CN102261967A - 基于同轴光纤的温度和应力双参量光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于同轴光纤的温度和应力传感器。它包括单模输入光纤、第一同轴光纤、中间单模光纤、第二同轴光纤和单模输出光纤依次连接而构成，其中单模输入光纤、第一同轴光纤和中间单模光纤依次熔接构成一号传感单元；中间单模光纤、第二同轴光纤和单模输出光纤依次熔接构成二号传感单元。由于第一同轴光纤和第二同轴光纤具有不同的结构参数，一号传感单元和二号传感单元将具有不同波长的谐振滤波光谱，并且两谐振光谱将对温度和应力两个参数具有不同的传感灵敏度，从而可以实现双参量光纤传感器。本发明基于同轴光纤的温度和应力双参量光纤传感器，具有制备工艺简单、成本低廉、结构紧凑、性能稳定、易于与标准单模光纤系统集成等优点。

Description

基于同轴光纤的温度和应力双参量光纤传感器

技术领域

本发明涉及一种基于同轴光纤的温度和应力双参量光纤传感器，属于光纤传感技术应用领域。

背景技术

温度和应力是光纤传感技术应用领域中最重要的两个物理量，在大型桥梁、隧道、大坝等安全监控领域，都必须对温度和应力这两个参量进行探测。然而，由于光纤本身对温度和应力同时敏感，即温度和应力会同时引起光纤传感信号的变化，使得人们无法对两者的具体影响加以区分，这就是交叉敏感问题。交叉敏感问题可以说是光纤传感技术的一个普遍问题，在一定程度上制约了光纤传感技术的应用推广。为了克服交叉敏感问题，实现温度和应力的同时区分测量，人们提出了许多技术方案，比较常用的方法包括：基于两个或两个以上光纤传感器组合、或改变光纤本身的某些结构参数、或采用不同的封装等等。例如：H.J.Patrick 等（H.J.Patrick, G.M.Williams, A.D.Kersey, J.P.Pedrazzani, and A.M.Vengsarkar. IEEE Photon. Technol. Lett., 1996, 8(9):1223-1225）提出，将具有不同敏感特性的光纤布拉格光栅与长周期光纤光栅组合实现温度和应力双参量光纤传感器；LiXiaohong 等（LiXiaohong, WangDexiang, ZhaoFujin, and DaiEnguang. MICRIWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS, 2004, 43(6):478-481）提出对光纤布拉格光栅进行部分腐蚀，从而获得两套布拉格反射波长，利用它们对温度和应力传感灵敏度的差异实现双参量光纤传感器，从而克服了交叉敏感问题。但是这些技术方案的不足之处在于制作过程中不可避免的要使用一些复杂的光纤传感头处理技术，例如特种紫外光写入、化学腐蚀、机械打磨、传感头涂覆等工艺。

发明内容

本发明的目的在于克服上述温度和应力双参量同时测量光纤传感技术的不足，提供了一种基于同轴光纤的温度和应力双参量光纤传感器，它具有制造工艺简单、操作使用方便、测量稳定性高、易于与现有标准单模光纤熔接等特点。

为达到上述目的，本发明的构思是：

制作一种基于同轴光纤的传感头，这种传感头依次包括单模输入光纤、第一同轴光纤、中间单模光纤、第二同轴光纤和单模输出光纤，其中单模输入光纤和中间单模光纤依次与第一同轴光纤通过光纤熔接机熔接构成一号传感单元；中间单模光纤和单模输出光纤依次与第二同轴光纤通过光纤熔接机熔接构成二号传感单元，它们共同构成温度和应力双参量光纤传感头。此前，本发明人所在的课题组分别研究了基于具有双包层结构同轴光纤的温度和应力传感特性（Fufei Pang, Wenchao Xiang, Hairun Guo, Na Chen, Xianglong Zeng, Zhenyi Chen, and Tingyun Wang. Optics Express, 2008, 16(17):12967-12972; Zhang, Jian, Pang, Fufei, Guo, Hairun, Chen, Zhenyi, Wang, Tingyun. Proceedings of the SPIE, 2010,Vol.7853, pp.78533U-78533U-6）,通过理论和实验证明同轴光纤具有包层模谐振光谱滤波功能，并且谐振光谱对温度和应力具有敏感性，这也是本发明提出的前提和基本依据。

