阅读说明：本技术 一种可温度补偿的光纤光栅紫外传感方法及装置 (Fiber bragg grating ultraviolet sensing method and device capable of compensating temperature ) 是由 沈涛 陈姣姣 代小爽 杨添宇 梁涵 于 2019-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可温度补偿的光纤光栅紫外传感方法及装置,包括依次连接的光源、紫外传感头、光信号处理器,其中,紫外传感头包括单模光纤、多模光纤,塑料光纤光栅、ZnO复合氧化石墨烯；各器件之间通过光纤熔融连接的方式连接,采用溶胶-凝胶辅助水热法制备出的ZnO复合氧化石墨烯涂覆在塑料光纤光栅上,通过测量干涉光谱的改变来间接得到紫外光强的改变。本发明是为了解决在紫外传感领域中,现有紫外传感技术灵敏度低、结构复杂、生产成本高昂、操作复杂的问题。(The invention discloses a fiber bragg grating ultraviolet sensing method and a fiber bragg grating ultraviolet sensing device capable of temperature compensation, wherein the fiber bragg grating ultraviolet sensing method comprises a light source, an ultraviolet sensing head and an optical signal processor which are sequentially connected, wherein the ultraviolet sensing head comprises a single-mode optical fiber, a multi-mode optical fiber, a plastic fiber bragg grating and ZnO composite graphene oxide; all devices are connected in an optical fiber fusion connection mode, ZnO composite graphene oxide prepared by a sol-gel assisted hydrothermal method is coated on a plastic optical fiber grating, and the change of ultraviolet light intensity is indirectly obtained by measuring the change of an interference spectrum. The invention aims to solve the problems of low sensitivity, complex structure, high production cost and complex operation of the existing ultraviolet sensing technology in the field of ultraviolet sensing.)

一种可温度补偿的光纤光栅紫外传感方法及装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种可温度补偿的光纤光栅紫外传感方法及装置。

背景技术

紫外探测在民用，军工等领域的广泛应用使科研人员对紫外探测的发展越来越重视。最早的紫外探测器是基于单纯的硅，但是由于其对可见光的响应，导致精度不高。随着半导体材料与器件的制备工艺不断进步，宽禁带半导体紫外探测目前已经成为紫外探测技术领域的研究热点。而相对于窄带隙半导体紫外探测器，宽禁带材料凭借其自身不吸收可见光，响应速度快，测量精度高、可见光抑制比高，能够有效弥补Si，GaAs等宽禁带材料的劣势而被广泛应用于紫外探测领域。而且宽禁带材料种类众多，如ZnO，TiO等，并且这些材料具有成本低、制作简单、比表面积大、稳定性高等优势使其拥有重要的研究意义。

塑料光纤操作简单，柔韧性好，结实耐用，并且在可见光波段有低损耗窗口等优点，使它成为短距离通信和传感的理想选择。光纤传感是利用光纤探测光路中传输光波与被检测物理量相互作用所产生的光信息的一种系统。随着光纤在传感领域的发展，相比较于传统的石英光纤，塑料光纤具有价格低、一次性使用性、易于加工与连接等优点获得了广泛的应用。而光纤光栅探测装置相对于传统的光纤探测装置具有高灵敏度和高紫外探测精度的特点。并且光纤光栅可以起到温度补偿的作用。

发明内容

针对现有技术的缺陷以及改进需要，本发明提供了一种可温度补偿的光纤光栅紫外传感方法及装置，其目的在于通过对光纤干涉性质的研究并对其灵敏部件和温度补偿的设计，由此有效的解决了封装困难和温度交叉敏感的问题，同时采用U型结构塑料光纤和ZnO复合氧化石墨烯达到增强对紫外的敏感性，以此制备出高选择性及高灵敏度光纤光栅紫外传感装置。

按照本发明的一方面，提供给了一种可温度补偿的光纤光栅紫外传感方法及装置，其特征在于，该传感器包括依次连接的光源(1)、紫外传感头(2)、光信号处理器(3)，其中：

