阅读说明：本技术 一种三参量同时区分测量光纤传感器件的制备方法及应用 (Preparation method and application of optical fiber sensing device capable of simultaneously distinguishing and measuring three parameters ) 是由 刘颖刚 杨丹青 王钰玺 张庭 于 2019-08-07 设计创作，主要内容包括：一种三参量同时区分测量光纤传感器制备方法及应用,一段采用193nm准分子激光器刻写的栅区总长度约为15mm的标准单模光纤布拉格光栅被光纤切刀在栅区被切断分为两小段,导致均匀折射率调制的光栅被破坏；将两小段光栅分别固定在熔接机的左右两个光纤固定夹上,然后通过熔接机手动调节模式对齐两段光栅并调整至合适间距；另取一段光纤,将其末端剥去一段距离涂覆层并用酒精擦洗干净,然后蘸取一小滴感光胶使其滴在固定好的两段光栅的缝隙中；使用紫外固化灯照射感光胶,使感光胶固化形成感光胶腔,而引入结构相移。本发明根据结构相移的光谱特点可有效实现温度、压强和折射率的区分测量,此方法操作工艺简单、成本较低。(A three-parameter simultaneous differential measurement optical fiber sensor preparation method and application, a section of standard single mode fiber Bragg grating with the total length of a grid region about 15mm, which is inscribed by 193nm excimer laser, is cut into two small sections in the grid region by an optical fiber cutter, so that the grating with uniform refractive index modulation is damaged; respectively fixing two small sections of gratings on a left optical fiber fixing clamp and a right optical fiber fixing clamp of a fusion splicer, and aligning the two sections of gratings in a manual adjusting mode of the fusion splicer and adjusting the two sections of gratings to a proper interval; another section of optical fiber is taken, the tail end of the optical fiber is stripped off a distance coating layer and cleaned by alcohol, and then a small drop of photosensitive glue is dipped and dropped into the gap between the two fixed sections of optical gratings; and irradiating the photosensitive glue by using an ultraviolet curing lamp to cure the photosensitive glue to form a photosensitive glue cavity, thereby introducing structural phase shift. The invention can effectively realize the distinguishing measurement of temperature, pressure and refractive index according to the spectral characteristics of the structural phase shift, and the method has simple operation process and lower cost.)

一种三参量同时区分测量光纤传感器件的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及光纤传感器件技术领域，特别涉及一种三参量同时区分测量光纤传感器制备方法及应用。

背景技术

将光纤用作传感器件时，它可以直接或间接的测量多个物理量，譬如拉力、压 强、温度、折射率、湿度等等。但是，随着周围环境的日益复杂多变，对单一物理 量的变化的检测已经不能满足人们的测量需求。因此，设计并制作一种可以实现多 参量、多功能的传感器件已经成为光纤传感技术的研究热点。

基于光学干涉原理制作的干涉型光纤传感器，特别是光纤法布里－珀罗干涉仪(FPI)，因其结构灵活多样、高反射率、低损耗等优点被广泛的应用于光纤传感检 测等领域。制作光纤干涉型法布里－珀罗结构的方式类型可分为:全光纤F-P腔结构 的本征型干涉仪(IFPI)和借助其他材料或物体(如毛细管、陶瓷套芯等)构成F-P 腔结构的非本征型干涉仪(EFPI)。目前，利用基于全光纤的FPI和光纤光栅的集 成结构传感器来实现温度与压强、温度与折射率、温度与位移、温度与湿度等的双 参量同时区分测量的技术已经非常成熟，但是其响应灵敏度也仅限于光纤水平，且 制作成本较高。以上这些双参量区分测量的原理多是采用温度补偿法，即集成传感 器中的结构——光纤光栅，对压强、折射率等不敏感，在测量时可以用作温度补偿。 同时，双或多参量区分测量，交叉敏感效应又是一个本征问题。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种三参量同时区分测量光纤传感器制备方法及应用，通过在光纤光栅中间位置使用感光胶制作F-P腔，引入结 构相移，根据结构相移的光谱特点可有效实现温度、压强和折射率的区分测量，此 方法操作工艺简单、成本较低。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种三参量同时区分测量光纤传感器的制备方法，包括以下步骤；