本发明的工作原理：

根据光纤波导耦合模理论，光在两个靠近的光波导中传输，当传输的模式满足相位匹配条件时，光波可以以渐逝波形式在两个波导之间交换能量。上述同轴光纤的纤芯和外包层之间存在一个很薄的内包层，因此可以把同轴光纤看做两个靠近的光波导，分别是柱形光波导和环形光波导，而且柱形光波导中纤芯模和环形光波导中的包层模能够实现模式耦合。该传感头的工作过程为：宽带光信号从单模输入光纤输入，传输到第一同轴光纤时，能够耦合到第一同轴光纤的纤芯内，之后通过渐逝波耦合作用，在满足第一同轴光纤相位匹配条件的波长处，光波被耦合至包层环形波导中传输，不满足相位匹配的光波仍然在纤芯中传输。当光波传输到中间单模光纤时，其纤芯模式和包层模式分别被激发，并各自传输，由于中间单模光纤保留部分的涂覆层，涂覆层具有比石英更高的折射率，因此，中间单模光纤中传输的包层模将被逐渐泄漏，因此这段具有涂覆层的单模光纤将对包层模起到模式滤除器的作用，这样，只有中间单模光纤中的纤芯模式能够传输到第二同轴光纤。待纤芯中的光波传输到第二同轴光纤时，与前述工作原理类似，传输的光将耦合进第二同轴光纤的纤芯内，在满足第二同轴光纤相位匹配条件波长处，光波通过渐逝波被耦合至环形波导中传输。最后，第二同轴光纤纤芯中传输的基模耦合到输出单模光纤的纤芯基模，输出并探测。通过上述的描述可以知道，最后，输出的光波信号中，在第一同轴光纤相位匹配波长和第二同轴光纤相位匹配波长处的光波都将被耦合至各自的包层环形波导中，这两部分光波能量最终将损耗掉，因此，如果两个同轴光纤具有不同的相位匹配波长，输出光波光谱将呈现为两个波谷。由于第一同轴光纤与第二同轴光纤内包层材料不同，折射率差亦有差别，这样，在实现不同相位匹配波长的同时，也可以使得两个谐振波谷对温度和应力传感具有不同的灵敏度，因此，通过两个波谷的相对移动的差异就可以实现温度和应力双参量同时区分测量。

根据上述发明构思和工作原理，本发明采用下述技术方案：

一种基于同轴光纤的温度和应力双参量光纤传感器，包括单模输入光纤、第一同轴光纤、中间单模光纤、第二同轴光纤和单模输出光纤依次连接，其特征在于单模输入光纤、第一同轴光纤和中间单模光纤依次通过光纤熔接机熔接构成具有谐振滤波传输光谱的一号传感单元；中间单模光纤、第二同轴光纤和单模输出光纤依次通过光纤熔接机熔接构成具有谐振滤波传输光谱的二号传感单元。

所述一号传感单元和二号传感单元采用了具有不同结构参数同轴光纤，使得一号传感单元谐振滤波传输光谱和二号传感单元谐振滤波传输光谱具有不同的波长。

所述一号传感单元谐振波长和二号传感单元谐振波长对温度和应力均具有敏感性，但是，它们对温度和应力两个参量具有不同的传感灵敏度。

所述第一同轴光纤和第二同轴光纤为双包层结构光纤，或者为三包层结构光纤。

与现有的温度和应力双参量同测光纤传感器相比，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.   传感头制备工艺简单。由于本发明是基于同轴特种光纤包层模谐振滤波光谱对温度和应力的传感特性而提出的，因此，无需涂覆敏感胶，化学腐蚀等传感头处理过程。

