基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种液体温度和浓度的测量装置，特别是涉及一种基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度的测量装置，属于光纤传感领域。
【背景技术】
[0002]光纤光栅，是指通过一定的方法在光纤纤芯形成永久性折射率周期性变化的光纤器件。长周期光纤光栅(LPFG)，是指光栅周期在几十到几百微米的光纤光栅，属于波长调制型传感器件，测量信号不受光强波动和光纤损耗影响，灵敏度高于强度调制型器件。根据耦合模理论，LPFG表现为前向传输的纤芯模耦合到同向传输的包层模中，使得特定波长的光强度衰减，在传输谱中形成损耗峰。在LPFG包层外镀一层敏感薄膜，其折射率随环境(温度、浓度、应力等)变化而变化，进而影响LPFG耦合过程。此类传感技术可广泛应用于工农业现场监测中。
[0003]近年来，应用镀膜LPFG单独测量温度或浓度的研宄较多。文献[韦树贡，杨秀增，欧启标等.应用镀膜长周期光纤光栅对煤矿用乳化液浓度检测的研宄.煤矿机械，2013，34(2):51-53.]提出一种应用较短周期镀膜LPFG用于乳化液浓度检测的方案；文献[张静，王晓工.温度敏感水凝胶包覆长周期光纤光栅传感器研宄.高分子学报，2012，3⑴:307-312.]提出了一种水凝胶包覆LPFG温度、湿度传感装置；文献[N.K.Chen, D.Y.Hsu.Widely tunable asymmetric long per1d fiber grating withhigh sensitivity using optical polymer on laser-ablated cladding.0pticsLetters, 2007，32 (15): 2082-2084.]在LPFG包层外镀一种高热光效应的聚合物实现15.8nm/°C的测温灵敏度；文献[王少石.基于液晶包覆的长周期光纤光栅的调谐特性研宄.上海交通大学，2009.]搭建了镀液晶膜LPFG测量温度和电场的实验平台，并利用菲涅尔反射原理精确测量液晶折射率随温度变化关系。以上各种方法虽然实现了分别测量温度或浓度的目的，但测量浓度时，LPFG同时受温度变化干扰，造成测量结果不准确；且若同时测量温度和浓度，LPFG传感器体积会增大。
[0004]专利号为200420090063.2，授权公告日2005年10月12日的实用新型专利“长周期光纤光栅的温度传感装置”，设计了一种在光纤一侧先后镀低热敏和高热敏材料，当外界温度变化时，外镀膜层的热胀冷缩使光栅产生微弯，通过判断LPFG谐振波长变化来测量温度的方法。该专利虽可测出温度变化，但应变引起谐振波长变化的范围较小，不易观察；测量范围窄，仅适用于实验室环境；且仅能测量温度。
[0005]专利号为201220043479.3，授权公告日2012年9月12日的实用新型专利“一种采用长周期光纤光栅实时测试温度和折射率的装置”，设计了一种在LPFG —半长度光栅区域外镀高折射率的纳米薄膜来监测折射率，没有镀膜的一段监测温度的装置。该专利虽可实现用一根LPFG同时测量温度和折射率的目的，但未镀膜LPFG测温灵敏度低，且三层结构(未镀膜段)与四层结构(镀膜段)使透射谱上谐振峰分裂成两个透射深度相同的谐振峰，其间距较小，不易分辨，导致测量精度下降，不能有效避免交叉敏感问题。
【发明内容】
[0006]本实用新型的主要目的在于:解决现有方法测温灵敏度低、同时测量液体温度和浓度时不能有效避免交叉敏感的难题，提出一种基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度测量装置，此方法应用分别对温度和液体浓度敏感的两种薄膜，实现对液体温度和浓度的同时、实时测量，提高测量精度，且达到较高的测量灵敏度，大大减小传感器体积，具有很高的工程应用价值。
[0007]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0008]一种基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度测量装置，它由沿光传播方向依次布置的宽带光源、镀膜LPFG传感元件以及光接收部组成。镀膜LPFG传感元件分别镀液晶膜和金属镍膜，浸入待测液体中，宽带光源发出的光依次耦合到镀膜LPFG传感元件以及光接收部中，通过观察接收部光谱中两谐振峰移动距离，判断待测液体温度和浓度的变化。
[0009]本实用新型解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
[0010]前述的宽带光源选用具有高稳定性和高可靠性的超宽带光源，工作带宽为1200?1700nm，共500nm带宽，在光谱范围内具有极好的平坦度。
[0011]前述的镀膜LPFG传感元件两端利用光纤熔接机分别与光纤熔接，再通过光纤接头座分别与宽带光源和光接收部连接。
[0012]前述的LPFG利用紫外线曝光技术实现纤芯折射率的周期性调制，光栅周期为500 μπι，得到的LPFG体积小、重量轻、可弯曲，以波长编码可避免光源波动影响从而提高测量稳定性。根据耦合模理论，前向传输的纤芯模耦合到同向传输的包层模产生的透射谱，其谐振波长对环境折射率变化敏感，谐振峰会相应产生较大的偏移，灵敏度较高。
[0013]前述的LPFG纤芯直径为8.3 μ m，纤芯折射率为1.4681，包层直径为125 μ m，包层折射率为1.4628，为单模光纤。
[0014]前述的镀膜LPFG，镀膜部分光栅总长度为6cm，其中用于温度传感部分长度为
2.5cm，镀厚度为550nm的液晶膜，其折射率随温度变化呈近似线性关系，对浓度不敏感，所以当环境温度改变时，膜层折射率随之变化引起包层模有效折射率变化，进而谐振峰移动；用于浓度传感部分长度为3.5cm，镀厚度同样为550nm的金属镍膜，其折射率随浓度变化呈一一对应的单调变化关系，对温度不敏感，所以当环境浓度改变时，膜层折射率随之变化同样引起谐振峰移动。
[0015]前述的镀膜LPFG在使用时，先稍加应力使光纤呈直线，光纤两端用光纤夹持器固定，保持光栅段悬空，以避免应力对谐振波长的影响，造成测量结果不准确。
[0016]前述的光接收部为光谱仪，监测液体温度和浓度时，光谱仪上显示两个分裂的谐振峰。由于温度和浓度传感对应的光栅长度不同、膜层折射率不同，透射峰深度和位置相差明显，可区分温度和浓度所对应的谐振峰移动距离，进而判断温度和浓度的变化量，测量精度高。
[0017]本实用新型基于长周期光纤光栅的液体温度和浓度测量装置与现有技术相比，具有如下有益效果:
[0018](I)本实用新型在一根LPFG包层外分别镀液晶膜和金属镍膜，同时测量液体的温度和浓度，大大减小了传感器体积，适用于工况复杂、空间狭小的恶劣环境中。
[0019](2)本