步骤一：将一段采用193nm准分子激光器刻写的栅区总长度为15mm的标准单模 光纤布拉格光栅以光纤切刀在栅区切断分为两小段，导致均匀折射率调制的光栅被 破坏；

步骤二：将两小段光栅分别固定在熔接机的左右两个光纤固定夹上，然后通过 熔接机手动调节模式对齐两段光栅，并调整间距为50到100um以便得到较好的干涉 谱图；

步骤三：另取一段光纤，将其末端剥去一段距离涂覆层并用酒精擦洗干净，然 后蘸取一小滴感光胶使其滴在固定好的两段光栅(如步骤二所述)的缝隙中；

步骤四：使用紫外固化灯照射感光胶，使感光胶固化形成感光胶腔，从而引入 结构相移，得到了一种基于非本征FPI和相移光栅的集成传感器。

所述的紫外固化灯照射感光胶5分钟，以提高感光胶腔的强度。

所述的光纤切刀在栅区大约中间位置被切断分为两小段。

一种三参量同时区分测量光纤传感器的应用，本装置应用于对温度、压强和折 射率这三个参量的同时区分测量；

所述的光纤传感器有两个反射面，分别为反射面1与反射面2，都是光纤与感光 胶的交界面，入射光经过光纤光栅被部分反射，剩余的光继续向前传播,到达反射面1再次被反射部分，剩余的光继续向前传播然后通过折射率约为1.5、长度约为57um 的感光胶腔被反射面2反射部分光，剩余光继续向前传播而在此被光纤光栅部分反 射，光经过密闭EFPI两个反射面反射后,由于不同光程差引起的相位延迟不同，在 输出端产生干涉图样，由于反射面反射率较低，可以忽略多光束反射，因此，输出 光强近似为在这两个腔中形成的干涉，输出光强度为：

其中,I为输出光强；I₁和I₂分别为入射光在密闭EFPI腔体端面处的反射光强；

为干涉的初始相位；n为密闭EFPI腔的折射率；λ为光学波长；L为密闭EFPI的腔 长，因此，腔体的光学长度可以计算为:

式中，λ₁和λ₂为密闭EFPI干涉光谱中相邻两个波谷的波长，密闭EFPI谱中的自 由光谱范围(FSR)可以表示为：

传输矩阵法被广泛应用于相移光纤光栅等非均匀光纤光栅的光波场计算,因此采用该方法对通过在栅区制作密闭EFPI而引入的结构相移的过程中的光谱特性进行 分析.由于引入结构相移时,相位相对延迟,需在光栅相移前加入负号,相移矩阵为：

式中

表示相移量的大小；

通过测量密闭EFPI光谱的波长漂移(Δλ_EFPI)、结构相移光谱的功率变化(ΔK_PS)和波长漂移(Δλ_PS)，可以利用灵敏度系数矩阵实现对温度、压强和折射率这三个参 量的同时区分测量，设温度、压强和折射率的变化量为ΔT,ΔP和Δn,则其灵敏度 矩阵可表示为：

式中，S_1n、S_1T和S_1P为密闭EFPI波长漂移随折射率、温度、压力变化的灵敏 度；S_2n、S_2T和S_2P为结构相移波长漂移随被测量变化的灵敏度；，S_3n、S_3T和S_3P为 结构相移功率漂移随测量值变化的灵敏度。通过矩阵的逆运算可以得到被测量的三 个物理量的变化量为：

