[發明專利]同時測量長周期光纖光柵溫度與應變的傳感器結構

有效

• 申請號: 201010580482.4
• 申請日: 2010-12-09
• 公開（公告）號: CN102162753A
• 公開（公告）日: 2011-08-24
• 發明（設計）人: 饒云江;汪文華;湯偉鋒
• 申請（專利權）人: 無錫成電光纖傳感科技有限公司
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32;G01B11/16;G01D5/32
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 馮鐵惠

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及利用一對不同周期的長周期光纖光柵作傳感器同時測量溫度和應變兩個參量的傳感器結構。

背景技術

長周期光纖光柵(LPFG)是一種能將特定波長的光耦合到包層的帶阻型光纖濾波器，它的諧振波長會隨著外界環境的溫度、應變、折射率等參量的變化而變化，根據這一原理，可以通過測量LPFG的諧振波長的變化來實現對外界環境物理量變化的測量。由于LPFG相比與光纖布拉格光柵(FBG)來說，對許多外界物理量的變化更敏感，而且LPFG能耐更高的溫度，因此其在光纖傳感方面有著很大的應用前景。

在溫度和應變同時測量領域，H.J.Patrick等人發布論文(IEEE?Photon.Tech.Lett.，1996，Vol.8，No.9，pp.1223-1225)提出了應變和溫度同時測量方案，但此方案需要光纖布拉格光柵和長周期光纖光柵的組合，以致傳感器成本較高，體積較大，不利于集成。江建，饒云江等發表論文(光學學報，2003，32(9)：1063～1066)提出應有LPFG/EFPI集成式光纖傳感器實現溫度及應變的同時測量。李愛群等(ZL?200910026403)提出的光學光柵應變、溫度同時測量傳感器是將兩個光纖光柵封裝在特殊結構中，導致傳感器成本較高，加工不便。

光纖光柵傳感器中，溫度與應變交叉敏感的存在嚴重影響了測量的精度，因此研究只對某一物理量變化敏感而對其他物理量變化不敏感的光纖光柵傳感器有著重要的意義。利用這種光纖光柵傳感器與普通光纖光柵傳感器的結合就可以實現多參數的精確測量。

發明內容

本發明的目的是提供一對長周期光纖光柵傳感器，利用其中一個LPFG(長周期光纖光柵)對應變不敏感而對溫度敏感，另一個LPFG對溫度和應變均敏感的特點，來實現對溫度和應變的同時測量。并且由于該傳感器是由兩個LPFG級聯而成，LPFG本身具有耐高溫的特性，具有在750℃高溫下正常工作的能力。

為實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現：

同時測量長周期光纖光柵溫度與應變的傳感器結構，選用高頻CO₂激光脈沖在光纖中寫入的不同周期的一對長周期光纖光柵，分別為一個只對溫度變化敏感的長周期光纖光柵，和一個對溫度和應變變化均敏感的長周期光纖光柵，將兩個長周期光纖光柵進行級聯使用，可以準確測出溫度和應變各自的變化。

所選用的光纖為帶納米環結構的抗彎單模光纖。

寫入的長周期光纖光柵具有以下特征：特定周期范圍內的長周期光纖光柵的諧振波長對溫度敏感而對應變不敏感；一般周期范圍內的長周期光纖光柵的諧振波長對溫度和應變同時敏感。

該傳感器具有在環境溫度高達750℃時仍能正常工作的能力。

該傳感器具有加工簡單的特點，除一般性的保護封裝外無需隔離溫度、隔離應力等附加的封裝過程。

本發明是采用兩個級聯的不同周期的長周期光纖光柵來感知外界環境溫度和應變的變化，其中LPFG1只對溫度敏感，即其諧振波長的變化(Δλ_res)只與溫度變化(ΔT)有關，可用下式表示：

Δλ_res-LPFG1＝A*ΔT????(1)

LPFG2則對溫度和應變變化(Δμε微應變)均敏感，諧振波長的變化可以表示為：

Δλ_res-LPFG2＝B*ΔT+C*Δμε????(2)

方程(1)和(2)中，系數A、B、C為長周期光纖光柵諧振波長隨溫度和應變變化的系數，聯立方程(1)和(2)就可以解出溫度和應變的變化量。

本發明中所述的長周期光纖光柵是利用高頻CO₂激光器在康寧公司于2009年推出的一種新型帶納米環結構的抗彎單模光纖上寫入的，這兩個長周期光纖光柵具有不同的周期，并且它們的周期位于同一個區間，處于同一區間的長周期光纖光柵其諧振波長隨溫度及應變變化的性質相同。

本發明的突出優點是：用一個特定周期的長周期光纖光柵只對溫度變化敏感的特性測量溫度變化，用另一個長周期光纖光柵測量溫度和應變的變化，從而實現溫度和應變雙參數的測量，給出了解決溫度應變交叉敏感的一種方案。同時該型傳感器具有在750℃高溫下正常工作的能力，并且不需要特殊封裝。

附圖說明

圖1是本發明采用的傳感器結構示意圖；

圖2是本發明中長周期光纖光柵寫入方法；

圖3是周期Λ＝470μm的光柵的應變特性；

圖4是周期Λ＝470μm的光柵的溫度特性曲線；

圖5是周期Λ＝295μm的光柵的應變特性曲線；