[发明专利]一种加强镀膜光纤光栅的轴向伸缩效应的方法

说明书

技术领域

本发明涉及适用于能监测多种参量的可伸缩膜型光纤光栅传感器。具体包括对光纤光栅的侧表面进行预处理，在处理后的表面制备可伸缩材料传感膜，如磁致伸缩材料敏感膜，湿度敏感材料传感膜和气体敏感材料传感膜，这种光纤光栅传感器可用于电流或磁场，湿度，及氢气浓度等多个领域的在线分布式监测。

背景技术

近年来光纤光栅传感技术发展迅速，由于光纤光栅具有波长调制、分辨率高、波分复用、抗电磁干扰、体积小、重复性好等特点，已成为传感器研究领域的一大热点，在建筑、桥梁、探矿、海洋、航空、医学领域得到广泛应用，并取得了许多成果。但是其主要产品还是局限于在应力和温度方面的传感应用。而光纤光栅在其他领域的应用还处于研究阶段。例如用于电流的光纤光栅传感器，湿度和气体浓度的光纤光栅化学传感器均是目前的研究热点。

目前光纤光栅主要是指布拉格(Bragg)光栅(简称FBG)。布拉格光栅是一种具有周期性的折射率分布的光纤，它只对特定波长的光具有反射作用。当大带宽的光通过光栅时，只有以光纤光栅波长为中心波长的窄带的光被反射。根据耦合模理论，光纤光栅的光栅方程为λ_B＝2n_effA，其中，λ_B为FBG的反射波中心波长(Bragg波长)，n_eff为光纤光栅的有效折射率，Λ为光纤光栅的周期(参见图1)。能导致n_effΛ改变的某些物理量，如应力、温度、压力、湿度等，均可使FBG反射波长发生漂移，因此均可以用FBG测量。如果采用可伸缩材料，可以将光纤光栅所处环境的多种参量转化为应变参量，通过监测光纤光栅的布拉格波长漂移可以间接监测到这些参量。下面以超磁致伸缩敏感膜，湿度敏感膜和气体敏感膜几类典型的伸缩膜为例说明光纤光栅在其他传感领域的应用。

超磁致伸缩敏感膜

磁致伸缩材料是指具有磁致伸缩效应的磁(电)-机械能转换材料，它的饱和磁致伸缩系数λ_s通常为10^-6数量级。超磁致伸缩材料(Giant magnetostriction material，简称GMM)是具有大磁致伸缩系数的磁致伸缩材料，其λ_s一般大于3.0×10^-5。充分利用其在磁场作用下的伸缩效应，和光纤光栅相结合可构成光纤光栅磁场(电流)传感器。

湿度敏感膜

光纤光栅对湿度变化敏感性很差。为了提高光纤光栅对湿度的敏感度，需要在光纤的外表面涂上一层湿敏材料。当湿度变化时，由于光纤表面涂层湿敏材料的膨胀，引起光纤光栅的应变响应。这样可把对湿度传感的问题转化为光纤光栅对应变的响应问题。

氢气敏感膜

光纤光栅氢气传感器一般由表面镀合金膜的光纤光栅组成。合金膜吸收氢气后产生的形变由光纤光栅探测到，通过光纤光栅中心波长反应出来。光纤光栅氢气传感器最大的优点是充分利用绝缘防爆的特性，可以应用于飞行器燃料贮箱这样工作条件恶劣的环境中。此外，光纤光栅氢气传感器结构简单，成本低，便于波分复用，构成分布式测量系统，可以缠绕在大贮箱和管线外，监测大面积的泄漏。

这类镀膜型光纤光栅传感器研究的难点之一在于伸缩材料的选择和薄膜的制备。由上可见，多种材料可供选择，基于这些材料的可伸缩膜可将光纤光栅传感领域拓展至多个领域范围内。但是其伸缩效应的线性化还有待加强。原因之一在于这类可伸缩的敏感膜一般都镀在光滑光纤表面，其伸缩效应大多为多方向性的，包括轴向和径向，而只有轴向的伸缩变化会被光纤光栅探测到。原因之二在于，这些可伸缩敏感膜的厚度为微米级，因此在光纤表面的轴向伸缩形变太小，引起的光栅应变不明显。因此，如何提高轴向伸缩效应成为关键突破点之一。

发明内容

本发明针对上述提高镀膜光纤光栅的轴向伸缩效应技术问题，提供一种有效加强轴向伸缩效应的方法。采用微加工技术对光纤表面进行径向沟槽阵列的加工(螺纹或环状沟槽阵列)，使得表面镀膜能有效嵌入，提高伸缩膜的轴向伸缩效应。

具体包括两个方面的内容：

一方面，涉及在光纤表面加工螺纹状或环状沟槽阵列的方法，其包括激光或其他微加工技术对光纤表面进行加工。另一方面，涉及在这种加工有螺纹状或环状沟槽阵列的光纤光栅表面制备可伸缩材料传感膜，提高伸缩膜的轴向伸缩效应，用于多种领域的传感监测。