专利名称：：光纤传感器及其在折射率及应变测量中的应用的制作方法
技术领域：
：本发明涉及测量
技术领域：
。
背景技术：
：光纤光栅以其轻便，不受电磁干扰，成本低廉以及传感响应速度快等优点而在传感领域得到了广泛的应用。近年来，人们又在研究利用光纤光栅进行折射率测量的方法。由于普通光纤光栅对外部折射率的变化不敏感，所以需要对其进行加工，使得光纤光栅包层厚度减小，当包层厚度减小到一定程度时，光纤光栅的布拉格反射波长将随外部折射率的改变而发生变化。意大利学者Iadicicc:o等人以及中国浙江大学的Xue-FengHuang等人分别报道了采用腐蚀法对光纤光栅进行加工并用于折射率测量的方法，加拿大学者C.F.Cham等人报道了采用侧边抛磨光纤光栅整体覆盖蔗糖溶液测量其折射率的实验，英国学者ZhouKaiming,ChenXianfeng等人采用在D形光纤上写入的光纤光栅进行了温度与外部折射率的测量。由于采用腐蚀法加工而成的光纤光栅机械强度差，而D形光纤制作成本高，在实际的传感应用中有很大的局限性。另外，由于光纤光栅自身对应力以及温度等参数的敏感特性，直接应用布拉格波长随外部折射率变化的特性来进行折射率测量将受到外界应力等因素对光纤光栅测量折射率精度的影响。采用光纤光栅来测量折射率的典型方案如下中国专利CN100451618C介绍了一种基于超长周期光纤光栅的温度自补偿折射率测量方法及器件。文中利用高低阶谐振峰实现测量折射率材料时环境温度变化对折射率测量值的影响的校正，从而实现对待测折射率材料的折射率值的准确测量。中国专利CN101017137A介绍了一种双峰谐振镀膜光纤光栅气敏传感器，主要是通过镀膜的方式在一根布拉格光纤光栅上形成两个反射峰，可用于气体检测与铍膜材料的折射率测量。美国专利US2007098323(Al)描述了侧边抛磨光纤传感器，可用于测量各种参量与多相传感。此光纤传感器直接应用侧边抛磨光纤进行测量，也提到可制作侧边抛磨光纤光栅成为传感器。专利W02008111320(Al)介绍了一种用于测量折射率的光纤光栅传感器。所用光纤光栅与光纤长度方向成一确定角度(非垂直)。以上各种方法，都不能很好地消除应力对测量的影响，也不能实现折射率与应力的同时测量。
发明内容本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种在测量折射率的同时可以很好地消除应力影响的光纤传感器。本发明还提供上述光纤传感器在折射率及应变测量中的应用，即提供一种折射率测量方法，以及一种折射率与应变同时测量的测量方法。一种光纤传感器，在圆形光纤上有一段截面为D型的D型光纤段，其特征在于D型光纤段的平坦面与纤芯的距离为l-3mn,D型光纤段刻有布拉格光纤光栅。圆形光纤上制作一段截面为D型的D型光纤段，可采用轮式光纤侧边抛磨机抛磨而成。进一步的，还包括支撑体，所述支撑体支撑住D型光纤段的一端，D型光纤段被支撑体支撑部分占D型光纤段的长度的1/4-3/4。进一步的，所述支撑体为U型槽或V型槽。一种折射率测量方法，其特征在于包括以下步骤(1)在上述光纤传感器的D型光纤段的一端覆盖待测折射率材料，覆盖长度为D型段光纤光栅区域长度的1/4~3/4;(2)D型光纤段的一端覆盖待测折射率材料后，光纤传感器形成的布拉格反射峰为两个，两个布拉格反射峰对应的波长的差值与待测材料的折射率有关。在D型光纤段的一端覆盖一系列标准折射率材料，可预先得到材料折射率与两个布拉格反射峰对应的波长的差值的对应关系。一种折射率与应变同时测量的测量方法，其特征在于包括以下步骤-(1)在权利要求1至3任一项所述的光纤传感器的D型光纤段的一端覆盖待测折射率材料，覆盖长度为D型段光纤光栅区域长度的1/4~3/4;(2)D型光纤段的一端覆盖待测折射率材料后，光纤传感器形成的布拉格反射峰为两个，两个布拉格反射峰对应的波长的差值与待测材料的折射率有关，，每个布拉格反射峰对应的波长值与光纤所受应力相关。