CN103217124B - 一种基于马赫曾德干涉的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于的马赫曾德干涉的光纤传感器，包括第一单模光纤、第二单模光纤和第三光模光纤，所述第一单模光纤与第二单模光纤通过超陡锥熔接点连接，所述第二单模光纤与第三单模光纤通过横向偏移熔接点连接；在所述超陡锥熔接点处，第一、第二单模光纤的纤芯同轴熔接，第一、第二单模光纤的包层呈超陡锥熔接，在所述横向偏移熔接点处，第二单模光纤与第三单模光纤的纤芯、包层横向偏移熔接，所述横向偏移量为4～6μm；所述第二单模光纤的长度为5mm～10cm。本发明能同时测量曲率和温度，且结构简单、易于制作、成本低廉，适于大批量生产。

Description

一种基于马赫曾德干涉的光纤传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于的马赫曾德干涉的光纤传感器。

背景技术

曲率测量在机械结构监控、机器人臂、土木工程和结构健康监测等领域都有广泛的应用。相比传统的传感器，光纤传感器因为电无源操作、不受电磁干扰、灵敏度高、体积小等优点而广受人们青睐。基于光纤线内的马赫曾德干涉仪因其结构紧凑、制作容易和成本低的优点受到人们极大的关注，通过在单模光纤中引入一个模式分束器和一个模式合束器就可以形成。人们也提出了许多基于马赫曾德干涉结构的光纤线内曲率传感器。有基于锥形结构的，基于光纤光栅的或基于长周期光栅（两个级联的长周期光栅其中一个可将纤芯模耦合到包层，而另一个起着相反的作用），还有基于不同光纤类型的组合（如单模-多模-单模光纤结构，或在两段单模光纤中加入保偏光纤）等。其中Monzon-Hernandez等人于2011年提出的在单模光纤上级联两个锥形结构用于曲率的测量，因为采用强度调制，测量精度受到光源功率影响，同时温度的影响也没有考虑。基于光纤光栅和不同光纤类型组合的这些传感器都存在温度交叉敏感的影响，而很多基于光子晶体光纤的曲率传感器因为温度灵敏度较低而没有被考虑。

在环境监测方面（如地震和火山），对应力导致的弯曲和温度的变化量同时进行监测是非常必要的。Zhouyan等人（Vol.284(24),OpticsCommunications,2011）结合光子晶体光纤和光纤布拉格光栅实现了曲率和温度的同时测量。YinGuolu等人于2012年提出了一种基于侧漏型光子晶体光纤的sagnac干涉仪用于曲率和温度的同时测量。但是光子晶体光纤的成本较高,不易于大量生产，而光纤光栅的制作也需要昂贵的激光器、掩膜板以及精细的刻写技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服已有的曲率传感器的不足，提供了一种结构简单易于制作、成本低适于大量生产，可以同时测量曲率和温度的光纤传感器。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于的马赫曾德干涉的光纤传感器，包括第一单模光纤、第二单模光纤和第三光模光纤，所述第一单模光纤与第二单模光纤通过超陡锥超陡锥熔接点连接，所述第二单模光纤与第三单模光纤通过横向偏移熔接点连接；在所述超陡锥熔接点处，第一、第二单模光纤的纤芯同轴熔接，第一、第二单模光纤的包层呈超陡锥熔接，在所述横向偏移熔接点处，第二单模光纤与第三单模光纤的纤芯、包层横向偏移熔接，所述横向偏移量为4～6μm；所述第二单模光纤的长度为5mm～10cm。

在所述超陡锥熔接点处部分纤芯模耦合到包层传输，在横向偏移熔接点处包层模重新耦合到纤芯传输，因此，超陡锥熔接点起到了模式分束器，横向偏移熔接点起到了模式合束器的作用，这样就形成了一个马赫泽德干涉仪。在透射光谱上的谷值波长l满足：

