一種液體折射率和溫度雙參量傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳感和生物化學(xué)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于彎曲光纖光柵（FBG) 的全光纖折射率和溫度雙參量傳感器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖傳感器因為具有體積小、靈敏度高、抗電磁干擾、傳感距離長等優(yōu)點，近年來 受到了廣泛的關(guān)注和研究。折射率和溫度作為液體的兩個重要參量，對其進行實時、準確的 同時測量在生物和化學(xué)等領(lǐng)域具有重要的意義。通常情況下，因FBG內(nèi)的模場被限制在纖 芯內(nèi)部，它對外界溫度的變化敏感但對折射率變化是不敏感的。為了實現(xiàn)FBG的折射率測 量，一種方法是利用酸性溶液對FBG的包層進行腐蝕，通過減小FBG的包層來使得纖芯模 場的倏逝場與外界液體相互作用，造成FBG反射波長隨外界液體折射率的變化漂移，通過 檢測FBG諧振波長的變化來對折射率進行傳感；另外一種方法是利用激光對FBG柵區(qū)包層 進行刻蝕，形成D型橫截面的結(jié)構(gòu)，同樣可使倏逝場與外界液體接觸，從而實現(xiàn)折射率的測 量。然而在這些現(xiàn)有的傳感器的制作過程中，或者需要危險、復(fù)雜的腐蝕過程或者需要特殊 的光纖刻蝕設(shè)備和技術(shù)，這些都增加了傳感器的制作難度和成本，阻礙了此類傳感器的實 用化。因此，制作結(jié)構(gòu)簡單、制作容易、成本低廉的FBG雙參量光纖傳感器顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述的現(xiàn)有技術(shù)及存在的問題，本發(fā)明提出了一種液體折射率和溫度雙參量 傳感器及其制作方法，通過監(jiān)測透射譜中兩個波谷中心波長的變化來對外界液體的折射率 和溫度進行同時測量。
[0004] 本發(fā)明提出了一種液體折射率和溫度雙參量傳感器，該傳感器包括輸入光纖1、輸 出光纖2、毛細管4和水滴狀彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)6,輸入光纖1、輸出光纖2分別焊接在水滴 狀彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)6的兩端，輸入光纖1、輸出光纖2從毛細管4同一側(cè)穿出，水滴狀彎 曲光纖光柵結(jié)構(gòu)6靠近毛細管4,水滴狀彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)6靠近毛細管4 一側(cè)與毛細管4 固定；彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)6包括一段被去除涂覆層的光纖布拉格光柵5 ;
[0005] 該傳感器基于所述光纖布拉格光柵5透射波谷與所述水滴狀彎曲光纖結(jié)構(gòu)6造成 的干涉波谷對溫度和折射率的不同響應(yīng)實現(xiàn)折射率和溫度雙參量測量。
[0006] 本發(fā)明還提出了一種液體折射率和溫度雙參量傳感器制作方法，該方法包括以下 步驟：
[0007] 將彎曲光纖光柵柵區(qū)的涂覆層剝除并用酒精進行清潔，作為光纖布拉格光柵5; 將焊接在彎曲光纖光柵兩端的輸入光纖1、輸出光纖2從毛細管同一側(cè)穿過，輸入光纖1接 寬帶光源，輸出光纖2接光譜儀實時監(jiān)測透射譜，向彎曲光纖光柵端滑動毛細管，在彎曲光 纖光柵區(qū)域形成水滴狀彎曲光纖結(jié)構(gòu)6,同時觀察透射譜，至產(chǎn)生明顯的干涉波谷；最后在 毛細管4靠近彎曲光纖光柵一側(cè)點膠固定。
[0008] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡單、成本低、靈敏度高等優(yōu) 點。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明的液體折射率和溫度雙參量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010] 圖2是傳感器處于外界折射率為1. 0和溫度為20°C的環(huán)境下的透射譜示意圖；
[0011] 圖3是傳感器的透射譜隨外界溫度的變化情況示意圖；
[0012] 圖4是波谷1和波谷2的中心波長隨外界溫度的變化情況示意圖；
[0013] 圖5是傳感器的透射譜隨外界折射率的變化情況示意圖；
[0014] 圖6是波谷1和波谷2的中心波長隨外界折射率的變化情況示意圖；
