基于游标效应的光纤光栅温度传感器和温度传感装置

1.本实用新型涉及传感器技术领域，具体是一种基于游标效应的光纤光栅温度传感器和基于游标效应的光纤光栅温度传感装置。


背景技术：

2.由于某些特殊应用领域对光纤温度传感器灵敏度有了更高要求，研究人员开始将游标效应作为一种增敏手段，从而进一步应用于光学检测中并取得一定的成效。
3.目前现有技术提出了各种光学游标结构，已经提出包括：fpi、mzi和fsi等的级联结构，但通常两个滤波器具有相同的灵敏度，不利于游标效应的产生。
4.通过组合两个不同灵敏度的干涉仪使用低灵敏度的干涉仪作为游标固定部分，高灵敏度的干涉仪作为游标滑动部分可以解决这个问题，但作为固定刻度的干涉仪影响仍然存在，且会被游标效应放大。由此，仍存在可解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种用于的光纤光栅温度传感器和基于游标效应的光纤光栅温度传感装置。
6.为了实现上述目的，在本实用新型第一方面，提供一种基于游标效应的光纤光栅温度传感器，光纤光栅温度传感器包括光纤，在光纤内包括级联的第一区域和第二区域，第一区域设置有两个结构参数一致且相隔预设距离的布拉格光纤光栅结构作为谐振腔从而构成fbg-fp腔，第二区域设置有两个长周期光纤光栅结构从而构成双长周期光纤光栅结构，fbg-fp腔与双长周期光纤光栅结构进行级联产生游标效应；fbg-fp腔与长周期光纤光栅结构通过至少两种级联方式，使得fbg-fp腔与长周期光纤光栅结构产生低灵敏度的结构和高灵敏度的结构。
7.在本实用新型实施例中，低灵敏度的结构作为游标固定部分，高灵敏度的结构作为游标滑动部分。
8.在本实用新型实施例中，两个布拉格光纤光栅结构为第一布拉格光纤光栅结构和第二布拉格光纤光栅结构，第一布拉格光纤光栅结构和第二布拉格光纤光栅结构的光栅长度为1000μm，光栅周期为0.5358μm，折射率调制深度为0.00015，第一布拉格光纤光栅结构和第二布拉格光纤光栅结构的长度为3000μm。
9.在本实用新型实施例中，两个长周期光纤光栅结构为第一长周期光纤光栅和第二长周期光纤光栅，第一长周期光纤光栅和第二长周期光纤光栅的光栅长度为50000μm，光栅周期为670.70882μm，折射率调制深度为0.00015，第一长周期光纤光栅和第二长周期光纤光栅的长度为50000μm。
10.在本实用新型实施例中，光纤包括以下的任一者：单模光纤、多模光纤、光子晶体光纤。
11.在本实用新型实施例中，光纤为单模光纤，纤芯直径为4.15μm，折射率为1.4492 μ
m,光纤包层直径为58.35μm，折射率为1.4403μm。
12.在本技术的第二方面，还提供一种基于游标效应的光纤光栅温度传感装置，包括如上述的纤光栅温度传感器，光纤光栅温度传感装置还包括：光信号发射器、光隔离器以及光谱仪；其中，光信号发射器与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端与光纤光栅温度传感器的输入端连接，光纤光栅温度传感器的输出端与光谱仪连接。
13.在本实用新型实施例中，光信号发射器所发射的光信号为波长为800～1800nm的无突变的连续谱激光光源。
14.在本实用新型实施例中，光谱仪为检测波长范围在800～1800nm光强的光谱仪，检测灵敏度小于1nm。
15.在本实用新型实施例中，光信号发射器发射出1550nm的入射光信号。
16.通过上述技术方案，具备以下的有益效果：由于本实用新型实施例所提供的光纤光栅温温度传感器采用不同灵敏度的结构进行级联组合，通过产生游标效应，使传感器对温度具有更高的灵敏度；光纤光栅温度传感器设计的光纤光栅结构参数，如：光纤光栅长度、光栅周期和折射率调制深度可以得到精确控制，可以灵活设计，调节传感灵敏度和分辨率；光纤光栅温度传感器选用光纤制备，具有成本低、制备简单等优点；光纤光栅温度传感器采用光纤光栅技术，制备的fbg-fp腔，不仅保留了传统fp腔的优点，同时还具有物理强度高，测量范围广的优点；双lpfg结构对比传统的mach-zehnder干涉仪更容易实现，减小测量误差，有更高的分辨率。
17.本实用新型实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
18.附图是用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型实施例，但并不构成对本实用新型实施例的限制。在附图中：
19.图1是本实用新型实施例所提供的基于游标效应的光纤光栅温度传感器的结构示意图；
