级联长周期光纤光栅装置及其制造方法及湿敏传感系统制造方法及图纸

本发明专利技术涉及级联长周期光纤光栅装置及其制造方法、湿度传感器及湿敏传感系统。所述湿敏传感系统包括：宽带光源；两个长周期光纤光栅相隔一定距离连接起来构成马赫－泽德干涉仪，其两端与宽带光源和光谱采集单元相连；湿度敏感膜，用于感知环境湿度变化信息；光谱采集单元，用于采集环境湿度变化信息；数据处理单元，用于对所采集的包含环境湿度信息的光干涉信号进行分析和处理，最终获得待测环境湿度。本发明专利技术得到的光谱具有更精细的结构及更窄的线宽，克服现有技术中灵敏度和分辨率低的问题，可以远距离实时在线监测，测量准确且成本低廉。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器测量领域，具体涉及一种级联长周期光纤光栅 装置及其制造方法、利用级联长周期光纤光栅装置的湿度传感器及湿 敏传感系统。
技术介绍
长周期光纤光栅是周期为几十至几百微米的一类光栅，它通过紫 外照射、电弧放电、激光热效应等方法，沿光纤轴向构成周期性几何 结构变化或折射率调制。这种光纤光栅的特点是将前向传输的纤芯模 耦合至前向传输的包层模式，从而导致相应波长处的传输损耗，在透射谱中会出现一个或多个损耗峰。长周期光纤光栅是一种性能优良的 光纤传感器，相对于布拉格光纤光栅在应变和温度传感中的广泛应 用，长周期光纤光栅由于对外界环境折射率的高度敏感性更适合在生 物、环境监测和化学传感中应用，因此受到国内外研究者的广泛关注。对于普通长周期光纤光栅来说，主要考虑纤芯模和1阶v次包层模之间的耦合。根据模式耦合理论，长周期光纤光栅的谐振波长；由公示(1)决定Av=("co-"Vcl)*A ( 1 )其中&。、"；分别为光纤基模(传导模式)和1阶V次包层模式的有效折射率，A为长周期光纤光栅的周期。当外界环境的折射率发生变化时，包层模的有效折射率会发生变化，引起谐振波长及透射峰幅 度发生变化。通过光谱分析仪或其他仪器对波长漂移及透射峰幅度变 化量进行检测，即可获得外界环境折射率的变化信息。但是由于单个长周期光纤光栅的透射谱带宽比较大，测量环境中 如果光谱仪的分辨率比较低，就会引入比较大的波长读数误差，限制了长周期光纤光栅的测量分辨率的提高。
技术实现思路
为克服单个长周期光纤光栅因光栅谱宽引起分辨率低的问题，本 专利技术的目的是提供一种具有高分辨率的级联长周期光纤光栅装置及 其制造方法、利用该级联长周期光纤光栅的湿敏传感器及湿敏传感系 统。可以将该级联长周期光纤光栅装置应用于湿度传感领域，利用该 级联长周期光纤光栅装置的湿度传感器具有高分辨率，由于级联长周 期光栅装置构成的马赫-泽德干涉仪的干涉谱具有更精细的光谱结构 且单个透射峰的带宽大大变窄，可以减小由读数不准确引入的误差， 进而提高湿敏传感系统测量的灵敏度和分辨率。为实现上述目的，本专利技术提供一种级联长周期光纤光栅装置，该装置包括第一长周期光纤光栅，用于接收光信号并将其分为两路， 一路通过光纤纤芯传输， 一路被耦合至光纤包层进行传输；第二长周期光纤光栅，用于通过光纤接收所传输的两路光信号， 并将在光纤包层中传输的光信号再耦合回光纤纤芯使两路光信号产生干涉；光纤，连接在所述第一长周期光纤光栅和所述第二长周期光纤光 栅之间。优选地，所述第一长周期光纤光栅和第二长周期光纤光栅的透射率均为3dB。本专利技术还提供一种上述级联长周期光纤光栅装置的制造方法，该方法包括以下步骤Sl，将单模光纤置于激光器激光光斑的焦平面；S2,利用所述激光光斑，按预定设置扫描方式多次横向扫描所述单模光纤，完成第一长周期光纤光栅的制作，所述第一长周期光纤光栅具有周期性折射率调制和非对称性的结构变化；S3,移动单模光纤一段距离，采用与制作第一长周期光纤光栅相 同的方法制作第二长周期光纤光栅。优选地，步骤S1中，所述激光器为C02激光器。优选地，步骤S2中，预定设置扫描方式为首先使激光光斑沿垂直于单模光纤的方向横向扫描单模光纤，然 后使激光光斑沿单模光纤轴向偏移一个光栅周期的距离，在下一个点重复上述横向述扫描，如此重复若干次，完成一次扫描过程； 重复若干次上述扫描过程。优选地，步骤S3中，利用微位移平台移动所述单模光纤。 本专利技术还提供一种利用上述级联长周期光纤光栅装置的湿度传 感器，该湿度传感器包括上述结构的级联长周期光纤光栅装置；湿度敏感膜，其涂覆在级联长周期光纤光栅装置的表面，用于感 知外界环境湿度的变化。