2. 传感头性能一致性好。本发明所利用的同轴特种光纤可采用改进化学气相沉积技术（MCVD）制备，所制备的同轴特种光纤性能和光谱滤波特性稳定性强，一致性好，因此，本发明所提出的传感头参数将具有良好的一致性和长期稳定性。

3. 与现有标准单模光纤兼容性好。由于本发明所利用的同轴光纤与标准单模光纤具有相同的材料，外径以及芯径，只要利用常规的光纤熔接机就可以制备双参量传感头，因此，与现有的标准单模光纤光源和测试系统具有良好的兼容性。

附图说明

图1为本发明基于同轴光纤的温度和应力双参量光纤传感器一个实施例结构示意图；

图2为本发明基于同轴光纤的温度和应力双参量光纤传感器另一个实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施进一步说明：

实施例一：

    参见图1，本基于同轴光纤的温度和应力双参量光纤传感器，包括单模输入光纤1、第一同轴光纤2、中间单模光纤3、第二同轴光纤4和单模输出光纤5依次连接，其特征在于单模输入光纤1、第一同轴光纤2和中间单模光纤3依次通过光纤熔接机熔接构成具有谐振滤波传输光谱的一号传感单元；中间单模光纤3、第二同轴光纤4和单模输出光纤5依次通过光纤熔接机熔接构成具有谐振滤波传输光谱的二号传感单元。

实施例二：

    参见图1，本实施例与实施例一基本相同，具体结构详述如下。

参见图1，本实施例的结构由五部分组成：单模输入光纤1、第一同轴光纤2、中间单模光纤3、第二同轴光纤4和单模输出光纤5，其中第一同轴光纤2和第二同轴光纤4具有双包层结构，第一同轴光纤2中，纤芯6和外包层7的折射率高于内包层8的折射率，第二同轴光纤4中，纤芯9和外包层10的折射率高于内包层11的折射率，虽然，两个同轴光纤都具有双包层结构，但是，它们的内包层掺杂材料、内包层厚度以及内包层的折射率值不同，因此，它们具有不同的包层模谐振滤波光谱波长（分别记为                                                

和

）。各段光纤可直接利用光纤熔接机进行熔接，分别形成熔接面12、熔接面13、熔接面14和熔接面15。宽带光信号16从单模输入光纤1输入且在纤芯17中传输，传输到熔接面12时，信号光注入到第一同轴光纤2的纤芯6内，之后通过光纤渐逝波耦合，在满足相位匹配条件波长

的光波全部被耦合至外包层7中传输，不满足相位匹配条件波长的光波将继续沿纤芯6传输。当光信号传输到熔接面13时，纤芯6和外包层7中的光信号将分别注入到中间单模光纤3的纤芯18和包层19中传输，由于中间单模光纤3保留了部分高折射率的涂覆层20，将对包层19传输的模式具有损耗作用，因此，只有纤芯18中传输的光信号才能继续传输下去。待其传输到熔接面14时，与前述工作原理类似，纤芯18中传输的光信号将注入第二同轴光纤4的纤芯9中传输，之后通过光纤渐逝波耦合，在满足相位匹配条件波长的光波全部被耦合至外包层10中传输，不满足相位匹配条件波长的光波将继续沿纤芯9传输。直到传输到熔接面15，纤芯9中传输的光波注入到单模输出光纤5的纤芯21中传输，并可以利用光谱仪22进行探测。由于第一同轴光纤2和第二同轴光纤4具有不同的相位匹配波长和

，因此，在纤芯21的输出光波将呈现出两个包层模滤波光谱的波谷。当该传感光纤受到拉应力和温度变化作用时，我们通过两个滤波波谷波长的移动，即可获得温度和应力变化量的传感信息。

