本发明涉及光纤传感器件领域，特别涉及一种基于lpfg级联fbg的应力与温度双参数传感器的制备方法。
背景技术：
光纤传感技术是20世纪70年代发展起来的新型传感技术，通过调制光纤中传输光的强度、相位、波长、偏振态并对这些变化进行监测，实现对温度、应变、压力、声振动、角速度等多种参量的测量。由于光纤传感器具有体积小、重量轻、测量灵敏度高、复用能力强、抗电磁干扰、易于嵌入材料内部等优点，近年来受到广泛关注，成为传感技术研究领域的热点之一。与传统的机电或电子传感器相比，光纤传感器更符合现代生物传感技术的需求，具有重要的学术价值和应用前景。
然而，目前针对传感器的研究更多的是单一变量的传感测量，而实际环境并不是简单的单一变量，交叉敏感问题无处不在。近年来，对于双参数测量传感器的研究也受到研究者的广泛青睐。2012年葡萄牙c.gouveia等人利用高双折射光纤制作了能够同时传感折射率和温度的光栅腔传感器，通过分别测量干涉条纹对比度和波长漂移变化来解调折射率和温度的变化，实现的快慢轴折射率灵敏度分别达到-1.06％0.01riu和-0.96％.0.0riu，温度灵敏度达到10.52pm/℃和10.13pm/℃。2014年jianyingyuan等人利用长周期光纤光栅与sagnac干涉环串联，实现了温度及折射率的同时测量，折射率灵敏度为16.864nm/riu，温度灵敏度为1.533nm/℃。2015年，简永生课题组提出了一种基于耦合型双芯光纤级联布拉格光纤光栅的温度与应力双参数解耦测量的全光纤型传感系统，可以分别实现4.3048με及0.4562℃的应力与温度传感测量分辨率。2016年，shengnanwu等人通过fbg连接侧面开口的光纤f-p腔，并应用于气体压力和温度的测量，气体压力灵敏度分别为4.063pm/kpa和4.071pm/kpa，温度交叉敏感度为214pa/℃和204pa/℃。2017年，天津大学徐德刚设计了一种基于级联保偏光纤和长周期光纤光栅的sagnac环温度和环境折射率双参量传感器，其温度灵敏度1.2nm/℃，环境折射率灵敏度为15nm/riu。
温度和应变都是表征物质物理和化学性质的重要参数，温度和应变测量在大型飞行器质量监控、生物医疗、石油探测、桥梁建筑等重要领域有着极其广泛的应用，已经广泛地应用到国民经济的各个领域；但是，复杂的现实环境中存在着各种变量，单一的干涉式光纤传感器对压强和温度两种物理参数都敏感，测量压强或温度时会出现交叉敏感的问题，很难实现压强和温度的同时测量。双参数的实时测量对于真实的现实环境显得尤为重要。
因此，需要一种能有效地对应力与温度进行实时动态测量的基于lpfg级联fbg的应力与温度双参数传感器的制备方法。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供一种基于lpfg级联fbg的应力与温度双参数传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：利用co2激光器加工第一单模光纤，得到lpfg；
步骤二：利用准分子激光加工第二单模光纤，得到fbg；
步骤三：重复步骤二，得到与步骤二中波段范围不同的fbg；
步骤三：利用光纤熔接机将上述lpfg与两个上述fbg级联，制成应力与温度双参数光纤传感器。
优选地，所述co2激光器的激光束功率为1mv，加工速度为10m/s。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种基于lpfg级联fbg的应力与温度双参数传感器，包括：第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤，所述第一单模光纤包括lpfg结构，所述第二单模光纤和第三光模光纤均包括fbg结构，所述第一单模光纤、第二单模光纤与第二单模光纤进行级联，构成传感结构。
优选地，两个fbg结构在不同的波段范围内。
优选地，所述单模光纤采用smf-28单模光纤。
优选地，所述fbg结构为采用准分子激光加工得到，所述lpfg结构为采用co2激光器加工得到。
本发明提出一种将lpfg与fbg的级联结构，当温度或应变发生变化时，中心波长也随之发生变化。由于lpfg和fbg的光栅周期和光学系数是不同的，所以温度和应变灵敏度不同，因此，灵敏度矩阵可用于双参数测量。
