本發(fā)明涉及一種光纖傳感與監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種降低溫度變化對光纖傳感器測量信號影響的方法。

背景技術(shù)：

光纖傳感器具有極高的靈敏度和精度、抗電磁干擾、高絕緣強(qiáng)度、耐腐蝕、集傳感與傳輸于一體、能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等優(yōu)點，在傳感與監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在傳感器的制造和使用過程中，傳感區(qū)域會不可避免的產(chǎn)生大量殘余應(yīng)力，使得光纖傳感區(qū)域產(chǎn)生大量的應(yīng)力雙折射，引起被測物理信號隨時間的漂移。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，內(nèi)應(yīng)力在傳感區(qū)域的分布也隨溫度發(fā)生變化，使得光纖傳感器在測量被測物理信號的過程中受到溫度變化的影響。溫度的波動會造成嚴(yán)重的測量誤差，可能導(dǎo)致測量系統(tǒng)的誤報警引發(fā)不可估量的嚴(yán)重后果，甚至使得該傳感器測量無效。因此，需要提出一種有效的方法，降低溫度變化對光纖傳感器測量信號的影響。

在現(xiàn)有的科學(xué)研究中，降低溫度變化對光纖傳感器測量信號的影響方法有兩種。第一種方法是基于溫度補償原理。由于該方法難于保證測量傳感器和參考傳感器具有完全相同的光學(xué)性能，所以補償精度低。另外參考傳感器的引入和封裝增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。第二種方法是設(shè)計特殊的光纖傳感區(qū)結(jié)構(gòu)。該方法只能保證個別被測物理信號不受溫度的影響，具有較大的局限性。

發(fā)明人經(jīng)過悉心實驗和理論研究，提出一種降低溫度變化對光纖傳感器測量信號影響的方法。通過循環(huán)升溫與降溫處理，打破光纖傳感區(qū)內(nèi)部的殘余應(yīng)力平衡狀態(tài)，利用溫度的變化使得光纖傳感區(qū)的幾何不斷產(chǎn)生微變形，在微變形過程中逐漸釋放殘余應(yīng)力。低應(yīng)力狀態(tài)的光纖傳感區(qū)域保證了其幾何上和光學(xué)上的穩(wěn)定性，這樣可以顯著降低溫度變化對光纖傳感器測量信號的影響。

發(fā)明人已有實驗案例表面：利用此方法處理的光纖拉錐傳感器在20~200℃范圍內(nèi)的溫度擾動信號可以降低90%，溫度所致的光強(qiáng)信號擾動可以控制在0.03 dB以內(nèi)。發(fā)明人同時對光纖在一定溫度下進(jìn)行保溫的熱處理工藝進(jìn)行實驗研究，研究結(jié)果表明，保溫式的熱處理工藝無法顯著降低光纖內(nèi)部的殘余應(yīng)力。當(dāng)光纖在保溫過程中，內(nèi)部的殘余應(yīng)力通過微變形達(dá)到了一種平衡狀態(tài)，使得殘余應(yīng)力不能得到有效的釋放。當(dāng)其處于變溫的環(huán)境中時，大量殘余應(yīng)力引起傳感區(qū)域的幾何和光學(xué)性能發(fā)生變化，光纖傳感器在使用過程中測量信號受溫度的影響仍很顯著。相比于已公開報道的兩種方法，本專利提出的方法從根本上解決了光纖拉錐結(jié)構(gòu)的溫度敏感性難題，具有簡單易行，且低成本的特點，具有很好的應(yīng)用前景和商業(yè)價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對目前光纖傳感器在測量過程中受溫度的交叉影響而使得測量準(zhǔn)確度低或者測量無效的問題，提出一種降低溫度變化對光纖傳感器測量信號影響的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種降低溫度變化影響光纖傳感器測量信號的方法，其特征在于通過循環(huán)升溫與降溫處理光纖傳感器的傳感區(qū)域，以減小光纖傳感區(qū)的殘余應(yīng)力，降低光纖傳感器在測量被測物理量時測量信號受溫度變化的干擾。該方法通過溫度的變化使得光纖傳感區(qū)的幾何發(fā)生微變形，利用不斷變化的幾何微變形使得殘余應(yīng)力得到釋放。

循環(huán)升溫與降溫的溫度變化范圍為：-20~500℃。

本發(fā)明主要是針對不做改變外形與改變外形處理的光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，改變外形的處理方法主要包括：拉錐、腐蝕、彎曲、壓縮與刻蝕。

