CN103940355A - 强度调制型光纤迈克尔逊应变传感器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于应变检测技术领域，提供了一种强度调制型的光纤迈克尔逊应变传感器，包括第一单模光纤、细芯光纤和第二单模光纤，所述第一单模光纤的一端与所述细芯光纤的一端错位地熔接在一起，所述细芯光纤的另一端与所述第二单模光纤的一端无错位地熔接在一起。本发明所述的强度调制型的光纤迈克尔逊应变传感器结构简单、工作可靠、价格低廉，同时保证了稳定的输出、很好的抗干扰性，以及较高的灵敏度。

Description

强度调制型光纤迈克尔逊应变传感器及制作方法

技术领域

本发明属于应变检测技术领域，尤其涉及强度调制型光纤迈克尔逊应变传感器及制作方法。

背景技术

在实际工程应用中，实现桥梁、飞机、大坝、大楼等智能工程结构的实时健康监测对于确保这些结构的安全可靠运行具有至关重要的意义。光纤传感器由于其结构紧凑、低耗能、高灵敏度、抗电磁干扰等方面的优点，已经被广泛应用于智能工程结构的实时健康监测。

目前，有多种基于光纤马赫曾德（M-Z）结构的光纤传感器已经被报道，其中有代表性的M-Z结构有单模-多模-单模（SMS）结构、模场失配熔接结构、飞秒激光微加工结构、基于长周期光栅结构及光子晶体光纤的结构。基于这些M-Z结构的光纤传感器通常对温度、应变、弯曲、折射率有很高的灵敏度，但是这些类型的传感器通常有一个缺点，即大多数的M-Z干涉传感器都是波长调制型的光纤传感器，必须利用干涉峰的波长漂移来传感被测量，然而实际工程应用中，利用波长解调的方案是非常昂贵的，所以解决波长调制型应变传感器在大范围应用时带来的成本问题对于光纤传感器的普及与实用化至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种强度调制型光纤迈克尔逊应变传感器及制作方法，旨在解决常规波长调制型应变传感器波长解调成本高，难于大范围应用的问题。此外，本发明中的强度调制型光纤应变传感器的灵敏度相对于目前已报道的同类传感器提高了一个数量级。

本发明是这样实现的，一种强度调制型的光纤迈克尔逊应变传感器，包括第一单模光纤、细芯光纤和第二单模光纤，所述第一单模光纤的一端与所述细芯光纤的一端错位地熔接在一起，所述细芯光纤的另一端与所述第二单模光纤的一端无错位地熔接在一起。

本发明还提供一种强度调制型的光纤迈克尔逊应变传感器装置，包括宽带光源、应变传感器、光纤和检测单元；

所述应变传感器包括第一单模光纤、细芯光纤和第二单模光纤，所述第一单模光纤的一端与所述细芯光纤的一端错位地熔接在一起，所述细芯光纤的另一端与所述第二单模光纤的一端无错位地熔接在一起；

所述宽带光源通过光纤与所述第一单模光纤相连，用于向所述应变传感器发出光信号；

所述应变传感器通过固定装置固定在被测物体上，用于感应被测物体的轴向形变情况；

所述检测单元通过光纤与所述第二单模光纤相连，用于实时检测经所述应变传感器输出的光谱干涉强度变化。

进一步地，所述光纤包括第三单模光纤和第四单模光纤，所述第三单模光纤的一端与所述宽带光源相连，所述第三单模光纤的另一端与所述第一单模光纤的另一端相连；所述第四单模光纤的一端与所述第二单模光纤的另一端相连，所述第四单模光纤的另一端与所述检测单元相连。