本发明提出一种基于长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅的光纤级联应力与温度测量传感结构，采用两种灵敏度不同的lpfg结构和fbg结构进行级联，通过观察其透射光谱，得到该双参数传感器的温度传感特性和应变传感特性，进而求得lpfg和fbg两种微结构的温度灵敏度和应变灵敏度，进而带入灵敏度矩阵，实现对温度和应变的双参数测量。本发明的该光纤传感器灵敏度高，线性度好，可以同时动态实现应变和温度的测量，具有广阔的应用前景和重要的参考价值。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出了本发明的双参数传感器的透射谱图。
图2示出了在升温过程中本发明的双参数传感器的透射谱图，其中，(a)为整体图，(b)为fbg1的细节图，(c)为lpfg的细节图，(d)为fbg2的细节图。
图3示出了在降温过程中本发明的双参数传感器的透射谱图，其中，(a)为整体图，(b)为fbg1的细节图，(c)为lpfg的细节图，(d)为fbg2的细节图。
图4示出了本发明的双参数传感器的温度响应曲线。
图5示出了加载过程中本发明的双参数传感器的透射谱图，其中，(a)为整体图，(b)为fbg1的细节图，(c)为lpfg的细节图，(d)为fbg2的细节图。
图6示出了在卸载过程中本发明的双参数传感器的透射谱图，其中，(a)为整体图，(b)为fbg1的细节图，(c)为lpfg的细节图，(d)为fbg2的细节图。
图7示出了本发明的双参数传感器的应变响应曲线。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
本发明提供一种一种基于lpfg级联fbg的应力与温度双参数传感器，包括：第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤，所述第一单模光纤包括lpfg结构，所述第二单模光纤和第三光模光纤均包括fbg结构，所述第一单模光纤、第二单模光纤与第二单模光纤进行级联，构成传感结构。
具体的，两个fbg结构在不同的波段范围内。所述单模光纤采用smf-28单模光纤。所述fbg结构为采用准分子激光加工得到，所述lpfg结构为采用co2激光器加工得到。
本发明提出的一种将lpfg与fbg的级联结构，当温度或应变发生变化时，中心波长也随之发生变化。由于lpfg和fbg的光栅周期和光学系数是不同的，所以温度和应变灵敏度不同，因此，灵敏度矩阵可用于双参数测量。
本发明还提供一种基于lpfg级联fbg的应力与温度双参数传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：利用co2激光器加工第一单模光纤，得到lpfg；
步骤二：利用准分子激光加工第二单模光纤，得到fbg；
步骤三：重复步骤二，得到与步骤二中波段范围不同的fbg；
步骤三：利用光纤熔接机将上述lpfg与两个上述fbg级联，制成应力与温度双参数光纤传感器。
本发明采用两种灵敏度不同的lpfg结构和两个fbg结构进行级联，通过观察其透射光谱，得到该双参数传感器的温度传感特性和应变传感特性，进而求得lpfg和fbg两种微结构的温度灵敏度和应变灵敏度，进而带入灵敏度矩阵，实现对温度和应变的双参数测量。本发明的该光纤传感器灵敏度高，线性度好，可以同时动态实现应变和温度的测量，具有广阔的应用前景和重要的参考价值。
进一步地，本发明制备得到的双参数传感器能够实现温度与应力的双参数监测与测量，双参数测量的解调过程可以表示为：
设外界温度t和应力ε发生变化时，光纤lpfg和fbg的透射谱波长变化与温度变化δt、应力变化δε存在如下相关关系：
其中：当i＝1,2，δλ1是中心波长漂移量。δt和δε分别为温度和应变的变化，kti和kεi分别为温度灵敏度和应变灵敏度；
由可得，lpfg与fbg的温度、应变、波长漂移存在如下关系：
对求其逆矩阵，可得
两种微结构具有相似的灵敏度，将导致两个相邻的波长移动。因此，方程中的矩阵可以简化为：
因此，无法进行双参数测量。所以，需要两个灵敏度不同的微结构才可实现双参数的测量。
以下通过实验分别对本发明的双参数传感器的温度传感特性和应变传感特性进行研究分析。
所述实验系统包括c+l波段宽带光源、光谱仪、1×2光纤耦合器，加热平台或等强度梁。将所制备的双参数传感器接入1×2耦合器连接光谱仪和光源，其中，所述c+l波段宽带光源的波长范围为1520-1610nm，功率变化范围在2.6dbmm；所述光谱仪采用yokogawaaq6375光谱仪(1200nm～2400nm)，最小分辨精度为0.05nm。由于滤波效应的不同，级联结构的透射谱也不同。
