[發明專利]基于LPFG和FBG級聯結構的雙參數光纖傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 201711471458.5
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN108279029A
• 公開（公告）日: 2018-07-13
• 發明（設計）人: 張雯;祝連慶;董明利;婁小平;李紅;何巍;陳少華
• 申請（專利權）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 北京律恒立業知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11416
• 代理人: 顧珊;龐立巖

1.一種基于LPFG和FBG級聯結構的雙參數光纖傳感器，其特征在于，包括第一單模光纖和第二單模光纖，所述第一單模光纖包括LPFG結構，所述第二單模光纖包括FBG結構，所述第一單模光纖與第二單模光纖級聯連接。

2.根據權利要求1所述的雙參數光纖傳感器，其特征在于，所述LPFG結構的光柵周期為200μm。

3.根據權利要求1所述的雙參數光纖傳感器，其特征在于，所述FBG結構的光柵周期為200μm。

4.根據權利要求1所述的雙參數光纖傳感器，其特征在于，所述單模光纖采用SMF-28單模光纖。

5.根據權利要求1所述的雙參數光纖傳感器，其特征在于，所述LPFG為采用CO₂激光器進行刻寫制得，所述CO₂激光器的飛秒激光功率設為50μW，加工速度10m/s，光柵周期200μm，占空比為0.5。

6.根據權利要求1所述的雙參數光纖傳感器，其特征在于，所述雙參數光纖傳感器通過LPFG和FBG的波長變化值求解方程得到相應的溫度與應變，實現雙參數測量，具體過程如下：

LPFG的模式耦合是纖芯基模與同向包層模的耦合，其導模與某一包層模耦合的耦合波長為：

式中，λ_LPFG是LPFG的干涉條紋波長，n_eff和分別為導模和第p階包層模的有效折射率，Λ_LPFG為LPFG光柵周期；

當外界溫度為T時，低耦合強度的C+L波段的LPFG光譜干涉峰諧振波長的溫度靈敏度可表示為：

其中，Δm是光纖差分有效群折射率，是光纖纖芯與包層的有效折射率之差，n_co是光纖纖芯的有效折射率，α_T是光纖的熱膨脹系數；

FBG對于溫度單獨變化所引起的反射波長改變的溫度靈敏度為：

其中，λ_FBG是FBG的干涉條紋波長，ζ_T是光纖的熱光系數；

由公式與可知，當溫度單獨變化時，LPFG的溫度變化靈敏度仍包含有效折射率之差與外界溫度變化的微分量，故與相比于LPFG，FBG具有更高的溫度靈敏度；

當應變ε單獨變化時，引起的LPFG與FBG耦合波長偏移量分別為：

其中，n_FBG為FBG的有效折射率，ρ₁₁和ρ₁₂為光纖應力張量的分量，ν為泊松系數；

設外界溫度T和應變ε發生變化時，光纖LPFG和FBG的透射譜波長變化ΔλLPFG、ΔλFBG與溫度變化ΔT、應變變化Δε的相關關系可表述如下：

其中：K₁₁、K₁₂分別為LPFG的溫度靈敏系數、應變靈敏系數；K₂₁、K₂₂分別為FBG的溫度靈敏系數、應變靈敏系數；

由可得，LPFG與FBG的溫度、應變、波長漂移存在如下關系：

對求其逆矩陣，可得

即通過光譜儀監測透射譜波長變化，測得該光纖傳感器對溫度與應變變化的靈敏度，代入對外界環境溫度與應變進行監測，實現溫度與應變的雙參數測量。

7.根據權利要求1所述的雙參數光纖傳感器的制備方法，包括如下步驟：

步驟一：采用單模光纖，將光纖去除涂覆層，用酒精清潔，風干，夾至光纖夾具上；

步驟二：采用CO₂激光器將第一單模光纖進行刻寫，得到光柵周期為200μm的LPFG結構；

步驟三：采用CO₂激光器將第二單模光纖進行刻寫，得到FBG結構；

步驟四：采用熔接機將所述第一單模光纖和第二單模光纖進行級聯，得到本發明所述的雙參數光纖傳感器。

8.根據權利要求7所述的雙參數光纖傳感器的制備方法，其特征在于，所述單模光纖采用SMF-28單模光纖。

9.根據權利要求7所述的雙參數光纖傳感器的制備方法，其特征在于，所述CO₂激光器的飛秒激光功率設置為50μW，加工速度10m/s，光柵周期200μm，占空比為0.5。