在D型光纤段的一端覆盖一系列标准折射率材料，对每种标准折射率材料测量多种应力条件下的反射光谱，可预先得到折射率与两个布拉格反射峰对应的波长的差值的对应关系，以及各标准折射率材料在各应力条件下的反射峰的对应的波长值。本发明提供了一种利用具有双布拉格反射峰效应的布拉格光纤光栅进行折射率测量的新型光纤传感器，本发明的光纤传感器采用轮式光纤侧边抛磨机加工而成，用这种方法制成的侧边抛磨布拉格光纤光栅具有抛磨区中部平坦不会产生啁啾的优点，且具有很好的机械强度，实用性更强；用两个布拉格反射峰差值为度量对折射率进行传感测量，能够有效的去除测量过程中应力与温度变化对测量值的影响，从而提高了测量精度。本发明的测量原理如下根据光纤布拉格光栅的耦合方程,光纤光栅的布拉格反射波长AB表示为4=2"e#A(1)其中#为光纤光栅段传导模的有效折射率,数值与光纤光栅区域的几何结构、纤芯材料及包层材料的折射率等相关；A为光栅周期常数。实验证明(刘林和，陈哲，白春河，李真.侧边抛磨区材料折射率对光纤光栅波长的影响[J].光子学报，2007，36(5):865868)，当光纤光栅区的一侧包层被侧边抛磨到距离纤芯只有lixm左右时，由于光纤光栅区域的几何结构发生了变化，其#就不仅与光纤光栅区域几何结构相关，还与侧边抛磨口处覆盖的材料相关，改变侧边抛磨口处覆盖的材料，将使得#随之改变，从而使得光纤光栅的布拉格反射波长入b发生改变。用轮式光纤侧边抛磨法加工的侧边抛磨光纤光栅的抛磨区形状^图1所示。将一部分抛磨区覆盖折射率液，如图2所示。未覆盖折射率液部分光纤光栅的有效折射率为#1，不仅与剩余包层折射率^M有关，还与抛磨区处空气折射率^,有关，覆盖折射率液部分光纤光栅的有效折射率将改变为//2，不仅与剩余包层折射率^,M有关，还与抛磨区所覆盖的外部材料折射率w。,有关，由公式(l)可知，此时光纤光栅布拉格反射波长入B将会变为两部分，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(3)因此，在光谱分析仪中就可以观测到双布拉格反射峰的现象。实际上，侧边抛磨光纤光栅受到的轴向应力、热负荷，以及抛磨区覆盖材料的折射率m。,,都会对侧边抛磨光纤光栅的布拉格反射波长的改变产生影响。布拉格反射波长是随#和A而改变的，其变化量为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(4)普通布拉格光纤光栅对外界温度T及应力是敏感的，但对外界折射率的变化是不敏感的。应力对布拉格波长的影响是由于光栅周期的伸縮以及弹光效应引起的，而温度对布拉格波长影响是由于热膨胀和热光效应引起的，因此，当温度、应变同时发生变化时，总的布拉格波长位移应为热移动分量和应变移动分量之和。于是(4)式改写为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>这里A&是中心波长的变化，r为光栅处的温度，/为光栅的长度。抛磨区覆盖材料的折射率,,并不会影响光栅周期，其对布拉格波长的影响是由于《。,7会影响光纤光栅的有效折射率。考虑到这些因素，由于应力、温度和侧边抛磨区覆盖材料的折射率等的变化引起的布拉格反射波长变化量为-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(6)式中~为侧边抛磨光纤光栅抛磨区上所覆盖材料折射率"。,,的变化引起侧边抛磨光纤光栅的有效折射率的改变。