dǎo)模耦合進(jìn)各階包層模，因包層模的倏逝場(chǎng)分布延伸到了包層外的介質(zhì)中，所以其諧振波長(zhǎng)和損耗峰幅值對(duì)外界環(huán)境的折射率的變化非常敏感，具有比其它光纖傳感器更高的溫度、彎曲、扭曲、折射率等靈敏度。同時(shí)光纖式傳感器不需要對(duì)樣品進(jìn)行抽樣，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，這是傳統(tǒng)傳感器無(wú)法比擬的。長(zhǎng)周期光纖光柵由于其具有對(duì)濃度非常敏感的特性，1996年美國(guó)拂吉尼亞洲的Vikvam Bhatia等人首先把長(zhǎng)周期光纖光柵用于油的折射率測(cè)量，在I. 404 I. 452折射率范圍內(nèi)，分辨率可達(dá)7. 69X10-5 ；1998年美國(guó)華盛頓的Heather J. Patrick等人利用長(zhǎng)周期光纖光柵測(cè)量水中防凍劑的濃度，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)周期諧振波長(zhǎng)與水中防凍劑的濃度成很好的函數(shù)關(guān)系，且選擇光柵周期為350mm的長(zhǎng)周期光纖光柵折射率測(cè)量范圍可達(dá)I I. 72。意大利的一個(gè)光電研究機(jī)構(gòu)研制了基于長(zhǎng)周期光纖光柵的濃度傳感器,并將其用于CaC12, NaCl以及(CH20H) 2溶液濃度的測(cè)量，其測(cè)量精度與傳統(tǒng)的阿貝折射率相比可以提高ー個(gè)數(shù)量級(jí)。而長(zhǎng)周期光纖光柵具有對(duì)環(huán)境折射率和溫度的交叉敏感性，在高精度的要求下測(cè)量折射率的同時(shí)必須消除溫度的影響，J. B. Judkins等人在長(zhǎng)周期光纖光柵用于應(yīng)力或折射率測(cè)量過(guò)程中如何克服溫度干擾問(wèn)題做了特別研究，指出刻寫(xiě)在具有特定折射率剖面光纖上的長(zhǎng)周期光纖光柵具有溫度不敏感性，V. Bhatia等人在此方面的進(jìn)ー步研究表明，若對(duì)長(zhǎng)周期光纖光柵的周期進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，刻寫(xiě)在標(biāo)準(zhǔn)的通信光纖上的長(zhǎng)周期光纖光柵也具有溫度不敏感性。近年來(lái)，我國(guó)利用長(zhǎng)周期光纖光柵在液體濃度的測(cè)量方面也有一定的發(fā)展，如河北燕山大學(xué)對(duì)醇溶液的濃度的研究，浙江大學(xué)對(duì)蔗糖濃度作了一定深入的研究和相關(guān)文章報(bào)導(dǎo)。然而，我國(guó)利用長(zhǎng)周期光纖光柵監(jiān)測(cè)液體濃度在靈敏度和實(shí)用性等方面與國(guó)外還有一定的差距，迫切需要在目前國(guó)內(nèi)研究基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)外研究成果和經(jīng)驗(yàn)，自主創(chuàng)新地研究出低成本高靈敏度實(shí)用的液體濃度在線(xiàn)測(cè)量方法。申請(qǐng)日2011年3月4日，專(zhuān)利號(hào)201110053392. 4中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利《基于閃耀長(zhǎng)周期光纖光柵的折射率傳感器》公開(kāi)了ー種光折射率的測(cè)量方法。它包括沿光的傳播方向依次布置的激光光源、窄帶濾波器、起偏器、偏振控制器、保偏光纖、TLPFG、多模光纖和激光功率計(jì)。其中TLPFG輸出的激光經(jīng)過(guò)多模光纖進(jìn)入光功率計(jì)，光功率計(jì)將測(cè)得的功率值輸入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)分析計(jì)算得到TLPFG包層外環(huán)境折射率的大小。TLPFG光柵的傾斜角大于45°且小于90°。此傳感器雖然可以實(shí)現(xiàn)折射率測(cè)量，但該傳感器以光功率作為標(biāo)定參量，光功率容易受外界環(huán)境因素的影響，因而測(cè)量的穩(wěn)定性不夠好，且測(cè)量精度不是很高；同時(shí)傳感過(guò)程沒(méi)有考慮溫度的影響。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述技術(shù)現(xiàn)狀，而提供能同時(shí)測(cè)量折射率及溫度變化、測(cè)量的穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高、大大減小LPFG傳感器的體積的ー種采用長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)時(shí)測(cè)試溫度和折射率的裝置。