所述的紫外传感头(2)内包含一号单模光纤(2-1)、一号多模光纤(2-2)、塑料光纤光栅(2-3)、ZnO复合氧化石墨烯(2-4)、二号多模光纤(2-5)、二号单模光纤(2-6)，紫外传感头(2)一端连接光源(1)另一端连接光信号处理器(3)。

所述的光源(1)的输出中心波长为1550nm，频带宽度为40nm，用于提供光信号。

所述的塑料光纤光栅(2-3)锥区一侧利用相位掩膜法刻写布拉格光栅。

所述的塑料光纤光栅(2-3)锥区表面涂覆ZnO复合氧化石墨烯(2-4)，该塑料光纤光栅(2-3)两端与一号多模光纤(2-2)和二号多模光纤(2-5)熔融连接，在二号多模光纤(2-5)中存在光的合束，形成干涉光，并将干涉信号由二号单模光纤(2-6)输出。

所述的塑料光纤光栅(2-3)的长度设定为2cm，布拉格光栅长度为9mm，表面涂覆ZnO复合氧化石墨烯(2-4)。

所述的一号多模光纤(2-2)和二号多模光纤(2-5)的长度分别被设定为1.5cm和1.5cm。

所述的光源(1)、紫外传感头(2)、光信号处理器(3)彼此之间通过单模光纤连接，且单模光纤与各器件之间通过光纤熔融连接的方式连接。

所述的光信号处理器(3)为光谱仪，光谱仪(8)对获得的干涉信号执行光谱检测，并获得相应的传感数据。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的的紫外传感头的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)首先对塑料光纤进行预处理，用丙酮去掉包层，将各段光纤用熔融连接的方式熔接在一起，然后将熔接好的传感光纤固定在拉锥机上，塑料光纤部分置于火焰处，光纤两端用夹具固定；加热光纤的同时，通过电脑相关程序控制移动平台的移动速度，即可得到锥形塑料光纤；

(2)采用热定型的方法制作U型结构：将金属棒加热至70℃-90℃，然后将锥形塑料光纤部分绕在金属棒上，在其两端施加一个合适的拉力，即可得到一个结构稳定的U型塑料光纤；

(3)在塑料光纤U型锥区的一侧利用相位掩膜法刻写长度为9mm的布拉格光栅；

(4)采用溶胶-凝胶辅助水热法制备ZnO复合氧化石墨烯：首先，通过超声将3ml浓度为2mg/ml的氧化石墨烯溶液分散于15mL去离子水中1h；其次，将氧化石墨烯溶液与1.8g硝酸锌、2.6g柠檬酸、35mL去离子水混合，恒温70℃搅拌1h，然后，在混合溶液中缓慢滴入1mol/L的NaOH溶液直至悬浮液的PH值为9.6；之后将悬浮液转移进反应釜内，并将反应釜置于电热鼓风干燥箱120℃下加热17h后，取出待自然冷却；最后，使用去离子水将产物洗涤2次，并以6000rmp/min的转速离心10min；

(5)采用滴涂法在塑料光纤光栅上涂覆ZnO复合氧化石墨烯：采用胶头滴管将所制备的材料滴在预先准备好的塑料光纤光栅上，然后将传感器放入电热鼓风干燥箱中60℃下5～7个小时，保证ZnO复合氧化石墨烯与塑料光纤光栅紧密贴合在一起；

(6)将光纤熔接机各参数设置为：手动模式，放电强度为4000bit，放电时间为3000ms；将一号单模光纤(2-1)、一号多模光纤(2-2)、塑料光纤光栅(2-3)、二号多模光纤(2-5)、二号单模光纤(2-6)之间以熔融连接的方式相互连接；

