一种基于螺旋长周期光纤光栅的双参数测量方法

技术领域

本发明涉及长周期光纤光栅技术领域，具体涉及一种基于螺旋长周期光纤光栅的双参数测量方法。

背景技术

光纤光栅可以分为布拉格光纤光栅(FBG)和长周期光纤光栅(LPFG)。布拉格光纤光栅的周期约为几百纳米，其理论基础就是布拉格原理。长周期光纤光栅的周期通常为几十到几百微米的长周期光纤光栅，是一种基于纤芯基膜和同向传输的包层膜之间耦合的光栅，有着体积小、质量轻、重复性好等优点。长周期光纤光栅与布拉格光栅相比，具有对温度、应力、折射率变化的灵敏度高且易于制作等特点。因此，长周期光纤光栅在光纤传感和光纤激光领域具有更大的发展潜力和应用前景。

随着对光纤光栅研究的逐渐深入，长周期光纤光栅的应用范围越来越广。在通信领域中的带通滤波、光纤光源都有着鲜为人知的研究成果。在传感领域，长周期光纤光栅对温度、应力、微弯及折射率变化敏感，因此在温度传感、振动测量、液体气体传感等方面也具有巨大潜能。公开号为CN102162753B的中国专利就公开了《同时测量长周期光纤光栅温度与应变的传感器结构》，其选用高频CO2激光脉冲在光纤中写入的不同周期的一对长周期光纤光栅，分别为一个只对温度变化敏感的长周期光纤光栅，和一个对温度和应变变化均敏感的长周期光纤光栅，将两个长周期光纤光栅进行级联使用，可以准确测出温度和应变各自的变化。

上述现有方案中的传感器结构用一个特定周期的长周期光纤光栅只对温度变化敏感的特性测量温度变化，用另一个长周期光纤光栅测量温度和应变的变化，从而实现温度和应变的参数测量。现有技术中还有一种螺旋长周期光纤光栅(H-LPG)，其主要用于测量扭转速率、折射率、应变、温度。并且，申请人发现螺旋长周期光纤光栅具有特殊的折射率螺旋调制结构，使得其具备一些普通长周期光纤光栅所没有的功能，例如，螺旋长周期光纤光栅的透射强度与温度和应变有着更好的对应关系，且对温度和应变都有更好的敏感性。因此，申请人想到设计一种基于螺旋长周期光纤光栅透射强度的温度和应变双参数测量方法来提升温度和应变的测量准确性，并且能够通过一个螺旋长周期光纤光栅同时测量温度和应变，以能够降低温度和应变的测量成本。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种基于螺旋长周期光纤光栅透射强度的温度和应变双参数测量方法，以能够同时测量温度和应变并保证测量准确性，同时还能够辅助降低温度和应变的测量成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于螺旋长周期光纤光栅的双参数测量方法，其获取温度和应变的初始值；然后根据螺旋长周期光纤光栅固定波长的透射强度比值变化量，以及对应的温度灵敏度和应变灵敏度计算相应的温度变化量和应变变化量；最后结合温度和应变的初始值分别计算对应的温度值和应变值。

优选的，通过如下步骤计算透射强度比值变化量与温度灵敏度和应变灵敏度之间的关系：

S01：加热螺旋长周期光纤光栅，每间隔固定温度差便获取一次温度值以及对应的透射强度比值；

S02：对获取的多个温度值及其对应的透射强度比值进行线性拟合，以得到温度透射强度比值线性关系；然后将温度透射强度比值线性关系的斜率作为温度灵敏度；

S03：给螺旋长周期光纤光栅施加应力，多次获取应变值以及对应的透射强度比值；

S04：对获取的多个应变值及其对应的透射强度比值进行线性拟合，以得到应变透射强度比值线性关系；然后将应变透射强度比值线性关系的斜率作为应变灵敏度。

优选的，具体包括以下步骤：

S1：获取温度、应变的初始值，以及波长λ1的透射强度I

S2：测量螺旋长周期光纤光栅在波长λ1、λ2、λ3和λ4的透射强度随温度变化关系，计算I

S3：测量螺旋长周期光纤光栅在波长λ1、λ2、λ3和λ4的透射强度随应变变化关系，计算I

S4：在温度和应变发生变化后，获取波长λ1的透射强度I

S5：根据波长λ1和λ2的透射强度比值变化量(I

S6：根据温度、应变的初始值，以及温度变化量和应变变化量分别计算对应的温度值和应变值。

优选的，步骤S5中，根据公式ΔB

优选的，步骤S2中，根据公式y

优选的，步骤S2中，根据公式y

优选的，步骤S3中，根据公式y

优选的，步骤S3中，根据公式y

优选的，步骤S1中，波长λ2和波长λ3相同。

优选的，步骤S1中，波长λ1为1460.5nm，波长λ2和波长λ3均为1524nm，波长λ4为1539nm；步骤S2和S3中，波长1460.5nm和1524nm的温度灵敏度为0.036dB/℃，应变灵敏度为-0.0034dB/10με；波长1524nm和1539nm的温度灵敏度为-0.060dB/℃，应变灵敏度为0.012dB/10με。

优选的，步骤S5中，根据如下公式计算温度变化量和应变变化量：

本发明中基于螺旋长周期光纤光栅的双参数测量方法与现有技术相比，有如下有益效果：

1、本发明中，能够根据固定波长的透射强度比值变化量以及温度灵敏度和应变灵敏度计算温度变化量和应变变化量，这能够实现温度和应变的同时测量；并且由于螺旋长周期光纤光栅的透射强度与温度和应变有着良好的对应关系和敏感性，使得温度灵敏度和应变灵敏度很高，从而能够保证温度和应变的测量准确性。