本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為ー種采用長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)時(shí)測(cè)試溫度和折射率的裝置，其中，包括沿光傳播方向依次設(shè)置的寬帶光源、LPFG傳感器以及光接收部，LPFG傳感器包括ー根長(zhǎng)周期光纖光柵以及鍍?cè)陂L(zhǎng)周期光纖光柵一半長(zhǎng)度區(qū)域外周面上的納米薄膜。為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的具體措施還包括上述的長(zhǎng)周期光纖光柵為三包層LPFG。上述的LPFG傳感器通過(guò)光纖接頭座分別與寬帶光源和光接收部連接配合。上述的寬帶光源包括沿光傳播方向依次設(shè)置的LED光源驅(qū)動(dòng)以及LED ニ極管。上述的光接收部包括有光譜儀。上述的納米薄膜折射率高于長(zhǎng)周期光纖光柵包層折射率。上述的納米薄膜從長(zhǎng)周期光纖光柵的一端延伸至長(zhǎng)周期光纖光柵中部。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的ー種采用長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)時(shí)測(cè)試溫度和折射率的裝置，其中，包括沿光傳播方向依次設(shè)置的寬帶光源、LPFG傳感器以及光接收部，LPFG傳感器包括ー根長(zhǎng)周期光纖光柵以及鍍?cè)陂L(zhǎng)周期光纖光柵一半長(zhǎng)度區(qū)域外周面上的納米薄膜。LPFG傳感器通過(guò)光纖接頭座分別與寬帶光源和光接收部連接配合，長(zhǎng)周期光纖光柵是在光纖上利用紫外光照射實(shí)現(xiàn)折射率調(diào)制得到的，其一方面具有體積小、重量輕，可彎曲的好處，同時(shí)其以波長(zhǎng)編碼可以免受光源波動(dòng)的影響，從而達(dá)到提高測(cè)量穩(wěn)定性的目的 ’另一方面，其透射譜是把纖芯基模耦合到同向傳輸?shù)陌鼘幽．a(chǎn)生的，所以透射譜的諧振波長(zhǎng)與其所處的外界環(huán)境折射率敏感，外界環(huán)境折射率發(fā)生微小的變化，就可以使長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)發(fā)生很大的變化，所以通過(guò)測(cè)量長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)漂移即可推出外界環(huán)境折射率的變化。因?yàn)殚L(zhǎng)周期光纖光柵具有光纖傳感器所具有的共性，即交叉敏感性，當(dāng)用長(zhǎng)周期光纖光柵測(cè)量某ー待測(cè)參量時(shí)，由于環(huán)境變化引起的其它非待測(cè)參量的變化同樣會(huì)引起諧振波長(zhǎng)的漂移或透射峰的損耗，而長(zhǎng)周期光纖光柵本身不可能分辨出諧振波長(zhǎng)的漂移或透射峰的損耗是來(lái)自于待測(cè)參量還是非待測(cè)參量，從而使測(cè)量精度大大下降。在利用長(zhǎng)周期光纖光柵進(jìn)行折射率測(cè)量的過(guò)程中存在應(yīng)力、彎曲和溫度的影響，在使LPFG處于自然懸垂的狀態(tài)下，主要是溫度的影響。將LPFG傳感器的長(zhǎng)周期光纖光柵長(zhǎng)度分成兩段，通過(guò)在其中一段長(zhǎng)度區(qū)域內(nèi)鍍上高折射率的納米薄膜來(lái)監(jiān)測(cè)折射率，沒(méi)有鍍膜的一段監(jiān)測(cè)溫度。三層LPFG的一段與四層LPFG的一段對(duì)溫度和折射率的敏感度不同，進(jìn)而達(dá)到用ー個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵同時(shí)測(cè)量溫度和折射率的目的，此種結(jié)構(gòu)即可以減小光柵之間的熔接，又可以大大減小LPFG傳感器的體積，對(duì)局部測(cè)量能提高精度。進(jìn)ー步采用折射率大于包層材料的折射率鍍膜，可大大増大折射率的測(cè)量范圍。本實(shí)用新型具有能同時(shí)測(cè)量折射率及溫度變化、測(cè)量的穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高、大大減小LPFG傳感器的體積的優(yōu)點(diǎn)。