用本發(fā)明的方法一次處理多根光纖傳感器時，處理過程需保證不同傳感器的最大溫差小于20℃。

所述的升溫與降溫處理是指從室溫以設(shè)定的速度升到設(shè)定的溫度后再降溫至室溫，最大降溫速率不超過15℃/min。

當(dāng)光纖傳感器在高溫環(huán)境中使用時，由于聚合物涂覆層和光纖石英包層的熱膨脹系數(shù)差異，光纖內(nèi)部會產(chǎn)生大量不均勻的殘余應(yīng)力。針對此問題本發(fā)明提出將循環(huán)升溫和降溫的最高溫度升高至聚合物涂覆層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，通過聚合物內(nèi)部分子鏈段在橡膠態(tài)的顯著運動來釋放涂覆層與光纖石英包層之間以及涂覆層內(nèi)部的殘余應(yīng)力，降低光纖傳感器受溫度信號的影響。

通過測量被測物理信號在一定的升溫范圍內(nèi)的變化量可以檢驗光纖傳感器被測物理信號是否受溫度變化干擾或影響。如果變化量在可使用要求的范圍以內(nèi)，則可以認(rèn)為其不再受溫度變化干擾。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明能簡單有效的降低溫度變化對光纖傳感器測量信號的影響，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本發(fā)明提供了一種新的解決光纖傳感器溫度交叉敏感問題的新方法，并且該方法適用范圍廣。該方法可以推進(jìn)光纖傳感器在變溫環(huán)境下的測量使用，具有廣闊的市場價值。

本發(fā)明提出的方法可以減小光纖生產(chǎn)以及光纖在改變外形的過程中所引起的不均勻殘余應(yīng)力，改善光纖的衰減損耗、翹曲特性以及光纖脆性。

附圖說明：

圖1光纖拉錐傳感器循環(huán)升溫與降溫處理裝置示意圖

圖2無涂覆層拉錐光纖傳感器光學(xué)響應(yīng)隨溫度的變化曲線

圖3 光纖錐區(qū)在熱處理之前（a）和熱處理之后（b）的應(yīng)力顯微圖

圖4相對光強(qiáng)隨蔗糖濃度的變化曲線

圖5有涂覆層的拉錐光纖傳感器光學(xué)響應(yīng)隨溫度的變化曲線

圖中：1-激光源、2-光纖、3-加熱平臺、4-光功率計、5-石英毛細(xì)管、6-纖芯、7-光纖包層、8-涂覆層。

具體實施方式：

下面結(jié)構(gòu)附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1-5所示。

一種降低溫度變化對光纖傳感器測量信號影響的方法，通過循環(huán)升溫與降溫處理光纖傳感器的傳感區(qū)域，以減小光纖傳感區(qū)的殘余應(yīng)力，降低光纖傳感器在測量被測物理量時測量信號受溫度變化的干擾。循環(huán)升溫與降溫的溫度變化范圍為：-20~500℃。用本發(fā)明的方法一次處理多根光纖傳感器時，處理過程需保證不同傳感器的最大溫差小于20℃。

實例一。

本實例的拉錐光纖傳感器是通過光纖的縱向熔融拉伸制得的，該過程會在光纖錐區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力，使得該類傳感器對溫度極其敏感。以下結(jié)合附圖和降低溫度變化對拉錐光纖傳感器測量信號的影響為例來說明本發(fā)明的具體實施方法，本發(fā)明不限于該實施例。本發(fā)明的具體步驟包括：

實例1：

1.剪取單模石英光纖2（康寧單模光纖）1.5m，將直徑為0.3mm的石英毛細(xì)管套入光纖2。然后使用光纖切割刀切平兩光纖2端面，并在兩光纖端面熔接標(biāo)準(zhǔn)接頭。為了監(jiān)測光纖2拉錐過程，在光纖2一端通過標(biāo)準(zhǔn)接頭接入1550 nm的激光源1，在另一端接入光功率計4，如圖1上半部分所示。

2.將光纖中間部位去掉長為 1.5cm的光纖涂覆層8，采用酒精對該區(qū)域進(jìn)行清洗。然后夾持在光纖拉錐儀上進(jìn)行拉錐。設(shè)定拉錐速度為0.5 mm/s，火焰溫度1000℃，錐區(qū)直徑為35μm。拉錐后檢查光功率計4光強(qiáng)的變化，判斷光纖拉錐質(zhì)量。