将(6)式应用到测量折射率时的没有覆盖折射率液和覆盖了折射率液的二个侧边抛磨光纤光栅段上，可分别得到侧边抛磨光纤光栅两个布拉格反射波长为l=&+=2尝+A》)+2(#曾+A,)A/(7)毛。,,=/lB+(r,/)+=Afl+(r,/)+2A》。"(8)所以，两个布拉格反射峰的峰值波长之差可表示为|义胁"麵|="歸=2八》"。,，(9)公式(9)表明，侧边抛磨光纤光栅两布拉格波长的差仅与覆盖材料的折射率有关，并不受光纤布拉格光栅轴向应变和环境温度的影响，因此利用两个布拉格反射峰的波长的差值作为测量量可实现用侧边抛磨光纤光栅对折射率进行高精度的传感测量，减小布拉格光纤光栅所受应变或环境温度对折射率测量的影响。与专利W02008111320(Al)相比，本发明的光纤传感器采用的是布拉格光纤光栅，其光栅与光纤长度方向垂直，而专利W02008111320(Al)中，光纤光栅与光纤长度方向成一确定角度(非垂直)。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果(1)本发明的光纤传感器用于折射率测量时，可以很好地消除应力影响。(2)本发明的光纤传感器可实现对折射率与应变的同时测量。(3)在制作聚合物材料的过程中，由于材料固化时由液相向固相的转变会反映在材料的折射率变化上，所以对此过程的监测可通过测试其折射率变化来进行。另外，液相向固相的转变中，材料的内部会集聚应力，严重时会使聚合物材料发生断裂，因此也需要监测此过程中材料内部的应力变化。本发明的光纤传感器即可以同时监测固化相变和材料中应力形成，特别适合于聚合物的固化过程监控。图1是本发明的光纤传感器示意图。图2是本发明的光纤传感器部分覆盖折射率液示意图。图3是侧边抛磨光纤光栅剩余厚度曲线。图4是采用本发明的光纤传感器搭建的测量装置示意图。图5是本发明的光纤传感器示意图。图6是实施例中光纤传感器未覆盖折射率液的反射光谱。图7是覆盖材料折射率值为1.4198，对应波长为1.55"m情况下，轴向应力为O克时的反射光谱。6图8是覆盖材料折射率值为1.4198，对应波长为1.55pm情况下，轴向应力为20克时的反射光谱。图9是覆盖材料折射率值为1.4198，对应波长为1.55um情况下，轴向应力为40克时的反射光谱。图10是覆盖材料折射率值为1.4198，对应波长为1.55ym情况下，轴向应力为70克时的反射光谱。图ll是两个布拉格反射峰的差值的折射率响应曲线。图12是两个布拉格反射峰的差值的应变响应曲线。图13是布拉格反射峰的轴向应变曲线(n=1.4418)。图14是布拉格反射峰的轴向应变曲线(n=1.4439)。图15是布拉格反射峰的轴向应变曲线(n=1.4459)。图中，1:抛磨区；2:布拉格光纤光栅；3:折射率液；4:支撑体。具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。图1是本发明的光纤传感器示意图。1是抛磨区。2是在抛磨区的平坦部分刻入的布拉格光纤光栅。抛磨区的平坦部分即为D型光纤段。图2是本发明的光纤传感器部分覆盖折射率液示意图。3是折射率液。实施例用于制作侧边抛磨光纤光栅传感器的光纤光栅是相位模版法制成的。光栅长度为15mm,光栅中心波长为1547.76nm。采用轮式光纤侧边抛磨法对其进行侧边抛磨后，用测量准确度为O.lum的细丝测量仪对其抛磨深度进行了测量，实测数据如图3所示，其中横坐标是光纤的轴向位置，单位为mm，纵坐标是侧边抛磨光纤光栅的剩余厚度，单位为um。可以看出，此侧边抛磨光纤光栅的抛磨区长度为22mm，D型光纤段(抛磨区平坦部分)长度为17mm，刻有光栅的光栅区就位于D型光纤段的中间，保证了外界对侧边抛磨光纤光栅布拉格波长的影响是一致的,较好的避免了啁啾效应；抛磨后的剩余厚度为69.7um，D型光纤段的平坦面距离纤芯约为2ixm。