[發明專利]基于長周期光纖光柵的溫度和葡萄糖濃度雙參數傳感的測量葡萄糖濃度的方法

有效

• 申請號: 201711323426.0
• 申請日: 2017-12-13
• 公開（公告）號: CN108107021B
• 公開（公告）日: 2019-11-22
• 發明（設計）人: 祝連慶;劉小龍;婁小平;董明利;陳少華;張雯;何巍
• 申請（專利權）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45;G01N21/25;G01K11/32
• 代理公司: 11416 北京律恒立業知識產權代理事務所(特殊普通合伙)
• 代理人: 顧珊;龐立巖<國際申請>=<國際公布>=

1.一種基于長周期光纖光柵的溫度和葡萄糖濃度雙參數傳感的測量葡萄糖濃度的方法，包括如下步驟：

S1：利用飛秒激光器的飛秒激光在單模光纖上逐點刻寫長周期光纖光柵；

S2：利用飛秒激光能量聚焦的方式在光纖端面刻寫微孔，通過熔接的方式，獲得空腔結構；

S3：將長周期光纖光柵放入不同濃度的葡萄糖溶液中，采用ASE寬帶光源照射長周期光纖光柵；

S4：通過光譜儀接收并分析長周期光纖光柵的透射譜，從而實現同時對葡萄糖溶液濃度和溫度的測量，所述長周期光纖光柵的諧振波長以及空腔結構的諧振波長分別與溫度和待測溶液濃度的關系的計算過程具體如下：

由長周期光纖光柵的諧振波長可表示為：

其中，為纖芯導模有效折射率，為包層模有效折射率，由于長周期光纖光柵的透射波長只與溫度和溶液濃度有關，則長周期光纖光柵諧振波長λ₁，可表示為溫度和折射率n的函數：

λ₁＝λ(T,n) (2)

而空腔結構的諧振波長為：

由(3)式可得，諧振波長與溫度和待測溶液折射率的關系分別為：

其中，L為空腔的長度，α為熱膨脹系數，ξ為熱光系數，n_a為空腔折射率，n_c為包層折射率；

則空腔結構的諧振波長也與溫度和折射率有關，即：

λ₂＝λ(T,n) (6)

再將折射率換為待測液濃度，就可以同時測得葡萄液濃度和溫度；

對(2)式或(6)式進行泰勒展開，略去高階項可得：

其中(T₀,n₀)為參考量，ΔT和Δn是相對變量，則為溫度靈敏度K_T，為折射率的靈敏度K_n，為溫度與折射率交叉靈敏度K_n-T，則上式可以變為：

Δλ＝K_TΔT+K_nΔn+K_n-TΔTΔn (8)

通過透射譜的兩個衰減峰的偏移量Δλ₁和Δλ₂和列二維矩陣可以測得葡萄糖濃度和溫度；

其中，j₁、j₂分別代表一號衰減峰和二號衰減峰的溫度靈敏度，k₁、k₂分別代表一號衰減峰和二號衰減峰的折射率靈敏度；通過測得兩衰減峰分別對溫度和折射率的靈敏度就可以測得葡萄糖濃度和溫度。

2.根據權利要求1所述的測量方法，其特征在于，在S1中，所述飛秒激光器的中心波長為800nm，脈沖寬度為200fs，最大能量為4μJ，脈沖重復頻率為250kHz。

3.根據權利要求1或2所述的測量方法，其特征在于，在S1中，所述飛秒激光器為美國IMRA公司Femtolite系列激光器。

4.根據權利要求1所述的測量方法，其特征在于，在S1中，所述單模光纖采用美國康寧SMF28單模光纖。

5.根據權利要求1所述的測量方法，其特征在于，在S2中，所述飛秒激光器的飛秒激光脈沖寬度調制為120fs，重復頻率采用1kHz，采用3μJ的能量聚焦切割單模光纖，在切割的纖維底端的中心處形成直徑為12μm，深度為25μm的微孔，將纖維頭與微孔熔接，從而產生內部空腔結構。

6.根據權利要求1所述的測量方法，其特征在于，在S3中，所述光譜儀測量的波長1200～2400nm，分辨率可達到0.05nm。

7.根據權利要求1或6所述的測量方法，其特征在于，所述光譜儀采用YOKOGAWA光譜分析儀，型號為AQ6375。