20.图2是根据本实用新型实施例的基于游标效应的光纤光栅温度传感装置的结构示意图；
21.图3为本实用新型实施例所示意的透射光谱图；以及
22.图4为本实用新型实施例所示意的反射光谱图。
23.附图标记说明
24.100、光纤光栅温度传感器；
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30、光纤；
25.10、光纤光栅法布里-珀罗腔；
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20、双长周期光纤光栅结构；
26.101、第一布拉格光纤光栅结构；
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102、第二布拉格光纤光栅结构；
27.201、第一长周期光纤光栅201；
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202、第二长周期光纤光栅；
28.1、光信号发射器；
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2、光隔离器；
29.3(100)、光纤光栅温度传感器；
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4、光谱仪；
30.5、上位机。
具体实施方式
31.以下结合附图对本实用新型实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型实施例，并不用于限制本实用新型实施例。
32.以下结合附图对本实用新型实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型实施例，并不用于限制本实用新型实施例。
33.需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
) 仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
34.另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“或”的含义为，包括三个并列的方案，以“a或b”为例，包括a方案，或b方案，或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
35.为了更好地理解本方案，本方案就以下即将设计的专业术语予以阐述。
36.光纤光栅：其形成方式主要是使用各类激光使光纤产生轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个(透射或反射)滤波器或反射镜，将确定频率/波长的导模反射，原理类似多层增反膜，其滤波波长称为布拉格波长，在确定条件下布拉格波长等于光栅所在位置的有效折射率乘以光栅几何周期，而有效折射率和光栅周期会随温度和应力状态改变，这也是光纤光栅应用于应力及温度传感的基础。
37.【实施例一】
38.参照图1所示，图1是本实用新型实施例所提供的基于游标效应的光纤光栅温度传感器100的结构示意图。
39.该光纤光栅温度传感器100包括至少一光纤30，截取该光栅温度传感器的光纤30 其中的一段光纤30予以示例，在该段光纤30上刻写第一布拉格光纤光栅结构101和第二布拉格光纤光栅结构102，并设置为第一布拉格光纤光栅结构101和第二布拉格光纤光栅结构102相隔一定预设的距离，由此第一布拉格光纤光栅结构101和第二布拉格光纤光栅结构102构成fbg-fp腔10(fbg-fp腔：光纤光栅法布里-珀罗腔，下同)，以使光信号在其之间可进行自由传输。
40.进一步地，在同一根光纤30上沿着光路的方向上，该段光纤30上还刻写第一长周期光纤光栅201和第二长周期光纤光栅202，第一长周期光纤光栅201和第二长周期光纤光栅202同样间隔预设的距离，从而构成双长周期光纤光栅结构20。
41.为了实现游标效应，光纤光栅法布里-珀罗腔10和双长周期光纤光栅结构20通过不同的级联方式，组合两个灵敏度不同的结构从而产生游标效应；
42.可以理解，游标效应是由于在光学中存在的刻度尺形式的物理现象，例如宽谱光
源经历过法布里-珀罗腔标准具后的反射或者透射谱就是一个梳状光谱，又比如布拉格取样光栅的反射光谱。
