專利名稱：一種采用長周期光纖光柵實時測試溫度和折射率的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光纖傳感技術領域，尤其涉及ー種采用長周期光纖光柵實時測試溫度和折射率的裝置。
背景技術：
在許多生產(chǎn)生活重要領域，諸如水污染的控制、病理診斷和藥品的研制、食品生產(chǎn)和產(chǎn)品質量的監(jiān)控等，不僅需要可靠獲取所含成分參量，更需要得到其成分濃度(或折射率)的變化信息。因此，這類傳感器技術的研究和開發(fā)成為研究人員關注的熱點，也是目前眾多領域性能參數(shù)傳感測量技術上迫切需要解決的實際問題。液體濃度(或折射率)是ー個非常重要的參量，它與エ業(yè)生產(chǎn)、人們的生活密切相 關。到目前為止已有多種濃度監(jiān)測方法見報，國外有平面熒光法、熱標記法、干涉測量法、相位鎖定超聲波法等；國內有浮力法、重力法、靜壓法、折光法、振動法、同位素法、勢力學法及電導法等。然而這些方法都需要復雜和昂貴的實驗裝置，且不能用于液體濃度的實時在線監(jiān)測。因此光纖濃度傳感器在此需求下應運而生。光纖傳感器具有電絕緣性能好、傳輸信息容量大、能量損耗低、抗干擾性能好、耐高溫、防腐蝕、重量輕、柔軟性能好等優(yōu)點。其中最有發(fā)展前景的是長周期光纖光柵傳感器。因為長周期光纖光柵的耦合機理是把前向傳輸?shù)膶ｑ詈线M各階包層模，因包層模的倏逝場分布延伸到了包層外的介質中，所以其諧振波長和損耗峰幅值對外界環(huán)境的折射率的變化非常敏感，具有比其它光纖傳感器更高的溫度、彎曲、扭曲、折射率等靈敏度。同時光纖式傳感器不需要對樣品進行抽樣，可實現(xiàn)實時測量，這是傳統(tǒng)傳感器無法比擬的。長周期光纖光柵由于其具有對濃度非常敏感的特性，1996年美國拂吉尼亞洲的Vikvam Bhatia等人首先把長周期光纖光柵用于油的折射率測量，在I. 404 I. 452折射率范圍內，分辨率可達7. 69X10-5 ；1998年美國華盛頓的Heather J. Patrick等人利用長周期光纖光柵測量水中防凍劑的濃度，實驗發(fā)現(xiàn)長周期諧振波長與水中防凍劑的濃度成很好的函數(shù)關系，且選擇光柵周期為350mm的長周期光纖光柵折射率測量范圍可達I I. 72。意大利的一個光電研究機構研制了基于長周期光纖光柵的濃度傳感器,并將其用于CaC12, NaCl以及(CH20H) 2溶液濃度的測量，其測量精度與傳統(tǒng)的阿貝折射率相比可以提高ー個數(shù)量級。而長周期光纖光柵具有對環(huán)境折射率和溫度的交叉敏感性，在高精度的要求下測量折射率的同時必須消除溫度的影響，J. B. Judkins等人在長周期光纖光柵用于應力或折射率測量過程中如何克服溫度干擾問題做了特別研究，指出刻寫在具有特定折射率剖面光纖上的長周期光纖光柵具有溫度不敏感性，V. Bhatia等人在此方面的進ー步研究表明，若對長周期光纖光柵的周期進行特殊設計，刻寫在標準的通信光纖上的長周期光纖光柵也具有溫度不敏感性。近年來，我國利用長周期光纖光柵在液體濃度的測量方面也有一定的發(fā)展，如河北燕山大學對醇溶液的濃度的研究，浙江大學對蔗糖濃度作了一定深入的研究和相關文章報導。然而，我國利用長周期光纖光柵監(jiān)測液體濃度在靈敏度和實用性等方面與國外還有一定的差距，迫切需要在目前國內研究基礎上，借鑒國外研究成果和經(jīng)驗，自主創(chuàng)新地研究出低成本高靈敏度實用的液體濃度在線測量方法。