将完成的紫外传感头(2)和光源(1)、光信号处理器(3)连接，进而完成整个紫外传感装置的制作过程。

总体而言，按照本发明的一种可温度补偿的光纤光栅紫外传感方法及装置与现有技术相比较，主要具有以下优势：

1.通过在传感单元中采用塑料光纤并拉锥热定型为U型，在中间增加了光栅同时在光纤表面涂覆了ZnO复合氧化石墨烯材料，可以有效提高紫外传感效果并且对温度具有补偿效果；

2.所设计的传感器结构为五段式结构，其在塑料光纤的两侧引入多模光纤构造出马赫-曾德传感结构，提高了紫外传感头的灵敏度、稳定性；

3.按照本发明所构造的光纤光栅紫外传感器可以仅用制作方法简单的溶胶-凝胶辅助水热法、滴涂法和光纤熔接机即可完成整个制作过程，便于操作，制作成本低，灵敏度高，可适用于大规模的生产制造。

附图说明

图1是按照本发明的一种可温度补偿的光纤光栅紫外传感方法及装置的整体构造示意图；

图2是紫外传感头放大示意图。

具体实施方式

以下实施将结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是按照本发明的一种可温度补偿的光纤光栅紫外传感方法及装置的整体构造示意图。如图1所示按照本发明所构建的一种可温度补偿的光纤光栅紫外传感方法及装置主要包括依次连接的光源(1)、紫外传感头(2)、和光信号处理器(3)，其中：所述的紫外传感头(2)内包含一号单模光纤(2-1)、一号多模光纤(2-2)、塑料光纤光栅(2-3)、ZnO复合氧化石墨烯(2-4)、二号多模光纤(2-5)、二号单模光纤(2-6)，紫外传感头(2)一端连接光源(1)另一端连接光信号处理器(3)；光源(1)的输出中心波长为1550nm，频带宽度为40nm，用于提供光信号；一号单模光纤(2-1)用于接收和传输光源(1)的光，并将其传输给一号多模光纤(2-2)；一号单模光纤(2-1)和一号多模光纤(2-2)熔融连接，在一号多模光纤(2-2)中形成光的分束；一号多模光纤(2-2)与塑料光纤光栅(2-3)熔融连接，在塑料光纤光栅(2-3)中形成光的再分束；塑料光纤光栅(2-3)锥区一侧利用相位掩膜法刻写布拉格光栅；塑料光纤光栅(2-3)锥区表面涂覆ZnO复合氧化石墨烯(2-4)，该塑料光纤光栅(2-3)两端与一号多模光纤(2-2)和二号多模光纤(2-5)熔融连接，在二号多模光纤(2-5)中存在光的合束，形成干涉光，并将干涉信号由二号单模光纤(2-6)输出；光谱仪(8)对获得的干涉信号执行光谱检测，并获得相应的传感数据。

具体而言，按照本发明的光纤光栅紫外探测装置中包括五段光纤，分别为一号单模光纤(2-1)、一号多模光纤(2-2)、塑料光纤光栅(2-3)、ZnO复合氧化石墨烯(2-4)、二号多模光纤(2-5)、二号单模光纤(2-6)。光源(1)发出光信号经过一号单模光纤(2-1)进入一号多模光纤(2-2)中，然后再进入塑料光纤光栅(2-3)，经过二号多模光纤(2-5)进入二号单模光纤(2-6)，最后进入光谱仪(8)。

按照本发明的一个优选实施方式，一号多模光纤(2-2)和二号多模光纤(2-5)的长度分别被设定为1.5cm和1.5cm。塑料光纤光栅(2-3)的长度设定为2cm。较多实验数据表明，塑料光纤光栅(2-3)的长度影响着光能量分布并且决定光纤熔接之间的耦合强度。

