嵌入FBG- lpg的光纤尖端传感器，通过简单测量FBG特性来测定温度和折射率

摘要

提出了一种基于长周期光栅(LPG)和布拉格光栅(FBG)混合结构的光纤传感系统，并进行了实验验证。利用布喇格光栅和长周期光栅在温度和折射率(RI)上的不同响应的混合结构，可以同时识别不同水溶液的温度和折射率。实验确定了RI (1.33 RIU - 1.40 RIU)和温度(21°C - 28°C)的工作范围。实验结果表明，在工作范围内实现了带温度补偿的折射率测量的最大精度(0.004 RIU)。

1.介绍

基于光栅的光纤传感器具有体积小、抗电磁干扰、灵敏度高、多路复用等优点，在化学和生物化学传感领域引起了广泛的关注[1］.

根据光栅周期，光纤光栅可以（在一个范围内数百微米的的LPG，周期）被分类为短周期光栅（或光纤布拉格光栅，光纤光栅，周期的范围几百纳米）和长周期光栅。

FBG的诱导的基本芯内传播模式到其相应的反向传播模式的耦合，而的LPG由模式传播纤芯模之间的耦合，其特征在于与共同传播的包层模式这引起在透射光谱的一系列衰减频带的中心在离散波长该验证每个耦合包层模式的匹配条件[2，3.］.在最后的情况下，LPG的谐振波长耦合包层模式依赖于外部折射率[4]和核心的任何调制和包层导引性能将修改LPG的光谱响应。

基于光栅的传感器已被提出用于范围广泛的应用，包括应变，温度，压力的测量值，和折射率（RI）和许多例子在文献中报道。然而，在感测的情况下，最显著限制之一是两个光栅结构，以不同的参数的敏感性：用于FBG的应变和温度以及用于的LPG应变，温度，和外部的折射率。

为了克服应变-温度交叉敏感效应，使多参数测量成为可能，在文献中对几种技术和配置进行了深入的研究和提出。这些解决方案包括基于双波长叠加光栅的配置[5，6，倾斜FBG [7]、用不同直径的纤维所写的纤维状图[8]，和混合LPG / FBG [9］.

分别确定的温度和不同的水溶液的折射率，许多配置已被提出，包括马赫 - 曾德尔干涉仪上锥形光纤实现[10]，混合级联LPG / FBG配置具有热稳定流动池集成[11，以及在d型光纤中uv内嵌的混合LPG/FBG结构[12］.

在本文中，我们现在和演示实验新光纤传感器，其使得能够对温度和不同的水溶液的折射率之间同时判别由LPG和写在同一光纤截面的FBG的装置通过简单地测量两个波长偏移和仅对应于FBG共振峰的幅度调制。这种方法已经被提出[13，但据我们所知，这是该方法第一次得到实验验证。

设计和混合光学传感器的特征被描述和结果显示的可能性，以获得不同的水溶液通过监测一种制造温度校正的折射率的精确值只的布拉格反射在反射功率的变化和共振术语光谱波长偏移。

具体来说，虽然布拉格共振波长的偏移仅与温度变化有关，但温度和外界折射率的变化都会对布拉格反射光谱产生影响。

实验结果表明，良好的精度，结构简单，以及用于校正温度效应易于操作是所提出的设备的优点。

2。材料和方法

2．1.操作原理

由于LPG是R 1和温度，的LPG基于传感器的最重要的问题之一固有地敏感是那些两个参数的鉴别。LPG和FBG的混合结构是一个简单的解决方案，以促进这样的参数的同时测量，因为FBG的响应不会受到周围RI变化。

该结构的示意图如图所示1(一)．传感器探头由一个LPG后跟一个FBG，都在相同的光纤永久刻。

特别地，FBG必须被设计成在频谱上位于LPG的响应的边缘和最终透射光谱必须具有如图所示的形状1 (b)．两个光栅的谐振峰占用相同的带宽，这是该结构的关键。此外，LPG与FBG之间的光谱位置和光谱距离也会影响RI和工作范围的传感器。

的混合LPG-FBG结构是在温度和任何改变周围介质的折射率，导致两光栅的谐振波长的偏移，从而透射光谱的修改报告在图敏感1 (b)．

温度和外部折射率扰动引起的光栅谐振波长的变化可以用以下公式表示: 在哪里和分别是光纤光栅和LPG的温度系数引起的通过温度变化， 尽管是一个非线性函数，表示LPG对外部RI的敏感性．特别是，当两者的折射率和该溶液的温度上升，该LPG的共振峰将朝向较短波长（蓝移）移动。与此相反，光纤光栅的峰值会向着较长的波长（红移）当温度增加时移动，并且将成为外部折射率变化不变。

