引用本文:

李盼盼,葛海波,高敏,等:基于LPFG-FBG级联结构的温湿度传感研究[J]. 光通信技术,2019,43(4):54-57.

基于LPFG-FBG级联结构的温湿度传感研究

李盼盼,葛海波,高 敏,王 维

(西安邮电大学 电子工程学院,西安710061)

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摘要:为了解决单个光栅测量湿度时会受到温度影响的问题(即存在交叉敏感问题),提出了一种基于LPFG-FBG级联对温湿度同时测量的解决方案。利用耦合模和传输矩阵法对该方案的原理进行了理论分析,利用Matlab进行了反射谱仿真。仿真得到该方案温度和湿度的拟合度分别达到0.9923和0.9978,表明该方案能够解决交叉敏感问题。

关键词:级联光纤光栅;温度;湿度;双参测量

中图分类号:TN929.11  文献标志码:文章编号:1002-5561(2019)04-0054-04

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.04.012

0 引言
      光纤光栅传感器因其具有小而轻、传感灵敏度高、可复用性强和抗电磁干扰能力强等诸多优点,近年来备受传感技术领域研究者的关注,并成为研究的热门课题之一[1,2]。由于单个光纤光栅无法通过直接测量其耦合波长的漂移来区分被测参量引起的波长漂移[3],因此严重制约了光纤光栅在传感领域的应用。为了更好地解决交叉敏感问题,研究者通过将不同的光纤光栅级联,得到不同于单个光纤光栅特点的光栅结构[4]。目前已有的级联光栅结构有:①双布喇格光纤光栅(FBG)结构,该结构的优点是可以实现长距离分布式传感,造价相对比较低。不足之处在于需要保证2个FBG中心波长相差足够大,因此需要2个侧面发光二极管(ELED)和光谱仪,难以实用化。②双长周期光栅(LPFG)结构,因为LPFG对温度和折射率的灵敏度高于FBG,所以该结构比第一种结构灵敏度要高,但透射波带较宽,导致复用困难,不利于分布式传感。③LPFG与FBG级联结构,该结构能够使反射谱中出现2个窄带波,波长较大处的窄带波中心波长受FBG影响,波长较小处的窄带波中心波长受FBG和LPFG共同影响,2个波的光强同时受FBG和LPFG影响[5]。因此,对于LPFG-FBG级联结构,只需观测其反射谱就可以同时进行双参量测量。本文利用双光栅法以聚酰亚胺(PI)湿敏薄膜为FBG涂覆层,提出带涂覆层的反射型LPFG-FBG独立级联结构构成的光纤光栅型温湿度传感器,实现光纤光栅同时对温度和湿度的高精度测量。

5 结束语
      本文提出了以LPFG-FBG级联结构来实现温湿度同时测量的光纤传感器,并对温湿度特性及传感特性进行了研究,通过建立温湿度变化量与光谱特征波长位置变化两者之间的数学模型,求解传感系数矩阵实现了环境温湿度同时传感的目的,解决了单一光栅传感存在的交叉敏感问题。该光纤光栅传感器具有结构简单、灵敏度高和可实现双参传感的优点。本文的研究成果对复杂环境下的多参数耦合测量有着重要的参考意义,但在投向实际使用时,还应该对其响应速度和稳定性进行详细地研究及验证。