[发明专利]一种壁中波导长周期光纤光栅传感器

说明书

技术领域

本发明涉及液体温度和折射率测量技术领域，具体为一种实现温度和折射率同时测量的壁中波导长周期光纤光栅传感器。

背景技术

折射率是流体介质重要的物理参数。流体介质诸多性质，如液体浓度、混合物成份、比重以及pH值等都可以反映在其折射率上。因此，人们通过测量液体的折射率就可以了解其物理和化学性质。折射率测量的方法有多种，常用的折射率测量仪器为阿贝测量仪。随着光纤传感技术的快速发展，基于光纤技术的折射率测量方法、技术及折射率传感器备受关注，尤其是光纤光栅的产生，其优越的性能使光纤光栅成为传感领域的佼佼者。光纤光栅传感器不仅具有抗电磁干扰、高灵敏度、响应速度快、动态范围宽、重量轻、结构紧凑、使用灵活、适用于腐蚀性或危险性环境等优点，同时还具有波长编码，便于复用构成光纤传感网络等优点。因此，基于光纤光栅的折射率传感在生物化学传感器或生物探针等方面具有很大的应用前景。

光纤光栅传感器是利用光纤材料的光敏特性，在光纤纤芯或波导层形成周期性结构，其工作原理是在满足相位匹配条件的波长处发生模间共振耦合。当光纤光栅所处环境的温度、折射率等物理量发生改变时，光纤光栅的周期或有效折射率通常也会随之发生改变，从而使得光栅的共振波长发生变化，通过测量共振波长的变化，就可以测得待测物理量的变化情况。

长周期光纤光栅的共振波长λ可由下式决定：

λ＝(n_eff-core-n_eff-cladding)Λ

式中，n_eff-core是纤芯或毛细管光纤波导层有效折射率，n_eff-cladding为包层有效折射率，Λ为光栅周期。因此光纤光栅可以作为应力，温度，折射率等的透射式传感器。

为了提高光纤光栅传感器的性能，人们提出了各种不同的基于长周期光纤光栅的传感器结构。常用的长周期光纤光栅传感器装置是将长周期光纤光栅的一端与光源连接，另一端接上波长解调仪，通过观察光谱的变化来检测环境的变化。2005年Xianfeng Chen，Kaiming Zhou，Lin Zhang，Ian Bennion等人在文献“Optical sensor based on hybrid LPG/FBG in D-fiber for simultaneous refractive index and temperature measurement”中提到一种同时测量折射率和温度的D型光纤传感器，由于是经过抛光处理的，改变了光纤的结构，破坏了传感器的完整性，所以这种传感器特别脆弱，易损坏；在2007年，李恩邦提出了一种新型的同时测量液体温度和折射率的光纤传感装置，但是这种装置的传感灵敏度还不够高；2009年，Hyun Soo Jang，Kwang No Park，Jun P.Kim，Sang Jun Sim，Oh J.Kwon，Young-Geun Han，and Kyung Shik Lee等人，在文献“Sensitive DNA biosensor based on a long-period grating formed on the side-poli shed fiber surface”中将长周期光纤光栅用来测量DNA，其缺点还是因为抛光作用不仅仅改变了光纤的结构且无法实现双参数传感。

由于介质的折射率随温度的变化而改变，而环境温度不是恒定不变的，只有在一定温度下测得的折射率才有意义，因此在进行液体折射率测量时有必要进行温度补偿，以提高折射率测量的精度。

发明内容

本发明目的是提出一种精度更高、体积更小、测量更简便的，可以实现温度和折射率的同时测量的壁中波导长周期光纤光栅传感器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明为一种壁中波导长周期光纤光栅传感器包括光源、输入单模光纤、传感头部分、输出单模光纤和波长解调仪，传感头部分由输入单模光纤、壁中波导毛细管光纤以及输出单模光纤经过熔融焊接组成；其中毛细管光纤包括外包层、波导层、内包层以及空气孔芯，波导层位于内包层和外包层之间，波导层上写有长周期光纤光栅，空气孔芯内壁镀有高热光系数的介质。输入、输出单模光纤为标准单模光纤。输入端光源为宽谱光源，输出单模光纤与波长解调仪相连。