参见图1，为实验系统的3个光栅结构的透射谱图，为了验证本发明的结构的正确性，本发明的级联结构接入两支波长相差较大的fbg和一支lpfg，透射谱分别位于1536.3nm、1551.2nm、1577.3nm。实验选取fbg和lpfg的波谷作为检测点，对应的检测点分别为dipa，dipb，dipc，对两处波长漂移进行解调，验证该级联光栅结构的双参数传感特性。
温度传感特性
为保证实验环境的洁净度与温湿度，实验均在恒温25℃的超净间环境下对250～500με应变变化范围内对传感器应变特性进行测试。
将三支光栅级联的光纤传感结构固定在加热平台的上表面上，温度变化范围为45-70℃，步长5℃，待温度稳定后记录光谱仪中光谱数据，实验结果如图2、图3所示。
参见图2，为升温过程双光栅级联结构透射光谱，其中，(a)为整体图、(b)为fbg1细节图、(c)lpfg细节图,(d)为fbg2细节图。由图可知：升温过程三支光栅发生红移；其中，在25℃温度变化范围内，dip，dipb，dipc的波长漂移最大为0.44nm，0.98nm和0.46nm；温度灵敏度分别为17.26pm/℃，40.69pm/℃和18.17pm/℃。
相似地，降温过程双光栅级联结构透射光谱如图3所示，整体图、fbg1细节图、lpfg细节图和fbg2细节图分别如图3中(a)、(b)、(c)(d)所示。结合实验数据可知：降温过程三支光栅发生蓝移。具体参数列入表1中。
表1双光栅级联结构温度传感特性参数
以初始传输频谱为基线，其余的实验数据都减去基线，双光栅级联结构的温度响应曲线如图4所示，由图可知：fbg1与fbg2具有相近的温度灵敏度，约18.43pm/℃；lpfg具有更高的温度灵敏度，为41.66pm/℃；三个光栅结构包含有接受的回程误差，表现出良好的线性度。
应变传感特性
以厚度2mm、中心线280mm的航铝7075-0等强度梁为测试基体，将双光栅级联结构的3个光栅结构等距粘贴于等强度梁中心点的位置。粘贴前对3个光栅结构进行一定预紧，用低温胶将其固定，并于室温下固化24小时。
为保证实验环境的洁净度与温湿度，实验均在恒温25℃的超净间环境内完成。加载或卸载过程中对应的应变范围为250～500με，步长50με，加载及卸载过程波长变化如图5、图6所示。
由图5、及其细节图(b)(c)(d)可以看出，加载过程三支光栅发生蓝移。其中，dip，dipb，dipc的波长漂移最大为0.32nm，0.44nm和0.32nm；温度灵敏度分别为-1.51pm/με，-1.93pm/με和-1.30pm/με。相似地，卸载过程中，卸载过程三支光栅发生红移，如图6所示。具体参数列入表2中。
表2双光栅级联结构应变传感特性参数
以初始传输频谱为基线，其余的实验数据都减去基线，双光栅级联结构的应变响应曲线如图7所示，由图可知：fbg1与fbg2具有相近的应变灵敏度，约-1.32pm/με；lpfg具有更高的应变灵敏度，为-2.23pm/με；三支光栅结构包含有接受的回程误差，表现出良好的线性度。
综合图4-图7可知：不考虑他们的初始波长距离时，长周期光纤光栅与布拉格光纤的级联结构可用于温度和应变的双参数测量，而两个布拉格光栅的级联结构不能用于双参数的测量。由于回程误差，对表1和表2中相关参数取平均值作为相应的灵敏度系数并代入公式(4)，可得到该双光栅级联机构的温度应变传感矩阵方程，为：
综上，本发明的基于lpfg级联fbg的应力与温度双参数传感器，在理论和实验上均验证可用于实现对温度和应力的测量。实验结果表明：在45～70℃温度变化范围内，波谷位置分别为1536.3nm、1551.2nm、1577.3nm的三支光栅的温度灵敏度分别为18.06pm/℃、41.66pm/℃、18.80pm/℃。在250～500με应变范围内，三支光栅的应变灵敏度分别为-1.26pm/με、-2.23pm/με、-1.39pm/με。通过分析三支光栅的波长漂移和参数响应参数，可以确定灵敏度矩阵；因此，本发明提出的基于lpfg与fbg级联的双参数光纤传感器可有效地用于双参数测量。
本发明提出一种基于长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅的光纤级联应力与温度测量传感结构，采用两种灵敏度不同的lpfg结构和fbg结构进行级联，通过观察其透射光谱，得到该双参数传感器的温度传感特性和应变传感特性，进而求得lpfg和fbg两种微结构的温度灵敏度和应变灵敏度，进而带入灵敏度矩阵，实现对温度和应变的双参数测量。本发明的该光纤传感器灵敏度高，线性度好，可以同时动态实现应变和温度的测量，具有广阔的应用前景和重要的参考价值。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。