CN102305637A - 一种基于包层模传输的光纤光栅微弯传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于包层模传输的光纤光栅微弯传感器，属于光纤传感技术领域，其特征在于：由长周期光纤光栅(1)、布拉格光纤光栅(2)、单模光纤(3)、封装套管(4)和连接头(5)组成；光在单模光纤(3)中传输经过长周期光纤光栅(1)时，部分纤芯模被耦合进长周期光纤光栅(1)的包层，包层模与剩余的纤芯模继续沿单模光纤(3)传输，经过光纤光栅(2)，满足布拉格条件的两个不同波长的光将被反射，反射光谱中将出现分别对应包层模与纤芯模的2个峰；当长周期光纤光栅(1)发生弯曲时，通过测量两个峰的漂移来测量长周期光纤光栅(1)的弯曲程度；该传感器灵敏度高、抗外界电磁干扰能力强，可以应用于各类实际工程中。
Description
技术领域
本发明提供了一种基于包层模传输的光纤光栅微弯传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
基于结构简单、抗电磁干扰、适用于远距离及分布式传感等诸多优点，光纤传感器在实际工程中取得了广泛的应用与研究。之前人们对基于长周期光纤光栅的微弯传感器进行了大量的研究，长周期光纤光栅将纤芯模耦合进包层，弯曲长周期光纤光栅可影响纤芯模到包层模的耦合效率，从而实现弯曲传感。通常，先前提出的基于长周期光纤光栅结构的微弯传感器在进行弯曲测量时，往往会受到其他参量的影响，如：温度，应力。而且长周期光纤光栅的模式耦合发生在一个相对较宽的波段，这样就限制了它的复用能力。布拉格光纤光栅进行微弯测量也被进行了一些研究。然而，普通的布拉格光纤光栅中，纤芯模无法耦合进包层，因此在进行弯曲测量，必须通过特殊的工艺，使纤芯模能够耦合进包层，从而与外界媒质相互最用，已经报道的处理方法有：腐蚀、研磨、采用D型光纤光栅。这无疑会加大制造难度而且还会提高损耗。倾斜光纤光栅可将纤芯模耦合进后向传输的包层模，因而可以进行微弯的测量。然后，倾斜光纤光栅偶合进包层的纤芯模具有一个很宽的波段，因而增加了复用以及波长解调方面的难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于包层模传输的光纤光栅微弯传感器。该装置能够将待测物体的弯曲量转化为探测信号的波长漂移量，具有结构简单、易于操作、灵敏度高等特点。
本发明通过以下技术方案实现：
由长周期光纤光栅(1)、布拉格光纤光栅(2)、单模光纤(3)、封装套管(4)和连接头(5)组成；长周期光纤光栅(1)之前经单模光纤(3)与连接头(5)相连，长周期光纤光栅(1)之后经单模光纤(3)与布拉格光纤光栅(2)相连，长周期光纤光栅(1)和布拉格光纤光栅(2)均由封装套管(4)保护。
所述的一种基于包层模传输的光纤光栅微弯传感器，其特征在于：长周期光纤光栅(1)的周期范围为500～600μm，光栅长度为2～3cm。
所述的一种基于包层模传输的光纤光栅微弯传感器，其特征在于：布拉格光纤光栅(2)的中心波长范围为1535～1545nm，光栅长度为1～2cm。
所述的一种基于包层模传输的光纤光栅微弯传感器，其特征在于：单模光纤(3)可采用 G.652、G.653、G.655单模光纤。
所述的一种基于包层模传输的光纤光栅微弯传感器，其特征在于：封装套管(4)可采用硅橡胶、环氧树脂或天然橡胶。
本发明的工作原理是：光在单模光纤(3)中传输经过长周期光纤光栅(1)时，部分纤芯模被耦合进长周期光纤光栅(1)的包层，包层模与剩余的纤芯模继续沿单模光纤(3)传输，经过布拉格光纤光栅(2)，满足布拉格条件的两个不同波长的光将被反射，，反射波长由下式决定：
λcl＝2nlΛ，
λco＝2ncoΛ，
ncl为包层的有效折射率，nco为纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期。不满足布拉格条件的包层模与纤芯模由于散射和吸收而损失。当被反射的包层模经过长周期光纤光栅(1)时，部分会被耦合进单模光纤(3)的纤芯。类似的，被反射回的纤芯模进过长周期光纤光栅(1)时部分也会被耦合进单模光纤(3)的包层，剩余的纤芯模会通过长周期光纤光栅(1)。因此，反射光谱中将出现分别对应包层模与纤芯模的2个峰。弯曲长周期光纤光栅(1)会导致纤芯模与包层模的耦合效率发生改变，从而会使反射光谱随弯曲程度的改变发生漂移，测量不同弯曲程度下反射峰波长漂移的大小可以实现曲率的测量。