$\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\ΔQ}=(2m+1)\mathrm{\π}---\left(1\right)$

其中，ΔQ为纤芯模和包层模传输的光程差，m为整数。

光纤弯曲时，几何形变导致弯曲光纤段的折射率分布也发生变化，在包层中传播的模式和纤芯中传播的模式的折射率发生变化，同时，包层模和纤芯模传输的长度也发生了变化，导致光程差发生变化，从而透射光谱的谐振波长发生漂移。

所述传感器两个谷值波长漂移对曲率和温度的灵敏度不一样，通过矩阵法可实现对两个参量的同时测量，有：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔC}\\ \mathrm{\ΔT}\end{array}\right]=\frac{1}{k_{\mathrm{CA}}{k}_{\mathrm{TB}}-k_{\mathrm{CB}}{k}_{\mathrm{TA}}}\left[\begin{array}{cc}{k}_{\mathrm{TB}}& -k_{\mathrm{TA}}\\ -k_{\mathrm{CB}}& k_{\mathrm{CA}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_A\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_B\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，ΔC、ΔT为曲率和温度的变化量，k_CA、k_CB为谷值波长A和谷值波长B处对曲率的灵敏度，k_TA、k_TB为谷值波长A和谷值波长B处对温度的灵敏度。分别测出两谷值波长的变化量Δλ_A和Δλ_B，代入上式就可以同时得到曲率和温度的变化量。

超陡锥结构是圆对称的，而横向偏移的熔接点打破了光纤的圆柱对称性，引入了弯曲方向相关性。弯曲方向与偏移方向的角度决定了灵敏度的大小，故该传感器也可作为弯曲矢量传感器，既能够测弯曲大小也能测弯曲方向。相比采用长周期光栅的弯曲矢量传感器，我们提出的方案更有优势，成本低且制作简单。

通过改变熔接机中电弧放电功率、放电时间，可以实现对锥腰直径、锥腹直径和锥长的调整。通过改变超陡锥结构参数，包括锥腰直径、锥腹直径和锥长，横截面偏移量和两个特殊熔接点之间的光纤长度，可以实现对温度和弯曲的灵敏度的调节。

优选的，所述超陡锥的锥腰截面直径为50μm～100μm，锥腹截面直径为130μm～200μm，锥长为400～1000μm。

本发明的有益效果在于：

1、能同时测量曲率和温度，通过改变偏移量和偏移面与弯曲面的角度，还能实现曲率大小和弯曲方向的同时监测，对实际工程应用更实用。

2、结构简单易于制作，适于大批量生产，相比采用光纤光栅和光子晶体光纤的曲率传感器，本发明所述结构仅需要便宜的单模光纤，大大降低了制作成本。

附图说明：

图1是本发明传感器的结构示意图。

图2为本发明传感器测量曲率和温度的测试验证装置图。

图中，1、第一单模光纤；2、超陡锥形熔接点；3、第二单模光纤；4、横向偏移熔接点；5、第三单模光纤；6、单模光纤包层；7、单模光纤纤芯；8、宽谱光源；9、导入单模光纤；10、传感单元；11、导出单模光纤；12、光谱分析仪；13、高精度五维调节架；14、高精度五维调节架调节旋钮；15、TEC温控模块；21、锥腰截面直径；22、锥腹截面直径；23、超陡锥的锥长；24、两特殊熔点之间的长度，即第二单模光纤的长度。

图3为具体实施例中在不同曲率下的透射谱。

图4为在0.6117-1.1172m^-1曲率范围内，两个谷值A和B处波长漂移与曲率变化之间的关系图。

图5为具体实施例中在不同温度下的透射谱。

图6为两个谷值A和B处波长漂移与温度之间的关系图。

具体实施方式

本发明的传感单元结构如图1所示。第一单模光纤1与第二单模光纤3通过超陡锥熔接点2连接，第二单模光纤3与第三单模光纤5通过横向偏移熔接点4连接。在超陡锥熔接点2处，超陡锥的锥腰截面直径为50μm～100μm，锥腹截面直径为130μm～200μm，锥长为400～1000μm。在横向偏移熔接点4处，第二单模光纤3与第三单模光纤5的纤芯、包层横向偏移熔接，横向偏移量为4～6μm；第二单模光纤的长度为5mm～10cm，第二单模光纤的长度为本发明的干涉仪的长度。