为了明确传感器的工作原理，我们可以考虑图2，对温度和折射率对透射光谱和反射光谱的影响分别进行定性分析。周围折射率的任何变化(图2(一个))只确定液化石油气共振波长的位移，导致布拉格反射光谱的简单振幅调制。相反，当温度发生变化时，两个光栅的共振波长都发生了位移(图)2 (b))，这不仅导致布拉格反射功率的振幅调制，而且导致布拉格共振波长漂移。因此,而RI信息仅通过监测布拉格反射光谱，根据布拉格波长偏移和反射功率变化即可推断。

如将在下一节中描述和实验证明，该传感器的行为可以由以下等式来描述： 如图（2)， FBG的波长只受温度变化的影响，这种关系可以用来分离以及RI效应。用(2) (3.)时，可以计算出布拉格反射功率、波长位移和RI变化之间的关系。一个人 在哪里为传感器的热灵敏度。

通过描述这两种关系（2)和(4)分别在温度和波长范围内线性。这些间隔的宽度与光栅在透射谱上的相互位置有关。

事实上,温度以及波长的选择传感器的工作范围取决于适当的选择上的光栅位置透射谱:越光栅透射谱的山峰是遥远的,小范围的线性响应。

通过 （4),这个函数关系到周围RI可以如下获得： 如(5)，利用温度引起的波长位移来进行温度补偿。

最后，通过反转功能获得(5)时，得到温度补偿的RI值。

3.实验装置

3.1。光栅的制作

通过准分子KrF激光器(LAMBDA PHYSIC COMPex 110)照射一个矩形相位掩模(1059.9 nm相位掩模周期)，FBG被铭刻在光敏的硼锗共掺光纤(Fibercore PS1250/1500)中。制备的光纤光栅的特性如下:谐振波长为~1534 nm，长度为1 cm。

液化石油气是在同一光纤中使用同一激光器的点对点技术编写的。在这种情况下，光纤被安装在一个机动平移平台上，并被激光光斑照射，激光光斑通过圆柱形透镜适当聚焦，并通过微尺度狭缝成形[8］.平移台和激光动作都是由PC机控制和同步的，这使得光栅周期和每个步骤的拍摄次数都可以选择。光栅周期、谐振波长、LPG长度均为360μ.分别为1530.4 nm和1.8 cm。

数字3.示出了在两个光栅的写入过程结束时得到的纤维的透射光谱。如可以看到的那样，二者的光栅的衰减频带占用相同的带宽，这是如图中所提出的工作原理的关键点1 (b)．此外，布拉格共振的对LPG共振峰的位置非常接近，确保尽可能多和RI操作范围。FBG和LPG的共振波长分别集中在1533.7 nm和1530.4 nm，保证了这一点是满足的。

３．２．审讯系统

为了表征级联LPG和FBG结构的传感性能，周围折射率(SRI)和热()的灵敏度分别通过分析布拉格反射光谱来测量。数字4显示了这个初步表征的实验设置。包含光栅的传感探头被放置在恒温槽中，恒温槽的温度可以通过分辨率为0.1°C的热电偶来控制。

A Wave Capture FBG Interrogator System (with a wavelength range of 1510 nm–1590 nm and a resolution of 1 pm) is used for the detection of the Bragg reflected power and Bragg’s resonance wavelength shift. Finally, an Optical Power Meter (ANDO AQ-2105 Optical Power Meter) is used in order to control and compensate any power fluctuations.

为了进行热特性测试，将混合传感器放入装有纯水(折射率为1.33)的小瓶中，并放入恒温浴中。热浴的温度从14°C加热到63°C。

传感器的共振波长偏移和布拉格反射功率而言的响应是与Bayspec-FBG读写收集。

对于折射率特性，以不同的浓度与折射率为1.33至1.47与的步骤水性甘油溶液被使用。在每一种甘油水溶液中浸泡后，用蒸馏水清洗传感器。在测量过程中，温度被监控并保持在21°C。

4.结果和讨论

如前一节所述2．1时，只需监测布拉格反射谱即可获得传感器对温度和折射率变化的响应。当温度升高时，LPG和FBG的谐振波长分别向更短和更长的波长移动，导致布拉格反射光谱在反射功率调制和谐振波长移动方面发生变化。而当周围折射率发生变化时，只有LPG共振波长发生位移，布拉格反射光谱发生振幅调制。因此，由于布喇格波长位移仅由温度变化引起，因此可以同时区分温度和折射率的影响。

光学传感器的热和RI响应的分析用在部分中描述的实验设置中进行3．2．数字5(一个)显示了当热浴中的水从14°C加热到63°C时，测量到的FBG波长位移作为温度的函数。如预期的那样，Bragg波长位移随温度变化具有良好的线性行为，表明了()点C⁻¹．因此，基于实验结果，（2)可以表示为: Furthermore, the dependence of the FBG reflected power on temperature in water (1.33 RIU), reported in Figure图5（b），在21°C至46°C的温度范围内呈线性。由于FBG的共振波长和Bragg反射功率与温度都是线性关系，因此可以用Bragg谐振、温度诱导、波长偏移来直接表示Bragg反射功率，如本节所述2．1．如可以观察到的（图图5（c）), this relationship is linear in a wavelength range from 1534.2 nm to 1534.4 nm. Hence, within this temperature and wavelength ranges (21°C << 46°C and 1534.2 nm < RI < 1534.4 nm), the FBG’s reflected power has a linear relationship with wavelength changes and can be expressed by the following equation: 在哪里图中所示的拟合曲线(红线)的斜率是否提供了传感器的温度灵敏度图5（c）．