申請日2011年3月4日，專利號201110053392. 4中國發(fā)明專利《基于閃耀長周期光纖光柵的折射率傳感器》公開了ー種光折射率的測量方法。它包括沿光的傳播方向依次布置的激光光源、窄帶濾波器、起偏器、偏振控制器、保偏光纖、TLPFG、多模光纖和激光功率計。其中TLPFG輸出的激光經(jīng)過多模光纖進入光功率計，光功率計將測得的功率值輸入計算機處理系統(tǒng)，計算機處理系統(tǒng)經(jīng)過分析計算得到TLPFG包層外環(huán)境折射率的大小。TLPFG光柵的傾斜角大于45°且小于90°。此傳感器雖然可以實現(xiàn)折射率測量，但該傳感器以光功率作為標定參量，光功率容易受外界環(huán)境因素的影響，因而測量的穩(wěn)定性不夠好，且測量精度不是很高；同時傳感過程沒有考慮溫度的影響。

發(fā)明內容本實用新型所要解決的技術問題是針對上述技術現(xiàn)狀，而提供能同時測量折射率及溫度變化、測量的穩(wěn)定性好、測量精度高、大大減小LPFG傳感器的體積的ー種采用長周期光纖光柵實時測試溫度和折射率的裝置。本實用新型解決上述技術問題所采用的技術方案為ー種采用長周期光纖光柵實時測試溫度和折射率的裝置，其中，包括沿光傳播方向依次設置的寬帶光源、LPFG傳感器以及光接收部，LPFG傳感器包括ー根長周期光纖光柵以及鍍在長周期光纖光柵一半長度區(qū)域外周面上的納米薄膜。為優(yōu)化上述技術方案，采取的具體措施還包括上述的長周期光纖光柵為三包層LPFG。上述的LPFG傳感器通過光纖接頭座分別與寬帶光源和光接收部連接配合。上述的寬帶光源包括沿光傳播方向依次設置的LED光源驅動以及LED ニ極管。上述的光接收部包括有光譜儀。上述的納米薄膜折射率高于長周期光纖光柵包層折射率。上述的納米薄膜從長周期光纖光柵的一端延伸至長周期光纖光柵中部。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的ー種采用長周期光纖光柵實時測試溫度和折射率的裝置，其中，包括沿光傳播方向依次設置的寬帶光源、LPFG傳感器以及光接收部，LPFG傳感器包括ー根長周期光纖光柵以及鍍在長周期光纖光柵一半長度區(qū)域外周面上的納米薄膜。LPFG傳感器通過光纖接頭座分別與寬帶光源和光接收部連接配合，長周期光纖光柵是在光纖上利用紫外光照射實現(xiàn)折射率調制得到的，其一方面具有體積小、重量輕，可彎曲的好處，同時其以波長編碼可以免受光源波動的影響，從而達到提高測量穩(wěn)定性的目的 ’另一方面，其透射譜是把纖芯基模耦合到同向傳輸?shù)陌鼘幽．a(chǎn)生的，所以透射譜的諧振波長與其所處的外界環(huán)境折射率敏感，外界環(huán)境折射率發(fā)生微小的變化，就可以使長周期光纖光柵的諧振波長發(fā)生很大的變化，所以通過測量長周期光纖光柵的諧振波長漂移即可推出外界環(huán)境折射率的變化。因為長周期光纖光柵具有光纖傳感器所具有的共性，即交叉敏感性，當用長周期光纖光柵測量某ー待測參量時，由于環(huán)境變化引起的其它非待測參量的變化同樣會引起諧振波長的漂移或透射峰的損耗，而長周期光纖光柵本身不可能分辨出諧振波長的漂移或透射峰的損耗是來自于待測參量還是非待測參量，從而使測量精度大大下降。在利用長周期光纖光柵進行折射率測量的過程中存在應力、彎曲和溫度的影響，在使LPFG處于自然懸垂的狀態(tài)下，主要是溫度的影響。