43.梳妆光谱的峰值间距可以通过调节光信号的宽度或者光纤光栅法布里-珀罗腔10、双长周期光纤光栅结构20的腔长进行调节，目的是使得光信号经由光纤光栅法布里-珀罗腔10、双长周期光纤光栅结构20后，可获得两个峰间距有差别的光谱，将光谱互相影响就可形成光学游标效应，假定其中一个腔体结构(光纤光栅法布里-珀罗腔10和双长周期光纤光栅结构20的其中一个)收到外界环境影响，如温度、压力、应变，其光谱在保持峰间距的情况下发生微小的平移，通过检测初始对齐的光谱和当前的光谱，就可以将发生的微小位移进行放大读数，从而实现传感，可以在保持较大的测量范围以及提高测量的灵敏度。
44.更近一步地，上述所提到的级联方式可以如循环级联，级联放大器或者设置接口，在级联后，光纤光栅法布里-珀罗腔10和双长周期光纤光栅结构20可以根据测量环境以及设计的结构参数去改变它们的灵敏度，其中低灵敏度的结构作为游标固定部分，高灵敏度的结构作为游标滑动部分。
45.更进一步地，光纤光栅法布里-珀罗腔10在设计时，要保证两个布拉格光纤光栅的结构参数(即第一布拉格光纤光栅结构101和第二布拉格光纤光栅结构102)一致，且相隔预设的第一距离(该第一距离根据光纤的大小结构，距离通过实验调配得到)，第一布拉格光纤光栅结构101和第二布拉格光纤光栅结构102通过布局设置以构成fbg-fp腔。
46.同时双长周期光纤光栅结构20在设计时，要保证两个长周期光纤光栅结构(即第一长周期光纤光栅201和第二长周期光纤光栅202)参数一致，且相隔预设的第二距离，该第二距离同样根据光纤的尺寸具体根据实验确定，继而将两个长周期光纤光栅结构级联构成双长周期光纤光栅结构。
47.其中，上述提到的“结构参数”指代光栅结构的长、宽、深度以及其他尺寸参数。
48.可以理解，在本实用新型实施例中，上述所提到的光纤的具体形貌是可以不予限定的，其可以是多种多样的，根据测量的环境条件和测量的温度范围，可以选择不同种类的光纤，还可以改变光纤的材料，组成成分，还可以设计不同的形状，对光纤根据实际情况专门设计。
49.进一步地，上述所提到的光纤可以包括：单模光纤、多模光纤、光子晶体光纤等。
50.其中在一个具体的实施例中，可以通过紫外光刻技术的形式刻写光纤光栅温度传感器100中的结构，采用紫外光源，实现将所涉及的腔体结构转移至光纤上。
51.紫外光刻技术为本领域人员常见技术手段，再次不过多阐述。
52.在一个具体的实施例中，其中第一布拉格光纤光栅结构101和第二布拉格光纤光栅结构102的光栅长度为1000μm，光栅周期为0.5358μm，折射率调制深度为0.00015，第一布拉格光纤光栅结构101和第二布拉格光纤光栅结构102的长度为3000μm，构成光纤光栅法布里-珀罗腔10；第一长周期光纤光栅10和第二长周期光纤光栅202的光栅长度为50000μm，光栅周期为670.70882μm，折射率调制深度为0.00015，第一长周期光纤光栅10和第二长周期光纤光栅202的长度为50000μm，构成双长周期光纤光栅结构 20。
53.本领域技术人员应当可以理解，以上的数据均根据分析得到，在以上的数据上作出简单的变动，如将第一布拉格光纤光栅结构101和第二布拉格光纤光栅结构102的光栅周期在正负0.05μm调制，仍应当属于本实用新型实施例所涵盖的保护范围内，
54.在光纤光栅温度传感器100的级联方式，可以采用上述高灵敏度的光纤光栅法布里
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珀罗腔10作为游标滑动部分，上述低灵敏度的双长周期光纤光栅结构20作为游标固定部分，通过级联产生游标效应。
55.通过将以上所构成光纤光栅温温度传感器放置在空气中后，采用温控装置中对传感器周围的温度变化做出温度调节。实验中，温度变化在-20℃～100℃之间，同时记录了-20～100℃的温度变化范围，通过光谱仪得到了传感器的透射光谱图如图3所示和反射光谱图如图4所示。可以明显看出，对比于单独的fbg-fp腔结构和双lpfg结构，本实用新型实施例的温度传感器的温度灵敏度和测量范围都有了进一步的提高。
56.综上，本实用新型实施例通过上述技术方案，具备以下的有益效果：由于本实用新型实施例所提供的光纤光栅温温度传感器采用不同灵敏度的结构进行级联组合，通过产生游标效应，使传感器对温度具有更高的灵敏度；光纤光栅温度传感器100设计的光纤光栅结构参数，如：光纤光栅长度、光栅周期和折射率调制深度可以得到精确控制，可以灵活设计，调节传感灵敏度和分辨率；光纤光栅温度传感器100选用光纤制备，具有成本低、制备简单等优点；光纤光栅温度传感器100采用光纤光栅技术，制备的fbg-fp 腔，不仅保留了传统fp腔的优点，同时还具有物理强度高，测量范围广的优点；双lpfg 结构对比传统的mach-zehnder干涉仪更容易实现，减小测量误差，有更高的分辨率。