式中

是灵敏度系数矩阵的行列式；

将以上实验测量结果代入式(6)，可以得到：

至此，可以有效实现对温度、压强和折射率这三个参量的同时区分测量。

本发明的有益效果：

第一，本发明制作的密闭EFPI是使用感光胶固化形成的，突破了光纤传感器灵 敏度仅局限于光纤的问题；第二，通过在栅区制备EFPI结构而引入结构相移，为相 移光栅的制作提出了一种新思路；第三，F-P腔长是通过调整固定在熔接机固定夹左 右两端的两小段光栅之间的缝隙确定的，所以其腔体长度可灵活、精确的控制。第 四，可以实现温度、压强和折射率三参量的同时区分测量并且灵敏度高、成本低廉， 在光纤传感检测领域具有很重要的研究意义。

附图说明

图1是一根标准单模光纤光栅大约在栅区中间位置被切断示意图。

图2是将被切断的两段光栅固定在熔接机的光纤固定夹上的示意图。

图3是另取一根单模光纤并蘸取感光胶滴在两段光栅缝隙的示意图。

图4是使用紫外固化灯照射固化两段光栅缝隙的感光胶的示意图。

图5是集成传感器的显微图像。

图6是集成传感器测量实验装置的示意图。

图7是集成传感器对温度的响应光谱图。

图8是25℃时放大的结构相移光栅的反射光谱图。

图9是40℃时放大的结构相移光栅的反射光谱图。

图10是50℃时放大的结构相移光栅的反射光谱图。

图11是密闭EFPI波长漂移随温度变化的线性拟合曲线图。

图12是结构相移波长漂移随温度变化的线性拟合曲线图。

图13是结构相移功率漂移随温度变化的线性拟合曲线图。

图14是集成传感器对压强的响应光谱图。

图15是增加压强时放大的结构相移光栅的反射光谱图。

图16是密闭EFPI波长漂移随压强变化的线性拟合曲线图。

图17是集成传感器对折射率的响应光谱图。

图18是折射率为1.3342时放大的结构相移光栅的反射光谱图。

图19是折射率为1.3388时放大的结构相移光栅的反射光谱图。

图20是折射率为1.3478时放大的结构相移光栅的反射光谱图。

图21是密闭EFPI波长漂移随折射率变化的线性拟合曲线图。

图22是结构相移光栅功率漂移随折射率变化的线性拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

传感器制备的技术方案包括以下四个步骤：

步骤一：一段采用193nm准分子激光器刻写的栅区总长度约为15mm的标准单模 光纤布拉格光栅被光纤切刀(FITEL S326)在栅区大约中间位置被切断分为两小段， 导致均匀折射率调制的光栅被破坏，如图1所示。；

步骤二：将两小段光栅分别固定在熔接机(古河FITELS177)的左右两个光纤 固定夹上，然后通过熔接机手动调节模式对齐两段光栅并调整至合适间距。因为FPI 自由普范围与腔长成反比，所以较小的腔体长度约为L＝57um被调节确定，如图2所 示；

步骤三：另取一段光纤，将其末端剥去一段距离涂覆层并用酒精擦洗干净，然 后蘸取一小滴感光胶(AUSBONDA332)使其滴在固定好的两段光栅(如步骤二所述)的 缝隙中，如图3所示；

步骤四：使用紫外固化灯照射感光胶约5分钟，使感光胶固化形成感光胶腔， 而引入结构相移，如图4所示。图8所示为在光学显微镜下看到的集成传感器的显 微图，在图中结构相移图像是不可见的。

本发明提出一种三参量同时区分测量光纤传感器制备方法。所用的光纤为普通标准单模光纤；写栅设备为193nm准分子激光器；熔接机的作用是对齐被切断的两 小段光栅以及调整确定F-P腔体长度，起微位移调节平台的作用而不做熔接光纤光 栅使用；实验中制作密闭EFPI的是高透明、高强度的感光胶AUSBONDA332；实验中解 调设备是SM125解调仪，是微米光学国际公司生产。