將LPFG傳感器的長周期光纖光柵長度分成兩段，通過在其中一段長度區(qū)域內鍍上高折射率的納米薄膜來監(jiān)測折射率，沒有鍍膜的一段監(jiān)測溫度。三層LPFG的一段與四層LPFG的一段對溫度和折射率的敏感度不同，進而達到用ー個長周期光纖光柵同時測量溫度和折射率的目的，此種結構即可以減小光柵之間的熔接，又可以大大減小LPFG傳感器的體積，對局部測量能提高精度。進ー步采用折射率大于包層材料的折射率鍍膜，可大大増大折射率的測量范圍。本實用新型具有能同時測量折射率及溫度變化、測量的穩(wěn)定性好、測量精度高、大大減小LPFG傳感器的體積的優(yōu)點。

圖I是本實用新型的結構示意圖；圖2是實施例中的透射光譜圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的實施例作進ー步詳細描述。圖I至圖2所示為寬帶光源1、LED光源驅動11、LED ニ極管12、LPFG傳感器2、光接收部3、光譜儀31、長周期光纖光柵4、納米薄膜5。如圖I所示，本實用新型的ー種采用長周期光纖光柵實時測試溫度和折射率的裝置，其中，包括沿光傳播方向依次設置的寬帶光源I、LPFG傳感器2以及光接收部3，所述的LPFG傳感器2包括一根長周期光纖光柵4以及鍍在長周期光纖光柵4 一半長度區(qū)域外周面上的納米薄膜5。長周期光纖光柵4為三包層LPFG。LPFG傳感器2通過光纖接頭座分別與寬帶光源I和光接收部3連接配合。寬帶光源I包括沿光傳播方向依次設置的LED光源驅動11以及LED ニ極管12。光接收部3包括有光譜儀31。納米薄膜5折射率高于長周期光纖光柵4包層折射率。納米薄膜5從長周期光纖光柵4的一端延伸至長周期光纖光柵4中部。LPFG傳感器2通過光纖接頭座分別與寬帶光源I和光接收部3連接配合，長周期光纖光柵4是在光纖上利用紫外光照射實現(xiàn)折射率調制得到的，其一方面具有體積小、重量輕，可彎曲的好處，同時其以波長編碼可以免受光源波動的影響，從而達到提高測量穩(wěn)定性的目的；另一方面，其透射譜是把纖芯基模耦合到同向傳輸?shù)陌鼘幽．a(chǎn)生的，所以透射譜的諧振波長與其所處的外界環(huán)境折射率敏感，外界環(huán)境折射率發(fā)生微小的變化，就可以使長周期光纖光柵的諧振波長發(fā)生很大的變化，所以通過測量長周期光纖光柵的諧振波長漂移即可推出外界環(huán)境折射率的變化。在利用長周期光纖光柵進行折射率測量的過程中存在應力、彎曲和溫度的影響，在使LPFG處于自然懸垂的狀態(tài)下，主要是溫度的影響。將LPFG傳感器2的長周期光纖光柵4長度分成兩段，通過在其中一段長度區(qū)域內鍍上高折射率的納米薄膜來監(jiān)測折射率，沒有鍍膜的一段監(jiān)測溫度。三層LPFG的一段與四層LPFG的一段對溫度和折射率的敏感度不同，進而達到用ー個長周期光纖光柵4同時測量溫度和折射率的目的，此種結構即可以減小光柵之間的熔接，又可以大大減小LPFG傳感器的體積，對局部測量能提高精度。進ー步采用折射率大于包層材料的折射率鍍膜，可大大増大折射率的測量范圍。以下列舉實例對本實用新型進行解釋如圖I所示，本實用新型是包括寬帶光源I (中心波長為I. 55um,帶寬為60nm)，LPFG傳感器2 (由ー個長周期光纖光柵，諧振波長為1549. 8nm,帶寬為13. 4nm,長為30mm，在其中一半長度位置區(qū)域15mm鍍上折射率為I. 