本发明的有益效果是：利用长周期光纤光栅(1)对弯曲具有较高的灵敏度这一特性，该装置能够获得高的灵敏度，反射光谱中有对应包层模与纤芯模的2个峰，而且两个反射峰具有相同的温度响应特性，通过测量两个峰的波长间隔，该装置能够实现对温度不敏感。
附图说明
图1是本发明包层模传输的光纤光栅微弯传感器示意图
图2是本发明的微弯实验示意图
图3是本发明的微弯实验光谱变化曲线
图4是本发明的灵敏度响应曲线
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：
参见附图1，一种基于包层模传输的光纤光栅微弯传感器，其构造为：由长周期光纤光栅(1)、布拉格光纤光栅(2)、单模光纤(3)、封装套管(4)和连接头(5)组成。长周期光纤光栅(1)之前经单模光纤(3)与连接头(5)相连，长周期光纤光栅(1)之后经单模光纤(3)与布拉格光纤光栅(2)相连，长周期光纤光栅(1)和布拉格光纤光栅(2)均由封装套管(4)保护。光在单模光纤(3)中传输经过长周期光纤光栅(1)时，部分纤芯模被耦合进长周期光纤光栅(1)的包层，包层模与 剩余的纤芯模继续沿单模光纤(3)传输，经过布拉格光纤光栅(2)，满足布拉格条件的两个不同波长的光将被反射，反射光谱中将出现分别对应包层模与纤芯模的2个峰。
本发明中采用的长周期光纤光栅(1)由C02激光器通过逐点写入发刻写，折射率调制周期为530μm，光栅长度为2.5cm，布拉格光纤光栅(2)由KrF准分子激光器(248nm)通过相位掩膜法刻写而成，栅区长度为1.5cm，中心波长为1540nm，长周期光纤光栅(1)与布拉格光纤光栅(2)的相隔1cm。长周期光纤光栅(1)与光纤光栅(2)采用硅橡胶封装，图(2)是本发明在进行弯曲实验时的示意图，将布拉格光纤光栅(2)固定，弯曲长周期光纤光栅(1)上的封装套管(4)，使长周期光纤光栅(1)随着封装套管(4)一起弯曲，连接头(5)通过一个3dB耦合器与光源和光谱仪相连，用光谱仪测量长周期光纤光栅(1)上的封装套管(4)在不同弯曲程度下时反射光谱的变化。得到图(3)所示的7组在不同弯曲程度下的光谱图，光谱谐振峰波长会随着弯曲程度的改变而漂移。图(4)记录了本发明在进行微弯实验时不同的弯曲量对应的波长漂移量，并对这些数据进行线性拟合，得出了该发明所提供的微弯传感器的灵敏度响应曲线。本发明在进行实际微弯测量时，可将封装好的长周期光纤光栅(1)刚性粘贴在待测物体表面。当待测物体发生微弯形变时，可以检测光谱谐振波长的漂移量，结合图(4)所示的灵敏度响应曲线，得出待测物体的微弯大小，从而可以实现待测物体弯曲大小的测量。
Claims (5)
1.一种基于包层模传输的光纤光栅微弯传感器，其特征为：由长周期光纤光栅(1)、布拉格光纤光栅(2)、单模光纤(3)、封装套管(4)和连接头(5)组成；长周期光纤光栅(1)之前经单模光纤(3)与连接头(5)相连，长周期光纤光栅(1)之后经单模光纤(3)与布拉格光纤光栅(2)相连，长周期光纤光栅(1)和布拉格光纤光栅(2)均由封装套管(4)保护。
2.根据权利要求1所述的一种基于包层模传输的光纤光栅微弯传感器，其特征在于：长周期光纤光栅(1)的周期范围为500～600μm，光栅长度为2～3cm。
3.根据权利要求1所述的一种基于包层模传输的光纤光栅微弯传感器，其特征在于：布拉格光纤光栅(2)的中心波长范围为1535～1545nm，光栅长度为1～2cm。
4.根据权利要求1所述的一种基于包层模传输的光纤光栅微弯传感器，其特征在于：单模光纤(3)可采用G.652、G.653、G.655单模光纤。
5.根据权利要求1所述的一种基于包层模传输的光纤光栅微弯传感器，其特征在于：封装套管(4)可采用硅橡胶、环氧树脂或天然橡胶。
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