实验证明，在此剩余厚度时，侧边抛磨光纤光栅的布拉格波长对外部折射率变化是敏感的。将图3所示的侧边抛磨光纤光栅按图4所示的光路进行连接，如图5所示，使得光纤传感器的D型光纤段的一半位于支撑体4上，支撑体4可选用玻璃片或玻璃槽，最好是玻璃U型槽。本实施例中选用玻璃U型槽。当不加折射率液时，光谱分析仪所测的反射光谱如图6所示，仅有一个反射峰。在玻璃U型槽中加入不同的折射率液，使得该部分的抛磨区被折射率液覆盖，此时，在光纤光谱分析仪上就可以观测到侧边抛磨光纤光栅的布拉格反射峰由一个变为两个，如图7IO所示。逐渐增加图4中光纤传感器所受到的轴向应力F，可以测得轴向应力在O克、10克、20克、30克、40克、50克、60克、70克等各个状态时两个布拉格反射峰值的变化情况，表l所示为覆盖材料折射率值为1.4198(对应光波长为1.55iim)时，轴向应力变化与侧边抛磨光纤光栅的两个反射峰值的变化关系。表1轴向应力变化与侧边抛磨光纤光栅的两个反射峰值的变化关系表(n=1.4198)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>图710给出了覆盖材料折射率值为1.4198(对应光波长为1.55um)情况下，施加轴向应力为O克、20克、40克与70克时侧边抛磨光纤光栅的两个反射峰值的变化情况，当施加轴向力F二O克时，侧边抛磨光纤光栅的两个反射峰值分别为1546.178nm和1546.700nm，当施加轴向力F二20克时，侧边抛磨光纤光栅的两个布拉格反射峰值分别为1546.684nm和1547.204nm，当F增加为40克时，侧边抛磨光纤光栅的两个反射峰值分别为1547.140nm和1547.650nm，当F增加为70克时，侧边抛磨光纤光栅的两个布拉格反射峰值分别为1547.706nm和1548.212nm。由图710可以看出，当所受轴向应力增加时，两个布拉格反射峰的中心波长都向长波长方向漂移，这说明侧边抛磨光纤光栅的布拉格反射波长受到光纤光栅的应力影响。图710中两个布拉格反射峰幅度大小不同是由于覆盖折射率液部分的光栅区与剩余光栅区的长度不同所致。使环境温度保持恒定，在图4所示的侧边抛磨光纤光栅上覆盖折射率值分别为1.4097，1.4198,1.4298，1.4318，1.4338，1.4358，1.4378，1.4398，1.4418'1.4439，1.4459，1.4479，(对应光波长为1.55ixm)的折射率液(生产厂家为美国CargileLabs,样品最小折射率间隔为0.002)，不断增加侧边抛磨光纤光栅所受到的轴向应力，通过分辨率为0.01nm的光谱分析仪来测量侧边抛磨光纤光栅两个布拉格反射峰的间距。可以得到两个布拉格反射峰的差值的折射率响应曲线如图11所示，两个布拉格反射峰的差值的应变响应曲线如图12所示，图中的12条曲线从下往上，其折射率分别为1.4097，1.4198，1.4298，1.4318，1.4338，1.4358，1.4378，1.4398，1.4418，1.4439，1.4459，1.4479(对应光波长为1.55Um)。图12中已经将轴向应力换算为轴向应变，换算时的估算方法是，根据弹性体力学中的胡克定律，当应变较小吋，光纤光栅的应变值e与其所受应力F成正比e丄，uo)式中石英的杨氏模量取Y=7.31X101GN/m2，通常直径为125nm的光纤横截面积S=1.23X10—9m2，重力加速度g=9.80m/s2，设侧边抛磨光纤光栅抛磨区的横截面积约为125um的光纤横截面积的2/3，g卩S-8.2Xl(T9m2，禾拥式(10)即可将所受轴向应力换算成侧边抛磨光纤光栅的应变数值。