实施例三：

    参见图2，本实施例的结构由五部分组成：单模输入光纤1、第一同轴光纤2、中间单模光纤3、第二同轴光纤4和单模输出光纤5，其中第一同轴光纤2和第二同轴光纤4具有三包层结构，第一同轴光纤2中，纤芯6和外包层7的折射率高于第一包层8和第三包层23的折射率，第二同轴光纤4中，纤芯9和外包层10的折射率高于第一包层11和第三包层24的折射率，虽然，两个同轴光纤都具有三包层结构，但是，它们的第一包层和第二包层掺杂材料、内包层厚度以及内包层的折射率值不同，因此，它们具有不同的包层模谐振滤波光谱波长（分别记为

和

）。各段光纤可直接利用光纤熔接机进行熔接，分别形成熔接面12、熔接面13、熔接面14和熔接面15。宽带光信号从单模输入光纤1输入且在纤芯17中传输，传输到熔接面12时，信号光注入到第一同轴光纤2的纤芯6内，之后通过光纤渐逝波耦合，在满足相位匹配条件波长的光波全部被耦合至第二包层7中传输，不满足相位匹配条件波长的光波将继续沿纤芯6传输。当光信号传输到熔接面13时，纤芯6和外包层7中的光信号将分别注入到中间单模光纤3的纤芯18和包层19中传输，由于中间单模光纤3保留了部分高折射率的涂覆层20，将对包层19传输的模式具有损耗作用，因此，只有纤芯18中传输的光信号才能继续传输下去。待其传输到熔接面14时，与前述工作原理类似，纤芯18中传输的光信号将注入第二同轴光纤4的纤芯9中传输，之后通过光纤渐逝波耦合，在满足相位匹配条件波长

的光波全部被耦合至第二包层10中传输，不满足相位匹配条件波长的光波将继续沿纤芯9传输。直到传输到熔接面15，纤芯9中传输的光波注入到单模输出光纤5的纤芯21中传输，并可以利用光谱仪进行探测。由于第一同轴光纤2和第二同轴光纤4具有不同的相位匹配波长

和

，因此，在纤芯21的输出光波将呈现出两个包层模滤波光谱的波谷。当该传感光纤受到拉应力和温度变化作用时，我们通过两个滤波波谷波长的移动，即可获得温度和应力变化量的传感信息。

从上述的实施说明中可以看出，该发明基于同轴光纤的温度和应力双参量光纤传感器结构的制备工艺非常简便，由于采用具有光谱滤波功能的同轴特种光纤作为传感单元，本发明的光纤传感器将具有良好的稳定性。

Claims (4)

1.一种基于同轴光纤的温度和应力双参量光纤传感器，包括单模输入光纤（1）、第一同轴光纤（2）、中间单模光纤（3）、第二同轴光纤（4）和单模输出光纤（5）依次连接，其特征在于单模输入光纤（1）、第一同轴光纤（2）和中间单模光纤（3）依次通过光纤熔接机熔接构成具有谐振滤波传输光谱的一号传感单元；中间单模光纤（3）、第二同轴光纤（4）和单模输出光纤（5）依次通过光纤熔接机熔接构成具有谐振滤波传输光谱的二号传感单元。

2.根据权利要求1所述的基于同轴光纤的温度和应力双参量光纤传感器，其特征在于所述一号传感单元和二号传感单元采用了具有不同结构参数同轴光纤，使得一号传感单元谐振滤波传输光谱和二号传感单元谐振滤波传输光谱具有不同的波长。

3.根据权利要求1和2所述的基于同轴光纤的温度和应力双参量光纤传感器，其特征在于所述一号传感单元谐振波长和二号传感单元谐振波长对温度和应力均具有敏感性，但是，它们对温度和应力两个参量具有不同的传感灵敏度。

4.根据权利要求1所述的基于同轴光纤的温度和应力双参量光纤传感器，其特征在于所述第一同轴光纤（2）和第二同轴光纤（4）为双包层结构光纤，或者为三包层结构光纤。

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