57.【实施例二】
58.参照图2所示，图2是根据本实用新型实施例的基于游标效应的光纤光栅温度传感装置的结构示意图；本实施例提供了一种基于游标效应的光纤光栅温度传感装置，该传感装置包括光信号发射器1、光隔离器2、光纤光栅温度传感器3(同上述的光纤光栅温度传感器100，为标号清楚连续，用光纤光栅温度传感器3替代)、光谱仪4以及上位机 5；其中信号发射器1、光隔离器2、光纤光栅温度传感器3光谱仪4以及上位机5按照光路顺序连接。
59.进一步地，光信号发射器1可以输出入射光，入射光经过光隔离器2后，经由光隔离器2的入射光进入光纤光栅温度传感器3，入射光经过光纤光栅温度传感器3时会发生干涉，经过光纤光栅温度传感器3干涉后的入射光进入光谱仪4，光谱仪4连接至上位机 5，最后在上位机5中分析对应数据。
60.其中，上位机5可以是pc端、手机、平板或者微机。
61.请参照图2，通过多次调控光信号发射器1所输出的入射光，本实例中光信号发射器1采用的入射光输出波长为1550nm，光谱仪4的检测波长范围为1545至1555nm，在该次检测实验中，光纤光栅温度传感器3中的光纤采用的是常规的单模光纤，其纤芯直径为4.15μm，折射率为1.4492μm,光纤包层直径为58.35μm，折射率为1.4403μm。
62.通过温度控制器模拟外界温度发生变化时，以一定的形式作用于光纤光栅温度传感器3，导致其干涉输出信号发生相应变化，通过分析光谱仪4的数据，可以得到外界温度的变化参量，从而实现温度传感。通过调控光信号发射器1不同波长范围的信号光以及光纤光栅温度传感器3中fpg-fp腔和双长周期光纤光栅的结构参数，可以实现不同环境下的温度测量，同时也可以进一步提高传感器在不同环境下对温度测量的灵敏度。
63.根据测量温度所在的不同环境以及光纤光栅设计需要的不同入射光波长范围要求，光信号发射器1可以为波长在800～1800nm范围内连续变化的无突变的连续谱激光光源，光谱仪4可以为检测波长范围在800～1800nm光强的光谱仪，检测灵敏度小于1nm。
64.请结合图1以及图2，本实用新型实施例的传感装置的工作原理为：光信号发射器 1发出的1550nm的入射光信号，通过单模光纤进入光隔离器2，光隔离器2可以很大程度上减小布拉格光栅产生的反射光对光源的光谱输出功率稳定性产生的不良影响，入射光经过光隔离器2后，进入光纤光栅温度传感器3，入射光经过第一布拉格光纤光栅结构 101后，一部分光反射回来，另一部分光则透过去，而透过布拉格光纤光栅结构10的光继续向前传播至第二布拉格光纤光栅结构102，有部分光仍透射过去，而被第二布拉格光纤光栅结构102反射回来的光会在第一布拉格光纤光栅结构101和第二布拉格光纤光栅结构102构成光纤光栅法布里-珀罗腔10中发生干涉；
65.进一步地，经过第二布拉格光纤光栅结构102的透射光继续向前传播遇到第一长周期光纤光栅201时，部分能量耦合到包层中继续向前传输，当遇到第二长周期光纤光栅 202时，包层中进行传输的能量消耗了一部分，剩下的能量又会耦合会纤芯中，再次耦合时在透射谱中形成了干涉条纹，相当于形成了mach-zehnder效应(mach-zehnder效应：马赫-曾德尔效应，参照mach-zehnder干涉仪)，经过光纤光栅温度传感器3的光信号进入光谱仪4，光谱仪4连接至上位机5，最后在上位机中分析温度数据。
66.综上，本实用新型实施例基于以上的光纤光栅温度传感器3的基础上，可以衍生出一种光纤光栅温度传感装置，该装置在光纤光栅温度传感器的基础上，合并原有的光信号发射器、光隔离器、以及光谱仪等器件，该光纤光栅温度传感装置可以不限定尺寸、外形轮廓，仅需利用到了传感元件对应的元件实现了相同或者相似的功能，均同样应属于本实用新型所保护的范围内。
67.本领域技术人员还应当理解，如果将本实用新型所提供的光纤光栅温度传感器或者光纤光栅温度传感器、经过简单变化、在其上述方法增添功能进行组合、或者在其装置上进行替换，如各组件进行型号材料上的替换、使用环境进行替换、各组件位置关系进行简单替换等；或者将其所构成的产品一体设置；或者可拆卸设计；凡组合后的组件可以组成具有特定功能的方法/设备/装置，用这样的方法/设备/装置替代本实用新型的方法和装置均同样落在本实用新型的保护范围内。
68.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
69.以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。