复合结构光纤光栅的温度应力传感器及其制备方法 技术领域：
本发明涉及一种光纤传感器件，特别是一种同时测量温度和应力双参数的复合结构光纤光栅温度应力传感器及其制备方法。背景技术：
光纤光栅传感器是光纤传感器中引人注目和十分重要的一类传感器件。由于其Bragg波长和波形同它所处环境的参数，如温度、应力有着密切的关系，因而，光纤光栅作为一种传感器在测量、控制技术领域中得到了广泛的应用。最基本的方法是采用所谓波长编码，即以光纤光栅峰值波长为传感变量。但是由于光纤光栅对温度和应变同时敏感，即温度和应变同时引起光纤光栅峰值波长的变化，这样通过检测单一光纤光栅峰值波长的变化是无法区分温度和应力这二个参量的。这种交叉敏感效应严重影响着光纤光栅在传感技术中的应用。为了克服这种效应，人们已提出了几种解决方案，实现同时测量温度和应力的应变化。M.G.Xu等人[M.G.Xu，et a1.，Electronics Letters，30(13)，1085(1994)]采用在光纤同一位置写入两个Bragg波长相差很大(450nm)的重叠短周期光栅，通过这两种光栅峰值波长的变化对温度和应力具有不同的响应，以此测定温度和应力。这种方案的缺点在于复合光纤光栅制备费用高，测量中需用两套宽带光源，两套光谱解调设备，整个装置的成本高。James.S.W等人[James.S.W，et al.，Electronics Letters，32(12)，1133(1996)]提出的方法是将两段不同种类的光纤熔接，而后在熔接处写入光栅，利用其相同周期而不同本底折射率，产生二个分离的Bragg衍射峰的原理。这种方法的缺点是熔接质量的好坏将影响传感器的寿命，而且两段不同种类光纤的的芯径不同，会引入耦合损耗(实测为2dB)。Yu Lung Lo[Yu Lung Lo，OpticalEngineering，37(8)，2272(1998)]提出另一种方法是将一根常规短周期光纤光栅先加应力拉伸，将其一部分粘固在样品上，而后撤掉外加应力，利用粘在样品上地光栅的周期大于自由部分的周期，产生两个不同的Bragg衍射峰，通过其对温度和应力的响应差异，达到同时测量温度和应变的目的。虽然此方法比较简单，但作为实际应用，应力的测量范围会受到限制，同时对波长的解调技术要求很高，另外，这样处理后的拉伸段光纤的芯径比自由部分的要小，影响光纤的机械强度。发明内容：
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种复合结构光纤光栅温度应力传感器，它不仅能进行温度和应力传感，而且制备工艺简单，成本低，机械强度好，工作稳定可靠。
本发明的技术解决方案如下：
一种复合结构光纤光栅温度应力传感器，其特点是它包括预曝光段光纤光栅和常规段光纤光栅，其中一段光纤光栅与一金属片粘固在一起。
所述的复合结构光纤光栅温度应力传感器的制备方法包括下列步骤：
a)在一根商用常规掺氧化锗单模光纤剥去涂覆层后，采用紫外曝光技术使某一小段光纤的折射率变大，形成预曝光段光纤；
b)在预曝光段与未曝光段的交接处写入光栅，形成两段不同特性的光栅，即预曝光段光纤光栅和常规段光纤光栅；
c)把其中一段光纤光栅固在一块金属片上；
d)经封装，即构成本复合结构光纤光栅温度应力传感器。
实际上预曝光段光纤光栅和常规段光纤光栅在物理结构来说是属于同一根商用常规掺GeO2单模光纤，通过预曝光的工艺来实现双波长光纤光栅。由此可知，本复合结构光纤光栅温度应力传感器也可用光致变的塑料光纤、或波导材料如掺GeO2的SiO2波导、或其它有机波导等材料制成。
粘固光栅用的金属片，可以是金属体材料的薄片，也可采用在局部光纤光栅的外表面电镀上一定厚度的金属膜，还可采用一小的金属套管将其中一段光纤光栅套住并粘牢，同样用来改变Bragg波长的响应度。
复合结构光纤光栅温度应力传感器工作原理如下：光纤光栅的Bragg波长λB取决于纤芯折射率neff和光栅周期Λ，即：
λB＝2neffΛ (1)预紫外曝光段的光纤由于预曝光，使其纤芯的有效折射率neff1提高，大于未预曝光光纤段的有效折射率neff2，，于是写入同周期的光栅后，产生二个Bragg波长λB1、λB2，且λB1＞λB2。图2给出了某种预曝光条件和光栅写入参数制备所得的复合结构光纤光栅的透射光谱，其Bragg波长分别为λB1：1551.06nm，λB2：1550.12nm，它们之差为0.94nm，Δλ的大小通过制备工艺是可控的。当同时改变和应力时，将使复合光纤光栅的Bragg波长λB1、λB2移动，其变化量Δλi可表示为：Δλi=kϵiΔϵi+kTiΔTi,i=1,2---(2)]]>式中kϵi=∂λi/∂ϵi(i=1,2)]]>是与光纤材料的泊松比、弹光系数以及有效折射率有关的常数；kT1=∂λ1/∂T1]]>为与金属材料的热膨胀系数、光纤的热膨胀系数及光热系数有关的常数；kT2=∂λ2/∂T2]]>是与光纤的热膨胀系数以及光热系数有关的常数。假设整个光栅区域发生应变Δε时，由于部分光栅粘固在金属材料上，两段光栅所产生不同的应变量，令发生应变区的总长为L，而粘固于金属上的部分光栅长度为L1，α＝Δε1/Δε2，则有如下关系Δϵ1=αLL+(α-1)L2Δϵ---(3)]]>Δϵ2=LL+(α-1)L2Δϵ---(4)]]>