[0015] 附圖標記：1、輸入光纖，2、輸出光纖，3、固定膠，4、毛細管，5、光纖布拉格光柵 (FBG) ;6、彎曲光纖（FBG)光柵結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0016] 以下結(jié)合附圖及【具體實施方式】，進一步詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0017] 下面結(jié)合附圖和實施例來對本發(fā)明做進一步的說明：
[0018] 如圖1所示，本發(fā)明的傳感器主要由輸入光纖1、輸出光纖2、毛細管4和彎曲光纖 光柵（FBG)結(jié)構(gòu)5構(gòu)成，其中輸入光纖1、輸出光纖2分別焊接在彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)5的兩 端，輸入光纖1、輸出光纖2從毛細管4穿出，直至彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)5靠近毛細管4,水滴 狀的彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)5靠近毛細管4 一側(cè)與由固定膠3與毛細管4固定，彎曲光纖光柵 結(jié)構(gòu)5包括一段被去除涂覆層的光纖布拉格光柵。
[0019] 本例中所用的為普通的商品化的FBG，其輸入光纖1、輸出光纖2為標準單模光纖 (CorningSMF-28);固定膠3采用紫外固化膠；毛細管4為內(nèi)徑為0. 5_長度為3_的玻璃 管；彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)5中被去除涂覆層的光纖光柵（包括FBG的柵區(qū)）的長度為25mm，水 滴狀結(jié)構(gòu)的曲率半徑為4.5mm。FBG是FiberBraggGrating的縮寫，即光纖布拉格光柵。
[0020] 該傳感器的具體的制作過程為：首先，將彎曲光纖光柵FBG柵區(qū)的涂覆層剝除并 用酒精進行清潔；將焊接在FBG兩端的輸入光纖1、輸出光纖2從毛細管同一側(cè)穿過，輸入 光纖1與接寬帶光源，輸出光纖2接光譜儀實時監(jiān)測透射譜，向FBG端滑動毛細管，在FBG 區(qū)域形成水滴狀結(jié)構(gòu)，同時觀察透射譜，至產(chǎn)生明顯的干涉波谷；最后在毛細管靠近FBG- 側(cè)點膠固定。（3)通過實驗分別標定FBG透射波谷和彎曲結(jié)構(gòu)干涉波谷對折射率和溫度變 化的響應(yīng)曲線。標定后的傳感器即可用來對外界折射率和溫度的進行同時測量。
[0021] 本發(fā)明的傳感器可以看作是一個FBG和一個呈水滴狀彎曲結(jié)構(gòu)（如圖1所示）的 組合。對于一個寬帶輸入光信號，輸出光譜是FBG和彎曲結(jié)構(gòu)透射譜的疊加。為了便于分 析可將二者分開討論：
[0022] (1)、對于FBG，由于在布拉格波長處前向傳輸?shù)睦w芯模式幾乎被全部親合進后向 傳輸?shù)睦w芯模式中，因此其透射譜表現(xiàn)為在布拉格波長處形成一個尖銳的波谷；
[0023] (2)、對于一個水滴狀的彎曲結(jié)構(gòu)，由于光纖的彎曲導(dǎo)致一部分纖芯模式進入包 層，在包層與外界分界面又發(fā)生反射，從而形成回音壁模式，該模式在彎曲部分傳輸時部分 耦合回纖芯，在輸出光纖處纖芯模與回音壁模式之間發(fā)生干涉，在輸出譜上形成一到多個 較寬的波谷；
[0024]綜上所述，本發(fā)明的傳感器的透射譜上會出現(xiàn)兩類波谷：一類由FBG引起，一類由 水滴狀彎曲結(jié)構(gòu)引起。這兩類波谷的中心波長均會隨著外界折射率或溫度的變化而線性變 化，但是其斜率不同，因此經(jīng)過標定后，通過同時監(jiān)測兩類波谷中心波長的變化，對外界的 折射率和溫度進行同時測量。
[0025]如圖2所示，可以看到，1539. 2nm處的細銳的波谷（波谷1)是FBG引起的，另外兩 個較寬的波谷則是因彎曲結(jié)構(gòu)引起。選取圖中所示的波谷1和波谷2作為監(jiān)測對象，分別 測量它們的中心波長隨溫度和折射率的變化，對傳感器進行標定。
[0026] 如圖3所示，在外界折射率保持為1. 0時，波谷1和波谷2的中心波長都隨著溫度 的增大向長波方向移動，但移動的幅度不同。
[0027]如圖4所示，可見波谷1和波谷2二者的中心波長隨溫度線性變化，曲線的斜率代 表相應(yīng)中心波長對溫度變化的靈敏度?？梢钥闯?，該樣品傳感器FBG和水滴狀彎曲結(jié)構(gòu)產(chǎn) 生的透射谷中心波長對外界溫度變化的靈敏度分別為9. 8pm/°C和31. 7pm/°C;y為應(yīng)變量， 表示波谷的中心波長的變化量。圖中，X為自變量，表示外界溫度的大?。籖表示線性擬合的 擬合系數(shù)。
[0028] 如圖5所示的是外界溫度保持20°C，傳感器的透射譜隨外界折射率的變化情況。 可以看出，波谷1和波谷2的中心波長都隨著外界折射率的增大向長波方向移動。