全光纤型FPI的灵敏度局限于光纤水平，因此，本发明通过固化感光胶形成EFPI，可以有效提高光纤F-P腔的测量灵敏度；本发明中的EFPI是在折射率均匀调制的光 纤光栅的栅区大约中间位置制作的，打破了光栅的均匀折射率调制而引入结构相移， 这对相移光栅的研究制作具有一定的意义；本发明制备的光纤传感器成本低廉，但 制作出的传感光谱质量高，与标准F-P腔光谱相当；发明给出了栅区制作EFPI集成 光纤传感器制备技术，并初步对温度、压强和折射率进行的较高灵敏度测试，进而 实现对这三个物理量的同时区分测量，这对较高灵敏度的可实现三参量同时区分测 量的光纤传感器件的研制提供一定的技术支持。

本发明提出的集成传感器的制备过程中特别需要注意的是：①感光胶具有高透明度，即较高的反射率，因此为了成功的引入较好的结构相移光谱，光栅应在栅区 大约中间位置被切断制作感光胶腔；②感光胶尽管可快速固化，但是为了提高其固 化强度，可适当增加固化时间，约5分钟左右；③通过熔接机手动调节模式调节被 切断的两段光栅间的缝隙距离即腔体长度时，在可获得F-P干涉谱的前提下，间距 不宜过长，以免损坏感光胶腔；

传感原理与区分测量：

传感器工作基本原理是由于外界环境参数变化，譬如温度、压强和折射率等物 理参量的改变，促使密闭EFPI腔长发生改变，进而影响结构相移的相移点位置或相 移量的大小发生变化，最后结果如实验光谱所反应的密闭EFPI的反射光谱产生漂移， 且结构相移的波长和功率也产生一定的线性变化，达到传感作用并实现三参量区分 测量。

本发明制备出的集成光纤传感器，是将一段完整的光纤光栅在栅区大约中间位置被切断分为两小段光栅后，被固定在熔接机上且通过手动调节模式可方便控制两 小段光栅之间的缝隙即腔长，从而实现实验所需要的自由谱个数，用感光胶填充此 缝隙固化后形成了密闭EFPI。

以下实验室数据全部建立在如图5所示的传感器之上，

该光纤传感器有两个反射面，都是光纤与感光胶的交界面。入射光经过光纤光 栅被部分反射，剩余的光继续向前传播,到达反射面1再次被反射部分，剩余的光继 续向前传播然后通过折射率约为1.5、长度约为57um的感光胶腔被反射面2反射部 分光，剩余光继续向前传播而在此被光纤光栅部分反射。光经过密闭EFPI两个反射 面反射后,由于不同光程差引起的相位延迟不同，在输出端产生干涉图样。由于反 射面反射率较低，可以忽略多光束反射。因此,输出光强近似为在这两个腔中形成的 干涉，输出光强度为：

其中,I为输出光强；I₁和I₂分别为入射光在密闭EFPI腔体端面处的反射光强；

为干涉的初始相位；n为密闭EFPI腔的折射率；λ为光学波长；L为密闭EFPI的腔 长。因此，腔体的光学长度可以计算为:

式中，λ₁和λ₂为密闭EFPI干涉光谱中相邻两个波谷的波长。密闭EFPI谱中的自 由光谱范围(FSR)可以表示为：

传输矩阵法被广泛应用于相移光纤光栅等非均匀光纤光栅的光波场计算,因此采用该方法对通过在栅区制作密闭EFPI而引入的结构相移的过程中的光谱特性进行 分析.由于引入结构相移时,相位相对延迟,需在光栅相移前加入负号,相移矩阵为：

式中

表示相移量的大小。

集成传感器测量装置如图6所示，测量精度为1pm的SM125解调仪一端连接计 算机，另一端连接传感器。当将传感器置于不同的测量环境时，其光谱变化可通过 计算机获取。

