專利名稱：一種基于錐形腐蝕的溫度自補(bǔ)償fbg折射率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于錐形腐蝕的光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償?shù)恼凵渎蕚鞲衅鳌?br> 背景技術(shù)：
目前，折射率傳感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷、石油化工等生化應(yīng)用領(lǐng)域具有重要 的研究意義?；诠饫w的折射率傳感器由于具有體積小，不受電磁干擾，靈敏度高，重量輕， 適于在易燃，易爆等苛刻環(huán)境下檢測并且可以遠(yuǎn)程傳感等優(yōu)點(diǎn)，逐漸替代傳統(tǒng)的折射率傳 感器，廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)生活領(lǐng)域。光纖光柵是近幾年來發(fā)展最為迅速的光纖無源器件之一，它具有一般光纖折射率 傳感器的優(yōu)點(diǎn)，并且采用波長調(diào)制方式，對(duì)光纖連接器和耦合器、光纖彎曲、光源不穩(wěn)定等 無需任何補(bǔ)償措施，同時(shí)還可以方便地將多只光柵復(fù)用，這是其它傳感器件無法比擬的。長 周期光纖光柵(LPG)由于其諧振波長易受外界折射率影響，作為折射率傳感器得到了廣泛 的研究。然而LPG本身的溫度交叉敏感度較高，應(yīng)力、彎曲等因素都會(huì)降低它的測量精度。 光纖布拉格光柵(TOG)的耦合光僅發(fā)生于纖芯模之間，在經(jīng)過傳統(tǒng)的均勻腐蝕后用于折射 率傳感測量時(shí)，同樣會(huì)面臨交叉敏感的問題。因此，將LPG或者均勻腐蝕后的FBG用做折射 率傳感測量時(shí)常級(jí)聯(lián)另外一個(gè)LPG或者完整的TOG單獨(dú)做為溫度傳感器。這些措施不僅增 加了傳感設(shè)備的成本和復(fù)雜程度，而且不適合多點(diǎn)的傳感測量。針對(duì)上述問題，我們提出了一種基于錐形腐蝕的溫度自補(bǔ)償FBG折射率傳感器。 基于錐形腐蝕的FBG傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，利用一個(gè)傳感器就可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償?shù)恼凵渎蕚鞲?測量，并且屬于布拉格光柵的一種，對(duì)彎曲不敏感，不受溫度影響，傳感器性能穩(wěn)定，因此本 發(fā)明提出的傳感器不會(huì)受到光纖抖動(dòng)和光纖彎曲帶來的干擾，測量精度高，比LPG折射率 傳感器和FBG折射率傳感器更有優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的就是為了克服現(xiàn)有折射率測量傳感技術(shù)中存在的交叉敏感的問題，提 供了一種結(jié)構(gòu)緊湊的基于錐形腐蝕的溫度自補(bǔ)償FBG折射率傳感器，此方案可以有效解決 測量過程中出現(xiàn)的物理參量間交叉敏感問題，極大降低了傳感器的復(fù)雜程度，并且對(duì)于光 纖抖動(dòng)和光纖彎曲等各種不穩(wěn)定因素有較強(qiáng)的抗干擾能力。本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案基于錐形腐蝕的溫度自補(bǔ)償FBG折射率傳感器包括寬帶光源、3dB耦合器、錐形腐 蝕的光纖布拉格光柵、光譜儀。寬帶光源直接與3dB耦合器的第一個(gè)端口光連接，3dB耦合器的第二個(gè)端口與錐 形腐蝕的光纖布拉格光柵連接，3dB耦合器的第三個(gè)端口連接到光譜儀。本發(fā)明所具有的有益效果為當(dāng)光纖的包層直徑減小到某特定值(本發(fā)明中該值為20μπι)時(shí)，光纖布拉格光柵纖芯的有效折射率會(huì)隨外界環(huán)境折射率呈單調(diào)非線性變化，對(duì)應(yīng)區(qū)域的光纖布拉格光柵波 長也會(huì)發(fā)生變化。利用這一特性，將光纖布拉格光柵的包層腐蝕成錐形，腐蝕后的光纖包層 直徑從40 μ m逐漸變化為9 μ m,錐形腐蝕處理后的FBG用于液體折射率傳感測量時(shí)，反射光 譜將會(huì)展寬，形成一個(gè)寬帶光譜，光譜的展寬程度與外界環(huán)境折射率呈類似指數(shù)的函數(shù)關(guān) 系。