温度特性之后，传感器的特点是在折射率变化的方面。传感器是浸泡在具有不同RI溶液制备由从0％以不同的比例，用去离子水混合甘油100％。所述RI从纯水高达1.33变化到最后溶液的1.47和实验在恒定温度（21℃），在部分中描述的设置进行3．2．

数字6示出了所测量的布拉格反射在21℃的温度范围从1.33至1.47功率的变化是由于溶液的RI。

如可以观察到的，所述布拉格反射功率具有增加高达1.43和更陡的降低的非线性行为，对RI值大于1.43以上。在从1.33至1.43的范围内，良好的实验数据的拟合是通过由以下等式所表示的有理曲线而获得： 的系数，,提供有理曲线的拟合参数(，,)．当水溶液的RI与包层的RI非常接近时，传感器的RI灵敏度达到最大值。

为了评估混合传感器的工作范围，对在1.33 ~ 1.43折射率范围内不同值的传感器进行了温度表征。

纯水热响应的测量(）揭示了布拉格的线性特性的反射功率相对于所述共振波长（图7(一)）在21℃和46℃之间的温度范围。相反，考虑与解决方案时，，线性响应的温度范围较小:从19°C到24°C(图7 (b))．这种效果可以通过观察在图两个定性描述中解释2和透射光谱报道在图3.：作为的解决方案增加了RI，所述LPG的共振波长处具有蓝移导致增加光栅的共振波长频谱距离的。因此，考虑从RI 1.33到1.43的温度范围，其中所述反射功率和所述布拉格共振波长之间的关系是线性的变化是非常小的：从21℃至最高至24℃。热线性范围的减小是由于LPG的共振波长向更短的波长偏移，当RI增加。

为了扩大线性度的温度范围，分析时考虑了折射率在1.33到1.40之间的溶液。因此，考虑到这个RI范围，线性响应的温度区间更大:从21°C到28°C，如图所示8．

与参考的解决方案热灵敏度为: 从(5），可以实现热补偿的RI信息。热系数是由布拉格反射功率相对于光纤光栅波长的热响应直接测量的。因此，通过测量反射功率的变化，减去温度变化引起的波长漂移的贡献，得到传感器的RI响应。最后，将表示的有理函数求反(8），它描述了SRI响应，周围溶液的折射率可以计算出来。

为了进一步证明该传感器在温度补偿折射率测量中的正确工作原理，进行了最后的测试。将传感器浸入不同折射率的溶液和非等温条件下，利用Bayspec询问器测量了布拉格共振波长位移和布拉格反射功率。

在图9给出了热补偿前后(红圈)和(黑方框)的布拉格反射功率。利用补偿方程(4），校正点大约在同一拟合曲线先前描述的分布（图6)，描述了传感器在21°C下的RI响应。因此，热效应得到了补偿。考虑所有测量误差源，由(4）由大约2.5％的相对误差的影响。此外，由于传感器的灵敏度是不是在1.33-1.40范围内保持恒定，最大精度高RI值来实现的。

所提出的解决方案允许通过具有约的精度补偿的温度范围内从21℃至28℃，RI范围从1.33的热效应至1.40测量不同溶液的RI．

如果需要改变这些间隔，如节中所述2，两个光栅的设计参数必须重新定义，以改变它们在传输光谱上的相互位置。

5.结论

总之，提出了一种基于混合光栅的传感器，用于同时测量温度和折射率溶液，并进行了实验验证。的而RI信息仅通过监测布拉格反射光谱，根据布拉格波长偏移和反射功率变化即可推断，这为侦讯系统的发展提供了明显的简化。

的LPG-FBG结构提供了RI测量范围从1.33到1.40以温度补偿21℃和28℃之间的折射率的值。

传感器的最大精度是近似的RIU在1.37 RIU - 1.40 RIU范围内。在灵敏度和准确度方面，所获得的传感器响应可与商业上可用的折射计相媲美。

由于高硅光学纤维的化学惰性,提出混合传感器可以安全地应用于各种环境中没有风险周围介质的污染和退化的传感器,由于这些原因,它也适合长期测量(几个月或几年)。

即使在温度方面的动力学不太多广，本发明的传感器可以为那些其中的温度变化被限制为几度的量级变化的应用是非常有用的，因为它发生在实验室测量或是一些工业应用中其中温度只大致稳定。

利益冲突

提交人声明没有关于本文的出版物的利益冲突。

参考

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