[0029] 如圖6所示為波谷1和波谷2的中心波長隨外界折射率的變化曲線，均呈良好的 線性關(guān)系。擬合結(jié)果表明FBG和彎曲結(jié)構(gòu)對于的波谷中心波長對外界折射率變化的靈敏度 分別為〇. 5050nm/RIU和165. 9276nm/RIU(RIU為單位折射率）。圖中，y為應(yīng)變量，表示波 谷的中心波長的變化量；X為自變量，表示外界折射率的大??；R表示線性相關(guān)系數(shù)。
[0030] 在對此傳感器進行標定后，傳感器兩個波谷對溫度和折射率變化的響應(yīng)可以表示 為如下矩陣形式：
[0031]
[0032] 其中ΛΤ和Δη表示外界溫度和折射率的變化量，Δλ挪Δλ2分別表示波谷1 和波谷2的中心波長的變化量。公式中的數(shù)字就是以上述標定過程確定的靈敏度參量。根 據(jù)上式，只要測得兩個波谷中心波長的變化量，即可計算出相應(yīng)的溫度和折射率的變化量， 從而實現(xiàn)了對溫度和折射率的同時測量。
[0033]綜上可以看出，本發(fā)明中的傳感器具有同時對折射率和溫度測量的能力，且此傳 感器具有制作成本低、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、靈敏度高等優(yōu)點。
【主權(quán)項】
1. 一種液體折射率和溫度雙參量傳感器，其特征在于，該傳感器包括輸入光纖（I)、輸 出光纖（2)、毛細管⑷和水滴狀彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)（6)，輸入光纖（1)、輸出光纖⑵分別 焊接在水滴狀彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)(6)的兩端，輸入光纖（1)、輸出光纖（2)從毛細管（4)同 一側(cè)穿出，水滴狀彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)（5)靠近毛細管（4)，水滴狀彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)（5)靠 近毛細管（4) 一側(cè)與毛細管（4)固定；彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)（6)包括一段被去除涂覆層的光 纖布拉格光柵（5); 該傳感器基于所述光纖布拉格光柵（5)透射波谷與所述水滴狀彎曲光纖結(jié)構(gòu)（6)造成 的干涉波谷對溫度和折射率的不同響應(yīng)，實現(xiàn)折射率和溫度雙參量測量。2. -種液體折射率和溫度雙參量傳感器制作方法，其特征在于，該方法包括以下步 驟： 將彎曲光纖光柵柵區(qū)的涂覆層剝除并用酒精進行清潔，作為光纖布拉格光柵（5);將 焊接在彎曲光纖光柵兩端的輸入光纖（1)、輸出光纖（2)從毛細管（4)同一側(cè)穿過，輸入光 纖（1)接寬帶光源，輸出光纖（2)接光譜儀實時監(jiān)測透射譜，向彎曲光纖光柵端滑動毛細管 (4)，造成光纖光柵（5)彎曲，形成水滴狀彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)（6)，同時觀察透射譜，至產(chǎn)生 明顯的干涉波谷；最后在毛細管（4)靠近彎曲光纖光柵一側(cè)點膠固定。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種液體折射率和溫度雙參量傳感器及其制作方法，包括輸入光纖、輸出光纖、毛細管和水滴狀彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)，輸入光纖、輸出光纖分別焊接在水滴狀彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)的兩端，輸入光纖、輸出光纖從毛細管同一側(cè)穿出，水滴狀彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)靠近毛細管，水滴狀彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)靠近毛細管一側(cè)與毛細管固定；彎曲光纖光柵結(jié)構(gòu)包括一段被去除涂覆層的光纖布拉格光柵；基于所述光纖布拉格光柵透射波谷與所述水滴狀彎曲光纖結(jié)構(gòu)造成的干涉波谷對溫度和折射率的不同響應(yīng)，實現(xiàn)折射率和溫度雙參量測量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡單、成本低、靈敏度高等優(yōu)點。
【IPC分類】G01K11/32, G01N21/59
【公開號】CN105241848
【申請?zhí)枴緾N201510621160
【發(fā)明人】韓群, 劉鐵根, 陳耀飛, 劉芳超, 姚蘊秩
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年9月23日