圖I是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實(shí)施例中的透射光譜圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作進(jìn)ー步詳細(xì)描述。圖I至圖2所示為寬帶光源1、LED光源驅(qū)動(dòng)11、LED ニ極管12、LPFG傳感器2、光接收部3、光譜儀31、長(zhǎng)周期光纖光柵4、納米薄膜5。如圖I所示，本實(shí)用新型的ー種采用長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)時(shí)測(cè)試溫度和折射率的裝置，其中，包括沿光傳播方向依次設(shè)置的寬帶光源I、LPFG傳感器2以及光接收部3，所述的LPFG傳感器2包括一根長(zhǎng)周期光纖光柵4以及鍍?cè)陂L(zhǎng)周期光纖光柵4 一半長(zhǎng)度區(qū)域外周面上的納米薄膜5。長(zhǎng)周期光纖光柵4為三包層LPFG。LPFG傳感器2通過(guò)光纖接頭座分別與寬帶光源I和光接收部3連接配合。寬帶光源I包括沿光傳播方向依次設(shè)置的LED光源驅(qū)動(dòng)11以及LED ニ極管12。光接收部3包括有光譜儀31。納米薄膜5折射率高于長(zhǎng)周期光纖光柵4包層折射率。納米薄膜5從長(zhǎng)周期光纖光柵4的一端延伸至長(zhǎng)周期光纖光柵4中部。LPFG傳感器2通過(guò)光纖接頭座分別與寬帶光源I和光接收部3連接配合，長(zhǎng)周期光纖光柵4是在光纖上利用紫外光照射實(shí)現(xiàn)折射率調(diào)制得到的，其一方面具有體積小、重量輕，可彎曲的好處，同時(shí)其以波長(zhǎng)編碼可以免受光源波動(dòng)的影響，從而達(dá)到提高測(cè)量穩(wěn)定性的目的；另一方面，其透射譜是把纖芯基模耦合到同向傳輸?shù)陌鼘幽．a(chǎn)生的，所以透射譜的諧振波長(zhǎng)與其所處的外界環(huán)境折射率敏感，外界環(huán)境折射率發(fā)生微小的變化，就可以使長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)發(fā)生很大的變化，所以通過(guò)測(cè)量長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)漂移即可推出外界環(huán)境折射率的變化。在利用長(zhǎng)周期光纖光柵進(jìn)行折射率測(cè)量的過(guò)程中存在應(yīng)力、彎曲和溫度的影響，在使LPFG處于自然懸垂的狀態(tài)下，主要是溫度的影響。將LPFG傳感器2的長(zhǎng)周期光纖光柵4長(zhǎng)度分成兩段，通過(guò)在其中一段長(zhǎng)度區(qū)域內(nèi)鍍上高折射率的納米薄膜來(lái)監(jiān)測(cè)折射率，沒(méi)有鍍膜的一段監(jiān)測(cè)溫度。三層LPFG的一段與四層LPFG的一段對(duì)溫度和折射率的敏感度不同，進(jìn)而達(dá)到用ー個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵4同時(shí)測(cè)量溫度和折射率的目的，此種結(jié)構(gòu)即可以減小光柵之間的熔接，又可以大大減小LPFG傳感器的體積，對(duì)局部測(cè)量能提高精度。進(jìn)ー步采用折射率大于包層材料的折射率鍍膜，可大大増大折射率的測(cè)量范圍。以下列舉實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行解釋如圖I所示，本實(shí)用新型是包括寬帶光源I (中心波長(zhǎng)為I. 55um,帶寬為60nm)，LPFG傳感器2 (由ー個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵，諧振波長(zhǎng)為1549. 8nm,帶寬為13. 4nm,長(zhǎng)為30mm，在其中一半長(zhǎng)度位置區(qū)域15mm鍍上折射率為I. 7，厚度為350nm納米薄膜構(gòu)成)，圖2所示為本實(shí)施例的透射光譜圖，點(diǎn)狀線(xiàn)為三層長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜；灰色線(xiàn)為四包層長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜；黒色粗線(xiàn)為半鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜。寬帶光源發(fā)出的光波經(jīng)光纖接頭傳到長(zhǎng)周期光纖光柵，滿(mǎn)足相位匹配條件的纖芯 導(dǎo)膜耦合到包層模，由于三包層LPFG和四包層LPFG的包層有效折射率不同，從而產(chǎn)生LPFG的一個(gè)透射峰分裂為兩個(gè)。兩個(gè)透射峰對(duì)溫度和折射率的傳感靈敏度不同，從而可以同時(shí)測(cè)量溫度和折射率。解決LPFG的交叉敏感性。當(dāng)溫度和折射率同時(shí)作用于半鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵時(shí)，纖芯基模UJ1與或包層模耦合形成的損耗峰各自諧振波長(zhǎng)的變化可表示為
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LhJ ‘JM式中，^！和も表示溫度單獨(dú)作用于LPFG時(shí)諧振波長(zhǎng)Ji和J2的溫度靈敏度'Km
