抗弯光纤的单个LPFG同时测量温度和应变的传感器

摘要

抗弯光纤的单个LPFG（长周期光纤光栅）同时测量温度和应变的传感器，采用高频CO

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及利用抗弯光纤的单个长LPFG周期光纤光栅作传感器同时测量温度和应变两个参量的传感器。

背景技术

长周期光纤光栅(LPFG)是一种能将特定波长的光耦合到包层的带阻型光纤滤波器，它的谐振波长会随着外界环境的温度、应变、折射率等参量的变化而变化，根据这一原理，可以通过测量LPFG的谐振波长的变化来实现对外界环境物理量变化的测量。由于LPFG相比与光纤布拉格光栅（FBG）来说，对许多外界物理量的变化更敏感，而且LPFG能耐更高的温度，因此其在光纤传感方面有着很大的应用前景。

在温度和应变同时测量领域，H.J.Patrick等人发布论文（IEEE Photon. Tech.Lett.,1996,Vol.8,No.9,pp.1223-1225）提出了应变和温度同时测量方案，但此方案需要光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的组合，以致传感器成本较高，体积较大，不利于集成。江建，饶云江等发表论文（光学学报，2003,32（9）：1063~1066）提出采用LPFG/EFPI集成式光纤传感器实现温度及应变的同时测量。李爱群等（ZL 200910026403）提出的光学光栅应变、温度同时测量传感器是将两个光纤光栅封装在特殊结构中，导致传感器成本较高，加工不便。

光纤光栅传感器中，温度与应变交叉敏感的存在严重影响了测量的精度，因此研究只对某一物理量变化敏感而对其他物理量变化不敏感的光纤光栅传感器有着重要的意义。利用这种光纤光栅传感器与普通光纤光栅传感器的结合就可以实现多参数的精确测量。

发明内容

为实现同时多参数的精确测量，本发明提供一种抗弯光纤的单个LPFG同时测量温度和应变的传感器，利用该LPFG（长周期光纤光栅）其中一个谐振峰对应变不敏感而对温度敏感，另一个谐振峰对温度和应变均敏感的特点，来实现对温度和应变的同时测量，LPFG本身具有耐高温的特性，具有在高温下正常工作的能力。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

抗弯光纤的单个LPFG同时测量温度和应变的传感器，其特征在于:包括抗弯光纤，抗弯光纤一端连接宽带光源，另一端连接光谱分析仪；由高频CO₂激光脉冲在抗弯光纤中写入长周期光纤光栅，写入过程中需要对光纤施加特定大小的拉力；该抗弯光纤为带纳米环结构的抗弯单模光纤。 

所述抗弯光纤的单个LPFG同时测量温度和应变的传感器，其特征在于：长周期光纤光栅在写入过程中施加特定大小的拉力时，该长周期光纤光栅会形成两个谐振峰，而且其中一个谐振峰对温度敏感而对应变不敏感；另一个谐振峰对温度和应变同时敏感。

所述抗弯光纤的单个LPFG同时测量温度和应变的传感器，其特征在于：长周期光纤光栅在写入过程中施加特定大小拉力，其拉力大小特定在0.10至0.25N。

该发明的有益效果是：传感器加工简单，除一般性的保护封装外无需隔离温度、隔离应力等附加的封装过程，测量参数精确，成本较低。

附图说明

图1是本发明中长周期光纤光栅写入示意图；

图2是本发明结构示意图；

图3是本发明中长周期光纤光栅光谱图；

图4是左谐振峰（1526nm）温度特性曲线图；

图5是右谐振峰（1588nm）温度特性曲线图；

图6是左谐振峰（1526nm）应变特性曲线图；

图7是右谐振峰（1588nm）应变特性曲线图；

图8是本发明中温度和应变同时测量的测试装置示意图。

具体实施方式

下面根据实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

本发明是采用单个长周期光纤光栅的两个不同的谐振峰来感知外界环境温度和应变的变化，其中谐振峰1只对温度敏感，即其谐振波长的变化（Δλ_res）只与温度变化(ΔT)有关，可用下式表示：

               Δλ_res-1=A*ΔT                       (1)

谐振峰2则对温度和应变变化(Δμε微应变)均敏感，谐振波长的变化可以表示为：

   Δλ_res-2=B*ΔT+C*Δμε                  (2)

方程(1)和(2)中，系数A、B、C为长周期光纤光栅谐振波长随温度和应变变化的系数，联立方程(1)和(2)就可以解出温度和应变的变化量。

本发明中所述的长周期光纤光栅是利用高频CO₂激光器在美国康宁公司于2009年推出的一种新型带纳米环结构的抗弯单模光纤ClearCurve?上写入的，该型光纤在CO₂激光器写入过程中施加一定大小的拉力时会形成两个谐振峰，不施加拉力只形成一个谐振峰。

如图1-8所示，我们选用的长周期光纤光栅是用高频CO₂激光脉冲在康宁的抗弯光纤上写入的长周期光纤光栅，期间施加特定大小的拉力。该长周期光纤光栅结构如图1所示。图中， LPFG是长周期光纤光栅，该LPFG周期是475μm，周期数N=60,有两个谐振峰，波长分别为1526nm（左谐振峰）和1588nm（右谐振峰）。

左谐振峰（1526nm）的温度特性曲线如图3所示，其温度灵敏度为0.056 nm/℃，线性度为R²=0.9981。该谐振峰的应变特性如图5所示，其应变灵敏度为0.0052pm/με。 右谐振峰（1588nm）的温度特性曲线如图4所示，其温度灵敏度为0.061 nm/℃，线性度为R²=0.9984。该谐振峰的应变特性如图6所示，其应变灵敏度约为-0.95pm/με，其线性度R²=0.9986。

左谐振峰的应变灵敏度（0.0052pm/με）远远小于右谐振峰的应变灵敏度（-0.95pm/με），可以忽略左谐振峰的应变变化，温度灵敏度接近，所以通过测量两个谐振峰的变化量结合这三个参数可以计算出实际LPFG的温度和应变的变化量，继而测量出温度和应变。

该LPFG的两个谐振峰的温度和应变重复性均很好，线性度也很高，具备实用性。

制作长周期光纤光栅的装置如图2所示，包括：宽带光源3、高频CO₂激光器4、康宁的抗弯光纤5、光谱分析仪6、施加拉力的重物7。在写入长周期光纤光栅时，高频CO₂激光器的脉宽为90μs，频率为5kHz，CO₂激光被聚焦到直径为50μm的微小光斑，平均功率为0.3W。

测试该传感器的装置如图8所示，包括：宽带光源7；高精度微动台8；用于对传感器施加应变；高精度恒温箱9，用于模拟环境温度变化；和本发明制作的长周期光纤光栅10、光谱分析仪11。