2、本发明中，能够根据螺旋长周期光纤光栅固定波长的透射强度比值变化量计算温度变化量和应变变化量，通过透射强度比值变化量能够很好的消除光源对温度和应变的影响，从而能够进一步提升温度和应变的测量准确性。

3、本发明中，通过一个螺旋长周期光纤光栅便能够同时完成温度和应变的测量，从而能够辅助降低温度和应变的测量成本。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为实施例中透射强度比值与温度的变化趋势示意图；

图2为实施例中透射强度比值与应变的变化趋势示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例：

申请人在实际研究中发现，针对螺旋长周期光纤光栅某一固定波长，光谱仪采集到的透射强度光谱值表示为

可得固定波长的透射强度光谱值为

为此，申请人设了一种基于螺旋长周期光纤光栅的双参数测量方法，其获取温度和应变的初始值；然后根据螺旋长周期光纤光栅固定波长的透射强度比值变化量，以及对应的温度灵敏度和应变灵敏度计算相应的温度变化量和应变变化量；最后结合温度和应变的初始值分别计算对应的温度值和应变值。本实施例中，在测量设备安装好后设置初始条件，初始条件是指根据需要将环境温湿度和设备参数调节至指定工况；然后通过现有的测量仪器测量初始条件下的温度值和应变值以分别作为温度和应变的初始值。

具体包括以下步骤：

S1：获取温度、应变的初始值，以及波长λ1的透射强度I

S2：测量螺旋长周期光纤光栅在波长λ1、λ2、λ3和λ4的透射强度随温度变化关系，计算I

S3：测量螺旋长周期光纤光栅在波长λ1、λ2、λ3和λ4的透射强度随应变变化关系，计算I

S4：在温度和应变发生变化后，获取波长λ1的透射强度I

S5：根据波长λ1和λ2的透射强度比值变化量(I

S6：根据温度、应变的初始值，以及温度变化量和应变变化量分别计算对应的温度值和应变值。

本发明中，能够根据固定波长的透射强度比值变化量以及温度灵敏度和应变灵敏度计算温度变化量和应变变化量，这能够实现温度和应变的同时测量；并且由于螺旋长周期光纤光栅的透射强度与温度和应变有着良好的对应关系和敏感性，使得温度灵敏度和应变灵敏度很高，从而能够保证温度和应变的测量准确性。其次，本发明能够根据螺旋长周期光纤光栅固定波长的透射强度比值变化量计算温度变化量和应变变化量，通过透射强度比值变化量能够很好的消除光源对温度和应变的影响，从而能够进一步提升温度和应变的测量准确性。进一步的，本发明通过一个螺旋长周期光纤光栅便能够同时完成温度和应变的测量，从而能够辅助降低温度和应变的测量成本。

具体实施过程中，步骤S5中，根据公式ΔB

本发明中，通过上述公式能够同时计算温度变化量和应变变化量，这能够实现温度和应变的同时测量，并且上述公式能够时反映螺旋长周期光纤光栅的透射强度与温度和应变良好的对应关系和敏感性，从而有利于保证温度和应变的测量准确性。

具体实施过程中，步骤S2中，根据公式y

具体实施过程中，步骤S2中，根据公式y

具体实施过程中，步骤S3中，根据公式y

具体实施过程中，步骤S3中，根据公式y

申请人发现透射强度光谱值比值与温度和应变呈线性关系，所以，本发明通过上述各个公式能够准确的计算温度灵敏度和应变灵敏度，从而有利于提升温度和应变的测量准确性。

具体实施过程中，步骤S1中，波长λ2和波长λ3相同。本发明中，通过对三个固定波长的透射强度光谱值进行两两做差，能够形成两组透射强度比值变化量，也就能够很好的根据上述公式计算温度变化量和应变变化量；与四个固定波长相比，本发明能够降低温度变化量和应变变化量的计算量，从而能够提升低温度和应变的测量效率。

具体实施过程中，通过如下步骤计算透射强度比值变化量与温度灵敏度和应变灵敏度之间的关系：

S01：加热螺旋长周期光纤光栅，每间隔固定温度差便获取一次温度值以及对应的透射强度比值；本实施例中，固定温度差为10℃。

S02：对获取的多个温度值及其对应的透射强度比值进行线性拟合，以得到温度透射强度比值线性关系；然后将温度透射强度比值线性关系的斜率作为温度灵敏度；

S03：给螺旋长周期光纤光栅施加应力，多次获取应变值以及对应的透射强度比值；

S04：对获取的多个应变值及其对应的透射强度比值进行线性拟合，以得到应变透射强度比值线性关系；然后将应变透射强度比值线性关系的斜率作为应变灵敏度。

本实施例中，选取螺旋长周期光纤光栅的固定波长λ1为1460.5nm，波长λ2和波长λ3均为1524nm，波长λ4为1539nm；并进行了如下试验：

1)加热螺旋长周期光纤光栅，将其从50℃加热至150℃，每隔10℃获取一次温度数据以及对应的透射强度光谱值比值10lg(I

2)给螺旋长周期光纤光栅施加应力，获取应变数据以及对应的透射强度光谱值比值10lg(I

具体的，本试验根据如下公式计算温度变化量和应变变化量：

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。