图10是传感器在常压下，温度变化为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃和50℃ 的反射谱，其中密闭EFPI光谱的红移可以明显的看到。为了明显观察温度变化对结 构相移的影响，选取了在25℃、40℃和50℃下具有代表性的几个光谱并将其放大， 如图11、12和13所示，可以看到结构相移的透射窗口的波长右移、功率减小。如 图14、15和16所示，是对不同温度下的光谱漂移量进行线性拟合，得到了密闭EFPI 光谱波长漂移对温度响应灵敏度为0.3076nm/℃，相比于裸光纤F-P的温度响应灵 敏度提高了30多倍，同时结构相移的波长漂移和功率变化对温度也表现出6.2pm/℃ 和-0.2299dB/℃的响应灵敏度。

如图17所示，是传感器在压强从0MPa-1.2MPa变化时的反射谱。插图是放大 的密闭EFPI的光谱，其中可以看到光谱逐渐向长波方向移动，证明传感器在高压环 境下也可以正常工作。图18是传感器应用于压强后，放大了的结构相移的光谱。可 以看出，对传感器施加压强，结构相移光谱几乎没有变化，这是因为施加压强产生 的折射率变化并没有引起相移量的变化。对施加不同压强下密闭EFPI光谱的波长漂 移进行线性拟合，得到了其对压强的响应灵敏度为0.81nm/MPa，如图19所示。

结构相移发生的变化归根结底是因为折射率的变化，因此对该集成传感器又进行折射率试验。将传感器置于一系列折射率值分别为1.3342，1.3360,1.3373, 1.3388，1.3408，1.3418,1.3438，1.3438，1.3450，1.3466，1.3478的蔗 糖溶液中，得到的传感器的响应光谱如图20所示。插图是放大了的密闭EFPI的光 谱，可以看到其反射谱亦是往长波方向漂移。此外，为了明显观察不同浓度的蔗糖 溶液对结构相移光谱的影响，选取了在折射率为1.3342、1.3388和1.3478时具有 代表性的结构相移的光谱，并将其放大，如图21、22所示。可以看到结构相移光谱 的功率逐渐减小，但其波长几乎没有移动。对不同折射率溶液变化时密闭EFPI光谱 的波长漂移进行线性拟合，得到了其对折射率溶液的响应灵敏度为355.03nm/RIU。 此外，结构相移的功率变化对折射率的响应灵敏度为319.82dB/nm。

通过测量密闭EFPI光谱的波长漂移(Δλ_EFPI)、结构相移光谱的功率变化(ΔK_PS)和波长漂移(Δλ_PS)，可以利用灵敏度系数矩阵实现对温度、压强和折射率这三个参 量的同时区分测量。设温度、压强和折射率的变化量为ΔT,ΔP和Δn,则其灵敏度 矩阵可表示为：

式中，S_1n、S_1T和S_1P为密闭EFPI波长漂移随折射率、温度、压力变化的灵敏 度；S_2n、S_2T和S_2P为结构相移波长漂移随被测量变化的灵敏度；，S_3n、S_3T和S_3P为 结构相移功率漂移随测量值变化的灵敏度。通过矩阵的逆运算可以得到被测量的三 个物理量的变化量为：

式中

是灵敏度系数矩阵的行列式。

将以上实验测量结果代入式(6)，可以得到：

至此，可以有效实现对温度、压强和折射率这三个参量的同时区分测量。

本发明在以往的双参量测量传感器的制作方法的基础上，在一根光纤光栅的大约中间位置使用感光胶制作密闭F-P腔。因此，具有均匀折射率调制的光纤光栅被 破坏，而引入一结构相移。实验验证该集成传感器对温度、压强和折射率的响应特 性。结果表明，与全光纤FPI相比，由感光胶制作的密闭FPI的灵敏度显著提高。 更重要的是，在实验过程中，结构相移对温度、压强和折射率也表现出一定的规律 的响应特点，因此可以有效解决交叉敏感问题，实现三参量的同时区分测量。