从图11中可以看出，侧边抛磨光纤光栅的两个布拉格反射峰的差值是随着折射率的增大而单调非线性地增大的，这表明两个布拉格反射峰差值与侧边抛磨区覆盖材料的折射率单调相关，在覆盖折射率为1.4097至1.4298(对应光波长为1.55Um)时，侧边抛磨光纤光栅的两个布拉格反射峰的差值变化较缓慢，变化量为0.27nm，在覆盖折射率为1.4298至1.4479(对应光波长为1.55um)时，侧边抛磨光纤光栅的两个布拉格反射峰的差值变化较显著，变化量为1.51nm，可见，此侧边抛磨光纤光栅在该区域适合用作折射率光纤传感器。从图12中可以看出，在温度为室温条件下，覆盖不同折射率液时侧边抛磨光纤光栅两个布拉格反射峰差值的轴向应变曲线基本呈一组平行的直线，这就表明，侧边抛磨光纤光栅的两个布拉格反射峰的差值在测量误差范围内几乎是不随轴向应变的变化而变化，而仅随折射率的变化而变化，将此侧边抛磨光纤光栅用作光纤折射率传感器测量折射率时对外界应力变化不敏感，这就提高了测量的可靠性和精度。光纤传感器的折射率测量分辨率可根据图12中折射率变化引起的波长差的变化来计算。图12中最小波长差变化对应的折射率分别为1.4097至1.4198范围。当侧边抛磨光纤光栅部分光栅区覆盖折射率为1.4097(对应光波长为1.55um)的折射率液时，两个布拉格反射峰的峰值波长差为0.4nm，当覆盖折射率增大为1.4198(对应光波长为1.55ym)时，两个反射峰的差值为0.51nm，在这个过程中，折射率值变化了0.0101，而两个布拉格反射峰的差值变化了0.11nm，由于传感器实验所采用的光谱分析仪的分辨率为0.01nm，所以可推算该传感器的折射率测量分辨率在此区域为0.0009。由图11中可知，折射率值从1.4298到1.4479，两个布拉格反射峰差值变化达到1.51nm，分辨率可达0.0001，所以此传感器在这一区域有较高的折射率分辨率。表2轴向应力变化与侧边抛磨光纤光栅的两个反射峰值的变化关系表(n=1.4418)应力(g)第一个反射峰(nm)第二个反射峰(nm)01546.1961547.386101546.3621547.548201546.6661547.860301546.8081547.998401547.0501548.244501547.1881548.380601547.4601548.652701547.8041549.0049表3轴向应力变化与侧边抛磨光纤光栅的两个反射峰值的变化关系表(n=1.4439)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>^f变化与侧边抛磨光纤光栅的两个反射峰值的变化关系表(<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>图1315分别对应表24中的数据，从图1315中可以看出，在温度为室温条件下，覆盖折射率液的折射率值分别为1.4418，1.4439，1.4459时侧边抛磨光纤光栅两个布拉格反射峰的轴向应变曲线都呈一组平行的直线，这就表明，该侧边抛磨光纤光栅两个布拉格反射峰的轴向应变不随覆盖抛磨区折射率液的折射率值变化而变化，仅随轴向应变的变化而变化，此侧边抛磨光纤光栅可用作折射率与轴向应变的同时测量，且提高了测量的可靠性和精度。由于实施例中所用美国CargilleLabs公司的折射率液的折射率值本身随温度变化，即折射率液的温度系数不为零，因此用此光纤光栅传感器进行初步的温度效应实验时，对于同一折射率液样品，侧边抛磨光纤光栅传感器的两个布拉格反射峰不仅随光纤光栅的温度效应而变化，而且随覆盖的折射率液的温度效应而变化，这就导致两个布拉格反射峰差值与温度变化相关。