[实用新型]S型锥内嵌式光纤布拉格光栅双参数传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种光纤光栅传感器，能够对外界的应力和温度变化进行高灵敏度同时感测，属于光纤传感技术领域。 

背景介绍 

应力是工业生产过程、产品设计制作以及工程监测领域等实际应用中的一个重要参量，人们现已开发出多种类型的应力传感器。其中，光纤布拉格光栅(FBG)由于具有诸多传统传感器所无法比拟的优点，因而成为光传感器研究开发的热点。 

光纤具有质量轻、柔韧性好、抗电磁干扰、易设计加工、材料来源丰富等优点，因而成为新型应力传感器设计和研制的优选材料。采用紫外曝光、激光刻蚀、化学腐蚀等技术，能够在光纤的纤芯或包层上产生周期性折射率分布，从而形成光纤光栅，光栅制作所使用的光纤可为各种类型的光纤，光纤的类型包括标准单模光纤、双包层光纤、保偏光纤、多模光纤、空心光纤、光子晶体光纤或微结构光纤。当对光纤光栅施加轴向应力后，产生的轴向应变将改变光栅的周期(增大或缩小)、纤芯和包层的半径(缩小或增大)；同时，光纤本身的弹光效应亦会改变光纤的有效折射率。这些因素的综合影响，使得光纤光栅的谐振峰波长产生漂移(向长波或短波移动)。光纤光栅传感器因其具有上述优点，现已被广泛应用于建筑结构、航天航空、海洋探测以及科学研究等诸多领域，它属于一种新颖的光学检测技术。 

然而，在实际工程应用中，周围环境的温度变化也会在一定程度上影响传感器检测的准确性。温度对光纤材料的影响主要有两个方面：一是热膨胀导致光纤材料尺度的变化，另一方面是因热所致光纤折射率的改变。光纤光栅对温度和应力同时敏感，这一问题严重困扰着光纤光栅传感器在传感领域中的应用。研究表明：在光纤光栅中引入S型光纤锥(SFT)结构，如将FBG和SFT两种结构进行巧妙组合，则可实现对温度和应力的区分和同时测量。 

本实用新型是一种新型的可同时测量应力和温度的光纤光栅双参数传感器。检索结果表明，目前尚没有采用SFT内嵌式结构制作可同时进行应力和温度双参数测量的FBG传感器的专利报道。 

发明内容

本实用新型的目的旨在设计出一种可同时进行应力和温度双参数测量的高灵敏度光纤光栅传感器，所提供的S型锥内嵌式光纤布拉格光栅双参数传感器，包括传感部分和测量部分。传感部分由FBG(1)和SFT(2)构成，如图1(a)所示；其特征是将SFT(2)内嵌于FBG(1)中间位置，形成一个精细的Mach-Zenhder(MZ)干涉仪，如图1(b)为实物图；利用FBG和SFT两种结构的巧妙组合，可对应力和温度进行双参数同时测量。传感器测量部分的连接方式：光纤耦合器(4)一侧的两个连接点，其一通过传输光纤(3)与FBG(1)连接，其二置于匹配液(5)之中；而光纤耦合器另外一侧的两个连接点，则分别与光源(6)和光探测器(7)相接，如图2所示。 

采用紫外曝光方法制作FBG，其理论和技术均已成熟，现已实现了批量生产，目前在市场上很容易购得。并且，通过对制作参数的优化及控制，能够获得较高质量的FBG。在本实用新型中，通过电弧放电方法在FBG中引进一个SFT，形成FBG和SFT两种结构的巧妙组合。由于FBG谐振峰和SFT干涉峰对应力和温度响应的灵敏度不同，因此当外界的应力和温度发生变化时，这两种特征峰对应的波长将产生不同的漂移量。测量二者的波长漂移量，能够实现对应力和温度双参数的高精度同时测量。 

本实用新型所述的光纤光栅为1550nm波段的光纤布拉格光栅；所述的传输光纤为单模光纤；所述的光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器，或是三端口、四端口光环行器；所述的光源为宽带光源或可调谐光纤激光器；所述的光探测器为光谱仪或多波长计；所述的传感器工作环境温度为0℃～100℃之间。 

感测原理： 

当光源发出的光经过传感器时，由耦合模理论可知，FBG谐振峰波长满足关系式λ_B＝2n_effΛ。其中，n_eff为纤芯模式的有效折射率，Λ为光栅周期。SFT的形成在光纤中引入了缺陷，这使得光波经过SFT的前锥区时，一些包层模式被激发；而在SFT的后锥区，这些包层模式被耦合回纤芯，从而使光波发生干涉。由干涉理论可知，波峰、波谷的波长满足关系式λ_m＝2Δn_effL_eff/(2m+1)。其中，Δn_eff为纤芯和包层模式的有效折射率差，L_eff为干涉长度，m为整数。图3给出了SFT内嵌FBG的透射光谱图。