第一单模光纤1与第二单模光纤3通过两步骤熔接法熔接。第一步，将第一单模光纤的一端端面切平后后置入熔接机，熔接机放电，在第一单模光纤的一端端面形成一个椭球。同样方式处理第二单模光纤。第二步，将第一、第二单模光纤椭球端同时推进至熔接机的电极中间，再进行一次放电，即完成第一单模光纤与第二单模光纤的超陡锥熔接。在光纤锥制作过程中，通过改变熔接机的放电时间和放电功率，可以实现对锥长度和束腰直径的调整。本实施例中所用单模光纤纤芯7和包层直径6分别为9微米和125微米。

第二单模光纤与第三单模光纤的横向偏移熔接为本领域所公知，故不赘述。值得说明的是，第二单模光纤与第三单模光纤的横向偏移熔接时，通过光谱仪在线监测控制偏移量可以得到较好的干涉图，本实施例中选取的是y方向的偏移，偏移量为6微米。

实施例

本发明的传感器测量曲率和温度的测试验证装置如图2所示，光谱光源8的光通过导入单模光纤9输入本发明的传感器10，通过导出单模光纤11输出到光谱分析仪12。通过调节高精度五维调节架13的旋钮14，使得调节架向内移，传感单元10弯曲，由调节架的初始位移和内移距离计算出对应的曲率。通过光谱分析仪12记录不同曲率对应的透射光谱，如图3所示。

从图4可以得到，两个谷值波长A和B处对曲率的灵敏度，分别为-8.058nm/m^-1和-5.716nm/m^-1。本次测试中传感单元的参数为：两特殊熔点中间长度为3.06cm，超陡锥的锥腰直径、锥腹直径和锥长度分别为73μm、140μm和500μm，横向偏移量为横截面的y方向偏移6μm，弯曲方向与偏移方向垂直并处于同一个平面内。

传感器10置于温度控制模块15中，给温控模块通电，设置温度值，从光谱分析仪可以记录对应温度下的透射光谱，如图5所示。

从图6可以得到，不同温度下的光谱及两个谷值波长A和B对温度的灵敏度,分别为0.07204nm/℃和0.05635nm/℃。

在具体检测待测物的曲率和温度时，从光谱分析仪12读出两个不同谷值波长的漂移量，代入矩阵方程（2）计算，即可得出曲率和温度的变化量。

在上述测试装置中的五维调节架13的两端加入光纤旋转器，通过调节旋转器，使光纤旋转某一角度，再按照上述步骤即可测试该角度下的弯曲响应，得到相应的灵敏度。可以由所测得的弯曲灵敏度值判定弯曲的方向，从而实现弯曲矢量传感。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于的马赫曾德干涉的光纤传感器，其特征在于，包括第一单模光纤、第二单模光纤和第三光模光纤，所述第一单模光纤与第二单模光纤通过超陡锥熔接点连接，所述第二单模光纤与第三单模光纤通过横向偏移熔接点连接；

在所述超陡锥熔接点处，第一、第二单模光纤的纤芯同轴熔接，第一、第二单模光纤的包层呈超陡锥熔接；在所述横向偏移熔接点处，第二单模光纤与第三单模光纤的纤芯、包层横向偏移熔接，所述横向偏移量为4～6μm；

所述第二单模光纤的长度为5mm～10cm；

所述超陡锥的锥腰截面直径为50μm～100μm，锥腹截面直径为130μm～200μm，锥长为400～1000μm。