但公式(9)的分析表明，此利用双反射峰的光纤光栅传感器是可以减小环境温度影响的。实验证明，应用轮式光纤侧边抛磨法将光纤布拉格光栅的一侧包层抛磨至剩余厚度为13um时，将侧边抛磨光纤光栅的一部分抛磨区覆盖折射率液，可以改变覆盖部分光栅区的有效折射率，从而可在光谱分析仪中观测到侧边抛磨光纤光栅的反射光谱将由未覆盖折射率液之前的单一布拉格反射峰变为双布拉格反射峰。在环境温度不变的情况下，对于某一折射率液，改变侧边抛磨光纤光栅所受应力大小，这两个布拉格反射峰的峰值波长随应力的增大向长波长方向变化，而双反射峰的差值则保持恒定。利用两个布拉格反射峰的差值作为折射率测量的测量量可以减小光纤光栅的应力影响，实现用侧边抛磨光纤光栅对折射率进行高精度的传感测量。传感器实验表明，当环境温度恒定时，应用该传感器测量折射率时所测的的折射率值基本不受应力变化影响。折射率液在1.4298到1.4479(对应光波长为1.55um)范围内，该传感器的折射率测量分辨率为0.0001。该传感器较好的解决了光纤光栅传感过程中折射率与应力等参量交叉敏感的问题，提高了折射率测量的可靠性和精度。采用轮式光纤侧边抛磨法制作的侧边抛磨光纤光栅折射率传感器相比采用HF酸对光纤光栅进行腐蚀的方法，具有制作简单，可重复性好，精度容易控制，机械拉力强等优点；相比于在D型光纤上加工的光纤光栅，具有成本低、以及易于普通单模光纤熔接的优点[8]。这种基于侧边抛磨光纤光栅双布拉格反射峰的折射率传感器大大提高了折射率测量的可靠性和精度且更具实用意义，可用于制作各种生物或化学材料的传感器。权利要求1、一种光纤传感器，在圆形光纤上有一段截面为D型的D型光纤段，其特征在于D型光纤段的平坦面与纤芯的距离为1～3um，D型光纤段刻有布拉格光纤光栅。2、根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于还包括支撑体，所述支撑体支撑住D型光纤段的一端，D型光纤段被支撑体支撑部分占D型光纤段的长度的1/4~3/4。，3、根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于所述支撑体为U型槽或V型槽。4、一种折射率测量方法，其特征在于包括以下步骤(1)在权利要求1至3任一项所述的光纤传感器的D型光纤段的一端覆盖待测折射率材料，覆盖长度为D型段光纤光栅区域长度的1/4-3/4;(2)D型光纤段的一端覆盖待测折射率材料后，光纤传感器形成的布拉格反射峰为两个，两个布拉格反射峰对应的波长的差值与待测材料的折射率有关。5、一种材料折射率与应变同时测量的测量方法，其特征在于包括以下步骤(1)在权利要求1至3任一项所述的光纤传感器的D型光纤段的一端覆盖待测折射率材料，覆盖长度为D型段光纤光栅区域长度的1/4-3/4;(2)D型光纤段的一端覆盖待测折射率材料后，光纤传感器形成的布拉格反射峰为两个，两个布拉格反射峰对应的波长的差值与待测材料的折射率有关，每个布拉格反射峰对应的波长值与光纤所受应力相关。全文摘要本发明涉及测量
技术领域：
，公开了一种光纤传感器及其在折射率及应变测量中的应用。一种光纤传感器，在圆形光纤上有一段截面为D型的D型光纤段，其特征在于D型光纤段的平坦面与纤芯的距离为1～3um，D型光纤段刻有布拉格光纤光栅。本发明的光纤传感器可用于折射率的测量，也可用于折射率与应变的同时测量。本发明的光纤传感器用于折射率测量时，可以很好地消除应力影响。本发明的光纤传感器特别适用于聚合物固化过程监控。文档编号G01N21/41GK101545791SQ20091003912公开日2009年9月30日申请日期2009年4月30日优先权日2009年4月30日发明者刘林和,肖雅婷,范若岩,哲陈申请人:暨南大学