锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的多参数测量装置及方法

本发明涉及光纤布拉格光栅传感器测量，尤其是涉及一种锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的多参数测量装置及方法。

背景技术：

1、微纳光纤布拉格光栅是一种自适应调制的光纤光栅，具有很高的光学性能和调制精度，与传统相比，具有更小的尺寸、更高的灵敏度、更高的承载容量。应用领域也在日益扩展，包括光纤通信、传感、光谱学、仪器仪表、生物医学等诸多领域。随着微纳加工技术的发展，制备微型光纤光栅的技术已逐渐成熟，制备成本和复杂度已明显下降，能够更好的满足实际应用的需求，研究者们也在思考着不同微型结构实现更精确的测量。

2、现有的磁场传感器制作都较为复杂，增加了成本，磁场和温度可测量范围较小，有的灵敏度为负且较低。

技术实现思路

1、本发明旨在至少改善现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的多参数测量装置及方法。

2、根据本发明第一方面实施例的锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的多参数测量装置，其中，包括：

3、温控箱，所述温控箱内设置有旋转台，所述旋转台上固定设置有电磁铁，所述电磁铁与所述温控箱均与外部可调电源电连接，用于产生垂直于光的传播方向和传感器平面的均匀磁场；

4、具有涂覆层的锥形微纳光纤布拉格光栅传感器，所述锥形微纳光纤布拉格光栅传感器设置于所述旋转台上且位于电磁铁之间；

5、宽带光源，所述宽带光源设置于所述温控箱一侧，所述宽带光源的出光口正对于所述锥形微纳光纤布拉格光栅传感器一侧；

6、光谱分析仪，所述光谱分析仪与所述锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的输出端电连接。

7、根据本发明实施例的锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的多参数测量装置，通过全新的锥形微纳光纤布拉格光纤光栅结构传感器，将该传感器浸在铁磁流体中，外层涂上一层特氟龙(teflon)涂覆层，结构简易，可实现磁场强度，温度以及磁场方向的三参数测量。利用锥形光纤布拉格光栅(fiber bragg grating，fbg)反射光谱为半峰全宽的特点，分析带宽的中心波长变化以获得在不同磁场强度/温度的变化。通过固定传感器在电磁铁中间，将电磁铁安装在旋转台上测量不同磁场方向下的变化。适当调节锥度，传感器各部分的热效应可以很好的相互补偿，解决了交叉敏感问题，也不需要利用传输矩阵分析法即可实现温度磁场的同时测量。本发明的多参数测量装置在光纤光栅领域具有潜在的应用前景。

8、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述电磁铁数量为两块，且关于锥形微纳光纤布拉格光栅传感器对称，使得电磁铁产生垂直于锥形微纳光纤布拉格光栅传感器平面的均匀磁场。

9、根据本发明第二方面实施例的锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的多参数测量方法，其中，包括：

10、步骤s100，利用fdtd软件、comsol软件及光栅设计软件构建锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的多参数测量模型；

11、步骤s200，锥形微纳光纤布拉格光栅传感器折射率计算，利用comsol软件计算锥形微纳光纤布拉格光栅传感器中不同分层的折射率；

12、步骤s300，将计算出的锥形微纳光纤布拉格光栅传感器中不同分层的折射率代入多参数测量模型中，依据不同的磁场强度、不同的温度以及不同的磁场矢量方向进行理论计算，得到锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的中心波长变化和半峰宽度变化，从而得到锥形微纳光纤布拉格光栅传感器理论值的灵敏度系数，

13、步骤s400，搭建如权利要求1所述的锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的多参数测量装置；

14、步骤s500，采用控制变量法分别测量得出第一预设阈值范围内的温度系数变化量、第二预设阈值范围内的磁场强度变化量和旋转台旋转第三预设阈值范围内的极坐标波长变化量，从而得到锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的中心波长变化，计算出锥形微纳光纤布拉格光栅传感器实际测量的灵敏度系数；

15、步骤s600，将实际测量的灵敏度系数与理论计算的灵敏度系数进行比较，得到实际测量的误差值；

16、步骤s700，判断实际测量的误差值是否在预期范围内，若是则跳转步骤s800，若不是则需要修正锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的参数和材质直至控制误差值在预期范围内；