为了提高传感器对紫外强度的灵敏性，本实施中将塑料光纤进行拉锥、制作成U型，并且在塑料光纤光栅(2-3)上涂覆ZnO复合氧化石墨烯(2-4)。具体方式是：

(1)首先对塑料光纤进行预处理，用丙酮去掉包层，将各段光纤用熔融连接的方式熔接在一起，然后将熔接好的传感光纤固定在拉锥机上，塑料光纤部分置于火焰处，光纤两端用夹具固定；加热光纤的同时，通过电脑相关程序控制移动平台的移动速度，即可得到锥形塑料光纤；

(2)采用热定型的方法制作U型结构：将金属棒加热至70℃-90℃，然后将锥形塑料光纤部分绕在金属棒上，在其两端施加一个合适的拉力，即可得到一个结构稳定的U型塑料光纤；

(3)在塑料光纤U型锥区的一侧利用相位掩膜法刻写长度为9mm的布拉格光栅；

(4)采用溶胶-凝胶辅助水热法制备ZnO复合氧化石墨烯：首先，通过超声将3ml浓度为2mg/ml的氧化石墨烯溶液分散于15mL去离子水中1h；其次，将氧化石墨烯溶液与1.8g硝酸锌、2.6g柠檬酸、35mL去离子水混合，恒温70℃搅拌1h，然后，在混合溶液中缓慢滴入1mol/L的NaOH溶液直至悬浮液的PH值为9.6；之后将悬浮液转移进反应釜内，并将反应釜置于电热鼓风干燥箱120℃下加热17h后，取出待自然冷却；最后，使用去离子水将产物洗涤2次，并以6000rmp/min的转速离心10min；

(5)采用滴涂法在塑料光纤光栅上涂覆ZnO复合氧化石墨烯：采用胶头滴管将所制备的材料滴在预先准备好的塑料光纤光栅上，然后将传感器放入电热鼓风干燥箱中60℃下5～7个小时，保证ZnO复合氧化石墨烯与塑料光纤光栅紧密贴合在一起；

(6)将光纤熔接机各参数设置为：手动模式，放电强度为4000bit，放电时间为3000ms；将一号单模光纤(2-1)、一号多模光纤(2-2)、塑料光纤光栅(2-3)、二号多模光纤(2-5)、二号单模光纤(2-6)之间以熔融连接的方式相互连接；

将完成的紫外传感头(2)和光源(1)、光信号处理器(3)连接，进而完成整个紫外传感装置的制作过程。

测量原理：

光源(1)的光通过一号单模光纤(2-1)，到达一号单模光纤(2-1)和一号多模光纤(2-2)的熔接点处时，发生光的分束，在一号多模光纤(4)中传输，而进入塑料光纤光栅(2-3)时，由于一号多模光纤(2-2)和塑料光纤光栅(2-3)的纤芯不匹配，从而激起塑料光纤光栅(2-3)的高阶模，由于传输系数的不同，当重新耦合至二号多模光纤(2-5)时这些模式会相互干涉，干涉光经过一号单模光纤(2-6)被光谱仪(8)接收。

当外界紫外环境发生变化时，发生变化，会引起塑料光纤光栅(2-3)的传播常数变化，因此会发生模式的干涉现象，即透射光谱的极值会发生移动，特征波长的变化表示为：

其中，为特征波长，为有效折射率，L为塑料光纤光栅长度。特征波长的移动可反映出外界紫外强度的改变。

当外界温度发生变化时，FBG有效折射率和周期都发生变化，导致FBG中心波长漂移，中心波长的变化表示为：

其中，表示FBG光栅有效折射率的变化量；为FBG周期。中心波长的移动可反映出外界温度的改变。

通过以上描述可见，对于按照本发明的光纤光栅紫外探测装置可以仅采用水热法和常规的光纤熔接机完成整个紫外传感器的制作。成本低廉，制作简单，灵敏性高，可重复性强。除了创新性使用塑料光纤获得很好的透射光谱，U型弯曲和光纤光栅在灵敏度和温度补偿方面也是一大创新。有效的提高了传感头灵敏度并有效消除了温度的交叉敏感，可适用于大规模的生产用途。