7，厚度為350nm納米薄膜構成)，圖2所示為本實施例的透射光譜圖，點狀線為三層長周期光纖光柵的透射譜；灰色線為四包層長周期光纖光柵的透射譜；黒色粗線為半鍍膜長周期光纖光柵的透射譜。寬帶光源發(fā)出的光波經(jīng)光纖接頭傳到長周期光纖光柵，滿足相位匹配條件的纖芯 導膜耦合到包層模，由于三包層LPFG和四包層LPFG的包層有效折射率不同，從而產(chǎn)生LPFG的一個透射峰分裂為兩個。兩個透射峰對溫度和折射率的傳感靈敏度不同，從而可以同時測量溫度和折射率。解決LPFG的交叉敏感性。當溫度和折射率同時作用于半鍍膜長周期光纖光柵時，纖芯基模UJ1與或包層模耦合形成的損耗峰各自諧振波長的變化可表示為
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LhJ ‘JM式中，^！和も表示溫度單獨作用于LPFG時諧振波長Ji和J2的溫度靈敏度'Km
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蝴及!!^和ち2，就可由上式解出折射率大小和溫度變化本實用新型的最佳實施例已被闡明，由本領域普通技術人員做出的各種變化或改型都不會脫離本實用新型的范圍。
權利要求1.ー種采用長周期光纖光柵實時測試溫度和折射率的裝置，其特征是包括沿光傳播方向依次設置的寬帶光源(1)、LPFG傳感器(2)以及光接收部(3)，所述的LPFG傳感器(2)包括ー根長周期光纖光柵(4)以及鍍在長周期光纖光柵(4) 一半長度區(qū)域外周面上的納米薄膜(5)。
2.根據(jù)權利要求I所述的ー種采用長周期光纖光柵實時測試溫度和折射率的裝置，其特征是所述的長周期光纖光柵(4)為三包層LPFG。
3.根據(jù)權利要求2所述的ー種采用長周期光纖光柵實時測試溫度和折射率的裝置，其特征是所述的LPFG傳感器(2)通過光纖接頭座分別與寬帶光源(I)和光接收部(3)連接配合。
4.根據(jù)權利要求3所述的ー種采用長周期光纖光柵實時測試溫度和折射率的裝置，其特征是所述的寬帶光源(I)包括沿光傳播方向依次設置的LED光源驅動(11)以及LED ニ極管(12)。
5.根據(jù)權利要求4所述的ー種采用長周期光纖光柵實時測試溫度和折射率的裝置，其特征是所述的光接收部(3)包括有光譜儀(31)。
6.根據(jù)權利要求5所述的ー種采用長周期光纖光柵實時測試溫度和折射率的裝置，其特征是所述的納米薄膜(5)折射率高于長周期光纖光柵(4)包層折射率。
7.根據(jù)權利要求6所述的ー種采用長周期光纖光柵實時測試溫度和折射率的裝置，其特征是所述的納米薄膜(5)從長周期光纖光柵(4)的一端延伸至長周期光纖光柵(4)中部。
專利摘要本實用新型的一種采用長周期光纖光柵實時測試溫度和折射率的裝置，其中，包括沿光傳播方向依次設置的寬帶光源、LPFG傳感器以及光接收部，LPFG傳感器包括一根長周期光纖光柵以及鍍在長周期光纖光柵一半長度區(qū)域外周面上的納米薄膜。通過鍍有高折射率的納米薄膜的一段來監(jiān)測折射率，沒有鍍膜的一段監(jiān)測溫度，達到用一個長周期光纖光柵同時測量溫度和折射率的目的。本實用新型具有能同時測量折射率及溫度變化、測量的穩(wěn)定性好、測量精度高、大大減小LPFG傳感器的體積的優(yōu)點。
文檔編號G01K11/32GK202433123SQ201220043479
公開日2012年9月12日 申請日期2012年2月11日 優(yōu)先權日2012年2月11日
發(fā)明者關榮峰, 程培紅, 趙洪霞, 鮑吉龍 申請人:寧波工程學院