由于錐形腐蝕后的光纖熱膨脹系數(shù)相同，寬帶光譜兩側(cè)對(duì)溫度的敏感程度相同，所以當(dāng) 外界溫度和折射率參數(shù)同時(shí)作用于錐形腐蝕的光纖布拉格光柵折射率傳感器造成光譜漂 移時(shí)，光譜兩側(cè)受溫度影響的漂移量是相同的，實(shí)現(xiàn)了溫度自補(bǔ)償，觀察整個(gè)光譜3dB帶寬 的變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境折射率的傳感測量，觀察寬帶光譜長波一側(cè)的波長變化可以實(shí) 現(xiàn)外界環(huán)境溫度的傳感測量。本發(fā)明有效解決了光纖光柵折射率傳感器中存在的溫度與折 射率的交叉敏感問題，結(jié)構(gòu)緊湊，并且無需級(jí)聯(lián)額外的光纖光柵，大大降低了傳感器成本， 易于空間多點(diǎn)分布的傳感測量。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步描述。如圖1所示，基于錐形腐蝕的溫度自補(bǔ)償FBG折射率傳感器，包括寬帶光源l、3dB 耦合器2、錐形腐蝕的光纖布拉格光柵3、光譜儀4。寬帶光源1的一端與3dB耦合器2的第 一個(gè)端口光連接，3dB耦合器2的第二個(gè)端口與錐形腐蝕的光纖布拉格光柵3 —端光連接， 3dB耦合器2的第三個(gè)端口與光譜儀4光連接。本實(shí)施方式的工作方式為寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)3dB耦合器入射進(jìn)錐形腐蝕的光 纖布拉格光柵，錐形腐蝕的光纖布拉格光柵反射光經(jīng)3dB耦合器傳輸進(jìn)入光譜儀。由于光 纖布拉格光柵的包層小于一定值時(shí)，其纖芯的有效折射率會(huì)受外界環(huán)境折射率的影響，呈 非線性關(guān)系，所以其反射波長會(huì)受外界環(huán)境的影響，并呈非線性關(guān)系。本發(fā)明由于將光纖腐 蝕成錐形，在用于液體折射率傳感測量時(shí)，其反射光譜將會(huì)展寬，形成一個(gè)寬帶光譜，光譜 的展寬程度與外界環(huán)境折射率呈類似指數(shù)的函數(shù)關(guān)系。由于錐形腐蝕后的光纖熱膨脹系數(shù)相同，寬帶光譜兩側(cè)對(duì)溫度的敏感程度相同， 所以當(dāng)外界溫度和折射率參數(shù)同時(shí)作用于錐形腐蝕的光纖布拉格光柵折射率傳感器造成 光譜漂移時(shí)，光譜兩側(cè)受溫度影響的漂移量是相同的，實(shí)現(xiàn)了溫度自補(bǔ)償。外界環(huán)境折射率 的變化對(duì)光譜3dB帶寬的影響是類似指數(shù)函數(shù)的，所以觀察整個(gè)光譜3dB帶寬的變化即可 實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境折射率的傳感測量；外界溫度變化對(duì)光譜長波一側(cè)的波長漂移的影響是線 性的，所以觀察寬帶光譜長波一側(cè)的波長變化可以實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境溫度的傳感測量。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)溫度和折射率同步測量、克服交叉敏感、提高精度的關(guān)鍵技術(shù) 為采用錐形腐蝕的光纖布拉格光柵。腐蝕后的光纖包層直徑最大值為40 μ m,包層直 徑最小值為9 μ m，錐形腐蝕處理后的FBG用于液體折射率傳感測量時(shí)，其反射光譜將會(huì)展 寬，形成一個(gè)寬帶光譜，光譜的展寬程度與外界環(huán)境折射率呈類似指數(shù)的函數(shù)關(guān)系。由于錐 形腐蝕后的光纖熱膨脹系數(shù)相同，寬帶光譜兩側(cè)對(duì)溫度的敏感程度相同，所以當(dāng)外界溫度和折射率參數(shù)同時(shí)作用于錐形腐蝕的光纖布拉格光柵折射率傳感器造成光譜漂移時(shí)，光譜 兩側(cè)受溫度影響的漂移量是相同的，實(shí)現(xiàn)了溫度自補(bǔ)償，觀察整個(gè)光譜3dB帶寬的變化即 可實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境折射率的傳感測量，觀察寬帶光譜長波一側(cè)的波長變化可以實(shí)現(xiàn)外界環(huán) 境溫度的傳感測量。 本實(shí)施例中的錐形腐蝕的FBG是SMF-28單模光纖布拉格光柵，纖芯直徑為 8. 3 μ m，包層直徑為125 μ m,數(shù)值孔徑為0. 14，錐形腐蝕的光纖布拉格光柵長度為20mm，光 纖錐形處的最大直徑為40 μ m,最小直徑為9 μ，包層直徑大于20 μ m的部分長度為5mm，包 層直徑小于20 μ m的部分長度為15mm。