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蝴及!!^和ち2，就可由上式解出折射率大小和溫度變化本實(shí)用新型的最佳實(shí)施例已被闡明，由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員做出的各種變化或改型都不會(huì)脫離本實(shí)用新型的范圍。
權(quán)利要求1.ー種采用長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)時(shí)測(cè)試溫度和折射率的裝置，其特征是包括沿光傳播方向依次設(shè)置的寬帶光源(1)、LPFG傳感器(2)以及光接收部(3)，所述的LPFG傳感器(2)包括ー根長(zhǎng)周期光纖光柵(4)以及鍍?cè)陂L(zhǎng)周期光纖光柵(4) 一半長(zhǎng)度區(qū)域外周面上的納米薄膜(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種采用長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)時(shí)測(cè)試溫度和折射率的裝置，其特征是所述的長(zhǎng)周期光纖光柵(4)為三包層LPFG。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種采用長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)時(shí)測(cè)試溫度和折射率的裝置，其特征是所述的LPFG傳感器(2)通過(guò)光纖接頭座分別與寬帶光源(I)和光接收部(3)連接配合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種采用長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)時(shí)測(cè)試溫度和折射率的裝置，其特征是所述的寬帶光源(I)包括沿光傳播方向依次設(shè)置的LED光源驅(qū)動(dòng)(11)以及LED ニ極管(12)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種采用長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)時(shí)測(cè)試溫度和折射率的裝置，其特征是所述的光接收部(3)包括有光譜儀(31)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種采用長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)時(shí)測(cè)試溫度和折射率的裝置，其特征是所述的納米薄膜(5)折射率高于長(zhǎng)周期光纖光柵(4)包層折射率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的ー種采用長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)時(shí)測(cè)試溫度和折射率的裝置，其特征是所述的納米薄膜(5)從長(zhǎng)周期光纖光柵(4)的一端延伸至長(zhǎng)周期光纖光柵(4)中部。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型的一種采用長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)時(shí)測(cè)試溫度和折射率的裝置，其中，包括沿光傳播方向依次設(shè)置的寬帶光源、LPFG傳感器以及光接收部，LPFG傳感器包括一根長(zhǎng)周期光纖光柵以及鍍?cè)陂L(zhǎng)周期光纖光柵一半長(zhǎng)度區(qū)域外周面上的納米薄膜。通過(guò)鍍有高折射率的納米薄膜的一段來(lái)監(jiān)測(cè)折射率，沒(méi)有鍍膜的一段監(jiān)測(cè)溫度，達(dá)到用一個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵同時(shí)測(cè)量溫度和折射率的目的。本實(shí)用新型具有能同時(shí)測(cè)量折射率及溫度變化、測(cè)量的穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高、大大減小LPFG傳感器的體積的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01K11/32GK202433123SQ201220043479
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月11日
發(fā)明者關(guān)榮峰, 程培紅, 趙洪霞, 鮑吉龍 申請(qǐng)人:寧波工程學(xué)院