17、步骤s800，完成锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的多参数测量过程。

18、根据本发明实施例的锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的多参数测量方法，利用全新的锥形微纳光纤布拉格光纤光栅结构传感器，将该传感器浸在铁磁流体中，外层涂上一层特氟龙(teflon)涂覆层，结构简易，可实现磁场强度，温度以及磁场方向的三参数测量。利用锥形光纤布拉格光栅(fiber bragg grating，fbg)反射光谱为半峰全宽的特点，分析带宽的中心波长变化以获得在不同磁场强度/温度的变化。通过固定传感器在电磁铁中间，将电磁铁安装在旋转台上测量不同磁场方向下的变化。适当调节锥度，传感器各部分的热效应可以很好的相互补偿，解决了交叉敏感问题，也不需要利用传输矩阵分析法即可实现温度磁场的同时测量。本发明的多参数测量方法解决以往磁场温度交叉敏感问题或磁场条件下温度不敏感问题，实现温度磁场的同时测量，并增加磁场方向的矢量检测，从而实现三参数测量，打破传统的单一测量或仅限于折射率变化测量，在光纤光栅领域具有潜在的应用前景。

19、在第二方面的一种可能的实现方式中，在步骤s200中，具体包括：

20、由于光纤光栅的半径会沿着锥度减少，基波传播模式具有不均匀的有效折射率neff(z)，因此光栅是具有可变的布拉格波长的，对于折射率的变化波长表示为：

21、

22、λb(0)＝2neffλ，

23、δneff(z)＝neff(z)-neff(0)，

24、从而得出折射率的变化波长λb(z)为：

25、λb(z)＝2neff(z)λ，

26、其中，neff(0)为初始布拉格光栅处的折射率，λb(0)为初始布拉格光栅处的波长，δneff(z)为折射率沿光栅变化量，neff为光栅的有效折射率，λ为光栅周期；

27、对于涂覆层，采用几何光学来计算涂覆层和外界介质环境的有效折射率：

28、

29、其中，dteflon为涂上涂覆层后直径，nteflon为涂覆层材料teflon的折射率，nff为外围介质ff的折射率。

30、在第二方面的一种可能的实现方式中，在步骤s300中，具体为：

31、当温度或磁场发生变化时，锥形微纳光纤布拉格光栅的带宽变化量δλfwhm为：

32、δλfwhm＝(δλm-δλ1)＝2(neffmλm-neff1λ1)(α+ξ)δt，

33、其中，δλm为光纤光栅中心波长变化量，δλ1为光纤光栅带宽端处波长变化量，neffm为光纤光栅中心位置的有效折射率，neff1为光纤光栅端处位置的有效折射率，λm为光纤光栅中心位置的光栅周期，λ1为光纤光栅端处位置的光栅周期；

34、使用langevin函数来计算折射率n：

35、

36、其中，ns为饱和折射率，n0为初始折射率，α为拟合参数，h为可调制磁场，hc,n为临界磁场，t为环境温度。

37、在第二方面的一种可能的实现方式中，步骤s500中，通过改变外部可调电源电流大小来调节磁场强度，利用旋转台调节磁场方向，通过光谱分析仪观察光谱变化。

38、在第二方面的一种可能的实现方式中，所述锥形微纳光纤布拉格光栅传感器由普通单模光纤通过熔融拉锥法制得锥形微纳光纤，再由相位掩模法在拉锥后的微纳光纤锥部分刻写光纤布拉格光栅。

39、在第二方面的一种可能的实现方式中，所述第一预设阈值范围为0-90℃，所述第二预设阈值范围为0-290gs，所述第三预设阈值范围为旋转台旋转0-360°。

40、在第二方面的一种可能的实现方式中，所述锥形微纳光纤布拉格光栅传感器的锥腰直径范围为2μm～16μm，长度为2cm，锥形布拉格波长半宽为1550nm-1590nm，基于此结构的微纳光纤光栅结构简单、体积小、耗材少，对环境较为敏感，监测性能参数较好。

41、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。