權(quán)利要求
1.一種基于錐形腐蝕的溫度自補(bǔ)償FBG折射率傳感器包括寬帶光源、3dB耦合器、錐形 腐蝕的光纖布拉格光柵、光譜儀，其特征在于寬帶光源直接與3dB耦合器的第一個(gè)端口光連接，3dB耦合器的第二個(gè)端口與錐形腐 蝕的光纖布拉格光柵連接，3dB耦合器的第三個(gè)端口連接到光譜儀。
2.如權(quán)利要求1所述的錐形腐蝕的光纖布拉格光柵，其特征在于腐蝕成錐形，且光纖 錐形處的最大直徑為40 μ m,最小直徑為9 μ m,長度為20mm。
3.如權(quán)利要求1所述的錐形腐蝕的光纖布拉格光柵，其特征在于當(dāng)光纖的包層直徑減 小到某特定值(本發(fā)明中該值為20μπ )時(shí)，光纖布拉格光柵纖芯的有效折射率會(huì)隨外界環(huán) 境折射率呈單調(diào)非線性變化，對(duì)應(yīng)區(qū)域的光纖布拉格光柵波長也會(huì)發(fā)生變化。利用這一特 性，將光纖布拉格光柵的包層腐蝕成錐形，腐蝕后的光纖包層直徑最大值為40 μ m,包層直 徑最小值為9 μ m,錐形腐蝕處理后的FBG用于液體折射率傳感測量時(shí)，反射光譜將會(huì)展寬， 形成一個(gè)寬帶光譜，光譜的展寬程度與外界環(huán)境折射率呈類似指數(shù)的函數(shù)關(guān)系。由于錐形 腐蝕后的光纖熱膨脹系數(shù)相同，寬帶光譜兩側(cè)對(duì)溫度的敏感程度相同，所以當(dāng)外界溫度和 折射率參數(shù)同時(shí)作用于錐形腐蝕的光纖布拉格光柵折射率傳感器造成光譜漂移時(shí)，光譜兩 側(cè)受溫度影響的漂移量是相同的，實(shí)現(xiàn)了溫度自補(bǔ)償，觀察整個(gè)光譜3dB帶寬的變化即可 實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境折射率的傳感測量，觀察寬帶光譜長波一側(cè)的波長變化可以實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境 溫度的傳感測量。本發(fā)明有效解決了光纖光柵折射率傳感器中存在的溫度與折射率的交 叉敏感問題，結(jié)構(gòu)緊湊，并且無需級(jí)聯(lián)額外的光纖光柵，大大降低了傳感器成本，易于空間 多點(diǎn)分布的傳感測量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于錐形腐蝕的溫度自補(bǔ)償FBG折射率傳感器。本發(fā)明中寬帶光源直接與3dB耦合器的第一個(gè)端口光連接，3dB耦合器的第二個(gè)端口與錐形腐蝕的光纖布拉格光柵連接，3dB耦合器的第三個(gè)端口連接到光譜儀。本發(fā)明能夠有效解決折射率測量傳感技術(shù)中存在的物理參量之間交叉敏感問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度自補(bǔ)償?shù)恼凵渎蕚鞲袦y量，結(jié)構(gòu)緊湊，進(jìn)一步提高測量精度，對(duì)外界環(huán)境，比如光纖震動(dòng)有較強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)無需級(jí)聯(lián)額外的光纖光柵，大大降低了傳感器成本，易于多點(diǎn)分布的傳感測量。
文檔編號(hào)G02B6/02GK102147362SQ20101059521
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者倪凱, 周文俊, 姬崇軻, 張?jiān)谛? 董新永, 趙春柳, 金尚忠 申請(qǐng)人:中國計(jì)量學(xué)院