同时测量长周期光纤光栅温度与应变的传感器结构

摘要

同时测量长周期光纤光栅温度与应变的传感器结构，选用高频CO2激光脉冲在光纤中写入的不同周期的一对长周期光纤光栅，分别为一个只对温度变化敏感的长周期光纤光栅，和一个对温度和应变变化均敏感的长周期光纤光栅，将两个长周期光纤光栅进行级联使用，可以准确测出温度和应变各自的变化。本发明的突出优点是：用一个特定周期的长周期光纤光栅只对温度变化敏感的特性测量温度变化，用另一个长周期光纤光栅测量温度和应变的变化，从而实现温度和应变双参数的测量，给出了解决温度应变交叉敏感的一种方案。同时该型传感器具有在750℃高温下正常工作的能力，并且不需要特殊封装。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及利用一对不同周期的长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结构。

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)提出应有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

本发明的目的是提供一对长周期光纤光栅传感器，利用其中一个LPFG(长周期光纤光栅)对应变不敏感而对温度敏感，另一个LPFG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。并且由于该传感器是由两个LPFG级联而成，LPFG本身具有耐高温的特性，具有在750℃高温下正常工作的能力。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

同时测量长周期光纤光栅温度与应变的传感器结构，选用高频CO₂激光脉冲在光纤中写入的不同周期的一对长周期光纤光栅，分别为一个只对温度变化敏感的长周期光纤光栅，和一个对温度和应变变化均敏感的长周期光纤光栅，将两个长周期光纤光栅进行级联使用，可以准确测出温度和应变各自的变化。

所选用的光纤为带纳米环结构的抗弯单模光纤。

写入的长周期光纤光栅具有以下特征：特定周期范围内的长周期光纤光栅的谐振波长对温度敏感而对应变不敏感；一般周期范围内的长周期光纤光栅的谐振波长对温度和应变同时敏感。

该传感器具有在环境温度高达750℃时仍能正常工作的能力。

该传感器具有加工简单的特点，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。

本发明是采用两个级联的不同周期的长周期光纤光栅来感知外界环境温度和应变的变化，其中LPFG1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-LPFG1＝A*ΔT    (1)

LPFG2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-LPFG2＝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上写入的，这两个长周期光纤光栅具有不同的周期，并且它们的周期位于同一个区间，处于同一区间的长周期光纤光栅其谐振波长随温度及应变变化的性质相同。

本发明的突出优点是：用一个特定周期的长周期光纤光栅只对温度变化敏感的特性测量温度变化，用另一个长周期光纤光栅测量温度和应变的变化，从而实现温度和应变双参数的测量，给出了解决温度应变交叉敏感的一种方案。同时该型传感器具有在750℃高温下正常工作的能力，并且不需要特殊封装。

附图说明

图1是本发明采用的传感器结构示意图；

图2是本发明中长周期光纤光栅写入方法；

图3是周期Λ＝470μm的光栅的应变特性；

图4是周期Λ＝470μm的光栅的温度特性曲线；

图5是周期Λ＝295μm的光栅的应变特性曲线；

图6是周期Λ＝295μm的光栅的温度特性曲线；

图7是周期Λ＝468μm的光栅的高温特性曲线；

图8是本发明中温度和应变同时测量的测试装置图。

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。

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不同周期的两个长周期光纤光栅。该对长周期光纤光栅结构如图1所示。图中，长周期光纤光栅1和长周期光纤光栅2，是两个周期不同的长周期光纤光栅。

长周期光纤光栅1周期为470μm，周期数N＝60，谐振峰波长在1536.5nm，该周期的光栅应变特性如图3所示，其谐振峰在1500个微应变下基本没有偏移；温度特性曲线如图4所示，其温度灵敏度约为0.098nm/℃，线性度为R²＝0.998。

长周期光纤光栅2周期为295μm，周期数N＝80，谐振峰波长在1514.7nm，该周期的光栅应变特性如图5所示，其应变灵敏度约为2.8pm/με，应变增加和减小时重和性比较好，谐振波长随应变变化呈现很好的线性度，其线性度R²＝0.999；温度特性曲线如图6所示，其温度灵敏度约为0.1448nm/℃，线性度为R²＝0.996。同时对温度和应变变化敏感。

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。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0.45W。

该型传感器所用的长周期光纤光栅的高温特性如图7所示。长周期光纤光栅周期468μm，周期数N＝60，谐振峰波长在1509.05nm。图7中，其在100-250℃区间的温度灵敏度约为0.1194nm/℃，线性度为R²＝0.9998。其在300-750℃的温度灵敏度约为0.2084nm/℃，线性度为R²＝0.9991。高温段灵敏度更高，在各种温度区间内保持着良好的线性度。

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。