将(3)、(4)两式代入(2)式，便可得到光纤光栅的反射峰波长移动量与整个光栅区域的应变与温度变化之间的关系Δλ1Δλ2=Kϵ1KT1Kϵ2KT2ΔϵΔT---(5)]]>
式中Kϵ1=kϵ1αL/[L+(α-1)L2],Kϵ2=kϵ2L/[L+(α-1)L2],KTi=kTi(i=1,2).]]>
上式可变为ϵ-ϵ0T-T0=Kϵ1KT1Kϵ2KT2-1Δλ1Δλ2---(6)]]>
其中，ε0和T0分别是预先确定的参考应变量和温度值。由上式可知，只要测定出常数及便可根据Bragg波长移动Δλi，通过解方程组可以计算出测试点的实际温度和应变。
从上述工作原理可知复合结构光纤光栅传感器的Bragg波长之差Δλi越大，波长解调时的时间分辨率、空间分辨率越高；Δλi(i＝1，2)与ΔT、Δε的比值越大，即二个光栅对温度和应变的响应的差别越大，测量灵敏度和精度就越高。图3和图4分别显示出本复合结构光纤光栅其中典型的Bragg波长的温度响应和应力响应。由此可见Bragg波长λ1的对温度响应度是波长λ2的3倍以上，而波长λ2对应力的响应度远远大于波长λ1的响应，这对区分温度和应力的变化是及其必要和十分有利，体现出本传感器的独到之处。
本复合结构的光纤光栅温度应力传感器与现有的传感器相比具有以下优点：
(1)采用本方法制备技术可获得Δλ大而且可控的复合结构光纤光栅传感器，波长解调具有高的时间、空间分辨率，可降低测量仪器装置的成本；通过预曝光光纤光栅段粘固于金属片，增大二个光栅对温度应变响应系数的差值，改善和提高光纤光栅温度、应力传感器的测量灵敏度和精度；
(2)本传感器的制备工艺简单，所用原材料都为商业化产品，成本低，性价比好；
(3)本传感器波导芯径均匀，无需施加预拉伸，确保器件的机械强度，工作稳定性可靠性好等。附图说明：
图1是本发明复合结构光纤光栅温度应力传感器最佳实施例的结构示意图。
图2是本发明复合结构光纤光栅温度应力传感器的透射光谱图。
图3是本发明复合结构光纤光栅温度应力传感器的温度响应曲线。
图4是本发明复合结构光纤光栅温度应力传感器的应力响应曲线。
图5是本发明的实用实例一测量装置的示意图。
图6是本发明的实用实例二测量装置的示意图。具体实施方式：
请参阅图1，图1是本发明最佳实施例的结构示意图，由图可见，本发明复合结构光纤光栅温度应力传感器是由同一根商用常规掺氧化锗单模光纤4，采用紫外曝光使某一小段光纤的折射率变大，形成预曝光段光纤，然后在预曝光段与未曝光段的交接处写入光栅，形成两段不同特性的光栅，即预曝光段光纤光栅1和常规段光纤光栅2，把预曝光段光纤光栅1粘固在一块金属片3上，并经封装，即构成复合结构光纤光栅温度应力传感器5。
图2是图1实施例透射光谱图。
由图3可知，本发明波长变化量和温度之间具有很好的线性关系。
由图4可知，本发明波长变化量和应变之间也具有很好的线性关系。
下面结合本复合结构光纤光栅温度应力传感器同时测量温度和应力的两个应用实例对本发明作进一步说明。
应用实例一：整个测量装置如图5所示，由宽带光源11、光分路器13、复合结构光纤光栅传感器5、2×1光开关14、光谱解调(分析)器15、数据处理器16用单模光纤12按图5的结构连接成为测量系统。这里分路器13采用1×2光开关。其中复合光纤光栅温度应力传感器5和连接分路器13与2×1光开关14用光纤12相连并同时置于温度、应力检测点。测量过程分两步：第一通过光开关切换，测量宽带光源11的光谱；第二，分别测量出受试点上传感器5的二个Bragg波长λ1、λ2值并进行归一化，然后测出变化量Δλi(i＝1、2)，最后把得到的波长变化值输入到数据处理器16，计算出测试点的温度和应变。
应用实例二：把例一测量装置中的分路器13改用分束比为50∶50的1×2光纤耦合器17，其它相同，即构成另一种测量装置如图6所示。这种结构少用了一个成本相对高的光开关，增加插入损耗，适合宽光源功率大的情况。测量过程和方法同上。
典型的测量结果：在0-2400微应变，20-50摄氏度的范围内，得到应变精度为20微应变，温度精度为0.8摄氏度。实验中得到的K系数矩阵为： Kϵ1=0pm/μϵ,]]> Kϵ2=1.4pm/μϵ]]>
由此表明如此大的应变范围达到这样的精度以及适中温度范围和高的精度，已经满足某些工程测量应用。