优选地，所述第一长周期光纤光栅和第二长周期光纤光栅的透射 率均为3dB。优选地，所述湿度敏感膜为水凝胶湿度敏感膜。优选地，所述水凝胶湿度敏感膜涂覆于第一长周期光纤光栅和第 二长周期光纤光栅之间的单模光纤包层表面。优选地，所述水凝胶湿度敏感膜涂覆于第一长周期光纤光栅和第 二长周期光纤光栅、以及所述单模光纤的包层表面。优选地，所述水凝胶湿度敏感膜采用浸润法结合紫外灯辐照成膜 的方法制作而成。本专利技术还提供 一 种利用上述湿度传感器的湿敏传感系统，该系统 包括宽带光源，用于提供宽谱光信号；上述湿度传感器，置于湿度测量环境中，其两端分别与所述宽带6光源和光谱釆集单元相连，用于感应湿度测量环境湿度信息；所述光谱釆集单元，用于采集湿度传感器中第二长周期光纤光栅处产生的包含湿度测量环境湿度信息的光干涉信号；数据处理单元，用于对所采集的光干涉信号进行分析和处理，获 得湿度测量环境湿度信息。本专利技术提供的级联长周期光纤光栅装置及其制造方法、及湿度传感器和湿敏传感系统，具有以下优点和有益效果1) 由于所提供的级联长周期光纤光栅装置构成马赫-泽德干涉仪 结构，测量信号具有更精细的光谱结构，可以将该级联长周期光纤光 栅装置应用于湿度传感领域，进而可提高湿度传感器和湿敏传感系统 分辨率；2) 由于信号釆用光纤传输，可以实现实时在线远距离监测环境 湿度变化。附图说明图1为本专利技术实施例1中利用激光器在普通单模光纤中制造级联 长周期光纤光栅装置的示意图；图2A为本专利技术实施例1中级联长周期光纤光栅装置结构示意图；图2B为图2A中单模光纤A-A线的截面图；图2C为图2A中单模光纤B-B线的截面图；图3为本专利技术实施例2中湿度传感器一种实施方式的结构图；图4为本专利技术实施例2中湿度传感器另 一种实施方式的结构图；图5为本专利技术实施例3中湿度传感器的示意图；图6为本专利技术实施例4中湿度传感器的示意图；图7为本专利技术实施例5中湿敏传感系统的结构图；图8为本专利技术实施例5中湿敏传感系统实验装置图；图9为实际测得的级联长周期光栅干涉条紋对比度随湿度变化的图10为实际测得的级联长周期光栅干涉条紋对比度随湿度变化 的线性拟合曲线。具体实施方式对本专利技术提出的级联长周期光纤光栅装置及其制造方法、及湿度 传感器和湿敏传感系统，结合附图和实施例说明如下。 实施例l依照本实施例的级联长周期光纤光栅装置包括第 一长周期光纤 光栅、第二长周期光纤光栅以及光纤。第一长周期光纤光栅用于接收 光信号并将其分为两路， 一路通过光纤纤芯传输， 一路被耦合至光纤 包层进行传输。第一长周期光纤光栅所分出两路光的光强相等，在制 作过程中优选使两路光强相等，不相等也可以，但干涉对比度相对会 差一些。第二长周期光纤光栅用于通过光纤接收所传输的两路光信 号，将在光纤包层中传输的光信号再耦合回光纤纤芯。第一长周期光 纤光栅和第二长周期光纤光栅中心之间的距离为U为长周期光纤光 栅的长度，由于光纤纤芯和包层折射率不同，两路光经过长度为丄的 距离传输后产生了一定的光程差，在其光谱上可以看到明显的干涉条 紋。光纤连接在第一长周期光纤光栅和第二长周期光纤光栅之间。第一长周期光纤光栅和第二长周期光纤光栅的透射率优选采用均为3dB,其它值也可以产生干涉，但是干涉对比度相对要差一些。级联长周期光纤光栅装置的上述结构使其构成M-Z型干涉仪(马 赫-泽德干涉仪)结构。所构成的M-Z型干涉仪的输出透射光谱的强度 /可表示为公式(2):/= /c。 + v7vd-2(av4/d)/2cosAp ( 2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种级联长周期光纤光栅装置，其特征在于，该装置包括：　第一长周期光纤光栅，用于接收光信号并将其分为两路，一路通过光纤纤芯传输，一路被耦合至光纤包层进行传输；　第二长周期光纤光栅，用于通过光纤接收所传输的两路光信号，并将在光纤包层 中传输的光信号再耦合回光纤纤芯使两路光信号产生干涉；　光纤，连接在所述第一长周期光纤光栅和所述第二长周期光纤光栅之间。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于秀娟，张敏，陈明华，廖延彪，居剑，靳伟，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]