(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211197366.3 (22)申请日 2022.09.29 (71)申请人 河北工程大 学 地址 056038 河北省邯郸市经济开发区太 极路19号 (72)发明人 胡劲华　吕子尚　赵继军　 (51)Int.Cl. G01D 5/353(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种平顶型温度应力双参量光纤光栅传感 器 (57)摘要 本发明涉及光纤通信和光纤传感领域， 公开 了一种平顶型温度应力双参量光纤光栅传感器， 包括经腐蚀处理的单模光纤包层和单模光纤纤 芯， 在所述单模光纤纤芯上刻蚀 啁啾布拉格光纤 光栅和啁啾长周期光纤光栅。 所述啁啾型光纤光 栅的结构参数通过机器学习逆向设计。 所述两种 啁啾光纤光栅各自输出平顶型透射光谱， 依据不 同平顶透射光谱对温度和应力的灵敏度响应不 同， 实现温度应力双参量同时传感。 所述啁啾布 拉格光纤光栅输出平顶光谱在温度和应力检测 的同时， 存在1456n m左右的固定通信波段可用于 光纤通信， 但不限于该波段。 该传感器在实现温 度应力双参量传感的同时， 还可用于固定波 段的 通信， 为实现通信传感一体化 提供了基础。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 115388920 A 2022.11.25 CN 115388920 A 1.一种平顶型温度应力双参量光纤光栅传感器， 其特征在于， 所述传感器结构包括经 腐蚀处理的单模光纤包层和单模光纤纤芯， 在所述单模光纤纤芯上刻蚀啁 啾布拉格光纤光 栅和啁啾长周期光纤光栅。 所述啁啾型光纤光栅的结构参数通过机器学习逆向设计。 入射 光从左侧进入传感器结构， 在右侧输出啁 啾布拉格光纤光栅和啁啾长周期光纤光栅平顶型 透射光谱。 所述输出平顶光谱可同时进行温度和应力传感。 所述平顶光谱有固定的重叠光 谱波段可实现固定通信。 2.如权利1所述一种平顶型温度应力双参量光纤光栅传感器， 其特征在于， 通过机器学 习训练的光谱模型逆向定位到所需设计光纤光栅周期、 长度、 啁啾系 数和调制深度等结构 参数的范围和取值， 进 而逆向设计传感器结构。 3.如权利2所述一种基于机器学习的训练光谱模型， 其特征在于， 通过训练环境监测光 谱模型， 可以直接依据光谱定位环境 参量变化。 4.如权利1所述一种平顶型温度应力双参量光纤光栅传感器， 其特征在于， 利用输出的 平顶透射光谱对温度和应力的灵敏度响应不同， 实现温度应力双参 量同时检测。 5.如权利1所述一种平顶型温度应力双参量光纤光栅传感器， 其特征在于， 通过腐蚀减 小单模光纤的包层半径到20.5 μm， 增强了传感器表面的倏逝场， 增大传感器与外界环境的 相互作用， 提高测量灵敏度。 6.如权利1所述一种平顶型温度应力双参量光纤光栅传感器， 其特征在于， 通过调节啁 啾系数可实现平 顶透射光谱带宽可调。 7.如权利1所述一种平顶型温度应力双参量光纤光栅传感器， 其特征在于， 啁啾布拉格 平顶透射光谱在一定温度应力 传感范围内总能允许1456nm左右波 段的光信号通过， 因此可 以作为固定通信波段用于通信， 实现通信传感一体化。 8.如权利7所述平顶透射光谱， 其特征在于， 可通过调节光纤光栅周期实现通信波段的 可控调节， 便 于选择。 9.如权利1所述一种平顶型温度应力双参量光纤光栅传感器， 其特征在于， 啁啾型长周 期光纤光 栅有利于增大纤芯模和包层模的耦合效率， 提高灵敏度和透射功率。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115388920 A 2一种平顶型温度应力双参量光纤光 栅传感器 技术领域 [0001]本发明涉及 光纤传感领域和光纤通信领域， 尤其涉及一种平顶型温度应力双 参量 光纤光栅传感器， 可以在固定波段内通信， 也可对环境中的温度和应力同时进行双参量传 感。 背景技术 [0002]光纤光栅凭借传感信号强、 精度高、 响应快,不受光源波动和链路损耗变化的影 响,抗干扰能力强； 同时具有组网复用方式灵活多样的特点， 已经成为光纤通信和传感领域 的关键器件之一。 近年来， 随着传感器技术和光纤光栅传感网系统的不断发展， 人们对传感 器的要求也越来越高。 在光纤传感技术中， 光纤光栅对温度、 湿度、 微弯曲应变和应力等多 环境参量 非常敏感， 通过测量传感器的反射或透射波长 即可对传感器上作用的物理参量进 行测量， 因此 该器件广泛应用于环境 监测、 公共安全(矿井安全、 火灾预警、 安防)等领域。 [0003]在公共安全信息领域， 如在矿井的复杂环境中， 需要对多参量进行同时检测传感。 如果一个传感器只能测量一个环境变量时则会使传感器体积增大、 成本增加。 所以使得一 个传感器可以同时进 行多参量传感， 实现器件集成化和小型化显得尤为必 要。 此外， 在多参 量信息感知的同时还需要进行信息传输， 光纤通信在波长选择时需要稳定的波段， 而光纤 传感则需要中心波长具有很高的灵敏度， 漂移较大， 两者之间相互矛盾。 如果单独布设光栅 传感器和通信光纤， 也会导致增加成本， 同时也导致布设工作繁琐， 使 得整个系统的重量增 加。 而传统的光纤光栅传感器通过中心波长漂移来检测环境参量的变化， 导致中心波长不 能稳定存在， 不能形成 固定通信波段。 因此需要对光纤光栅传感器进 行改进设计， 使其在可 以进行双参量传感的同时也具备通信的能力。 以便于在光纤传感网应用中可以更好的与其 他通信设备相结合。 发明内容 [0004]本发明为了实现通信传感一体化， 提出了一种平顶型温度应力双参量光纤光栅传 感器。 通过对光纤光栅传感器的结构进行设计， 使得该传感器可同时具备通信和传感的功 能。 [0005]所述光纤光栅传感器首先依据所需的大致光谱范围， 通过机器学习训练模型逆向 推断出该结构所需的大致结构参数范围。 该传感器结构包括经腐蚀处理的单模光纤包层和 单模光纤纤芯， 在所述单模光纤纤芯上刻蚀 啁啾布拉格光纤光栅(CFBG)和啁啾长周期光纤 光栅(CLPG)。 入射光从左侧进入传感器结构， 在右侧同时输出啁啾布拉格光纤光栅和啁啾 长周期光纤光 栅的平顶型透射谱。 [0006]一种平顶型温度应力双参 量光纤光栅传感器的逆向设计方法需要以下步骤： [0007]步骤1、 依据耦合模理论构建光纤光栅模型， 得到所需结构的输出光谱。 通过调节 光栅长度、 光栅周期、 折射率以及 啁啾系数等结构参数， 大量训练输出光谱， 生成输出光谱 数据集。说　明　书 1/4 页 3 CN 115388920 A 3