3.若光纖拉錐傳感器的質(zhì)量滿足使用需求，取下該光纖2，然后將石英毛細(xì)管5移動到光纖拉錐區(qū)域。

4.光纖拉錐傳感器循環(huán)升溫與降溫處理裝置示意圖如圖1下半部分所示，將該傳感器移置加熱平臺3，并把石英毛細(xì)管5固定在加熱平臺3上對光纖拉錐區(qū)域進(jìn)行循環(huán)升溫與降溫處理。在實驗中對石英毛細(xì)管5進(jìn)行固定而非光纖2的目的是保證光纖2在加熱或者冷卻過程中不受約束，可以自由變形，并且使用石英毛細(xì)管5封裝光纖拉錐結(jié)構(gòu)可以避免產(chǎn)生微小彎曲。受熱區(qū)域的光纖涂覆層8可以去除也可以不去除。當(dāng)涂覆層8溫度超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，通過聚合物分子鏈段在橡膠態(tài)的運動消除殘余應(yīng)力。本實驗中采用的單模光纖涂覆層8材料為丙烯酸脂，該材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為105℃，當(dāng)熱處理溫度超過該溫度時，聚合物分子鏈段的運動使得涂覆層8與包層7之間的相對運動變得更加容易，殘余應(yīng)力可以得到顯著的釋放。

5.對加熱平臺3進(jìn)行工藝設(shè)定：從室溫20℃以10℃/min升溫至200℃，然后自然降溫至室溫。反復(fù)循環(huán)該工藝，直到降溫過程中光功率計4的光強(qiáng)變化在可接受的范圍內(nèi)。有研究表明：當(dāng)大氣壓力維持穩(wěn)定時，空氣的折射率基本保持不變。在本實驗中光纖拉錐傳感器裸露在空氣中，可以認(rèn)為大氣壓力在短時間內(nèi)變化很小。通過光強(qiáng)在降溫過程中變化范圍的大小來判斷光纖拉錐傳感器對溫度的敏感程度。實驗過程中該傳感器的光學(xué)響應(yīng)隨溫度的變化曲線和循環(huán)升溫與降溫處理工藝如圖2所示。當(dāng)該錐區(qū)直徑為35μm的光纖拉錐傳感器經(jīng)過循環(huán)升溫與降溫處理，光強(qiáng)隨溫度的變化為0.03 dB。相比于未處理的光纖拉錐結(jié)構(gòu)，溫度所致的信號擾動可以降低90%。

6.將熱處理過的光纖2錐區(qū)結(jié)構(gòu)置于應(yīng)力顯微鏡下測量殘余應(yīng)力的大小，與未處理的光纖拉錐傳感器（圖 3（a））相比，從圖3（b）可以看出熱處理后的錐區(qū)基本不存在殘余應(yīng)力。

7.本實例中將該傳感器用于折射率的測量，進(jìn)一步測量蔗糖溶液濃度在不同溫度下的響應(yīng)曲線（實驗結(jié)果如圖4所示）。由圖4可以看出，該傳感器在不同溫度下濃度響應(yīng)曲線具有很好的一致性，說明該傳感器基本不受溫度的影響。曲線之間的偏差主要是高溫下溶液本身的折射率差異和溶劑揮發(fā)產(chǎn)生的。對于有包層8的光纖進(jìn)行熱處理，實驗結(jié)果如圖5所示，熱處理后光強(qiáng)信號基本不隨溫度發(fā)生變化。

實例二。

本實例與實例一的區(qū)別是同時處理多根光纖傳感器，但同時處理多根光纖傳感器時要保證相鄰光纖之間的最大溫差小于20攝氏度，其余與上述實例一相同。

實例三。

本實例與實例一、二的區(qū)別是對光纖傳感器處理方式的區(qū)別，除了進(jìn)行拉錐處理外還可進(jìn)行腐蝕、彎曲、壓縮與刻蝕處理后再參照上述方法進(jìn)行升溫與降溫處理。

實例四。

本實例與實施一的區(qū)別是升溫范圍和速度的調(diào)整。根據(jù)具體使用情況和要求，既可進(jìn)行升溫處理，最大升至500℃，也可降至-20℃，升溫和降溫速度可通過有限的試驗加以確定，可在2-30℃/min范圍內(nèi)加以選擇。

本發(fā)明未涉及部分與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。