进一步地，所述固定装置为两个分别将所述第三单模光纤和所述第四单模光纤固定在被测物体上的光纤夹具。

进一步地，所述检测单元为光谱仪或光功率计。

本发明还提供一种强度调制型的光纤迈克尔逊应变传感器的制作方法，包括第一单模光纤、细芯光纤和第二单模光纤，该制作方法包括以下步骤：

步骤1：将所述细芯光纤的一端和所述第二单模光纤的一端以包层轴向对齐的方式无错位地熔接在一起；

步骤2：所述第一单模光纤的一端连接宽带光源，所述第二单模光纤的另一端连接检测单元，将所述第一单模光纤的另一端与所述细芯光纤的另一端分别在熔接机中固定，实时观察检测单元中输出光谱干涉强度的变化；

步骤3：调整固定在熔接机中的细芯光纤和第一单模光纤的端面的位置，使得在检测单元中输出谱线的干涉对比度达到最大时，停止调整并加大熔接时的重叠量，并放电将细芯光纤和第一单模光纤端面熔接在一起。

进一步地，所述检测单元为光谱仪或光功率计。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：所述的光纤迈克尔逊应变传感器和光纤迈克尔逊应变传感器装置采用强度调制与解调，大大降低了在波长解调时必要的成本，为实际工程中的大范围应用提供了便利条件，而且同时保证了较高的应变传感灵敏度。

附图说明

图1是本发明强度调制型的光纤迈克尔逊应变传感装置的系统示意图；

图2是本发明应变传感装置中应变传感器的结构图；

图3a是应变传感器在制作过程中调整两光纤端面位置使输出谱线的干涉对比度达到最大时的光谱图；

图3b是应变传感器在制作时把两光纤端面熔接后，但还未取出熔接机（存在一定的应力）时的输出光谱图；

图4是光纤熔接后制作出的一个实例传感器的显微照片；

图5a是应变传感器制作完成后，取出熔接机（应力释放）后的光谱图；

图5b是对应变传感器施加一定应力时输出的光谱图；

图6是应变传感器对应变变化响应的光谱图；

图7是在应变变化时干涉峰的波长与强度随应变的变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明主要是基于光纤马赫曾德（M-Z）干涉仪的在线检测强度调制型的应变传感装置，该应变传感装置结合了强度调制型光纤传感器与干涉型光纤传感器的优点，它继承了强度调制型光纤传感器的结构简单、工作可靠、价格低廉，同时保证类似干涉型传感器稳定的输出、抗干扰性以及较高的灵敏度的优点。

如图2所示，一种强度调制型的光纤迈克尔逊应变传感器，包括第一单模光纤202、细芯光纤201和第二单模光纤203，所述第一单模光纤202的一端与所述细芯光纤201的一端错位地熔接在一起，所述细芯光纤201的另一端与所述第二单模光纤203的一端无错位地熔接在一起。

如图1为本发明的强度调制型的光纤迈克尔逊应变传感装置的系统示意图，所述强度调制型的应变传感装置包括宽带光源101、应变传感器102、光纤和检测单元103。所述应变传感器102包括顺次连接的第一单模光纤202、细芯光纤201和第二单模光纤203，所述第一单模光纤202的一端与所述细芯光纤201的一端错位地熔接在一起，所述细芯光纤201的另一端与所述第二单模光纤203的一端无错位地熔接在一起。所述宽带光源101通过光纤与所述第一单模光纤202相连，用于向所述应变传感器102发出光信号。所述应变传感器102通过固定装置104固定在被测物体上，用于感应被测物体的轴向形变情况。所述检测单元103与所述第二单模光纤203相连，用于实时检测经所述应变传感器102输出的光谱干涉强度的变化。当被测物体发生轴向形变时，所述应变传感器102中的传感光纤会随之发生应变轴向形变从而使传输光谱发生改变，最终通过光谱干涉强度的变化检测光纤受到应变的大小。

所述光纤包括第三单模光纤105和第四单模光纤106，所述第三单模光纤105的一端与所述宽带光源101相连，所述第三单模光纤105的另一端与所述第一单模光纤202的另一端相连；所述第四单模光纤106的一端与所述第二单模光纤203的另一端相连，所述第四单模光纤106的另一端与所述检测单元103相连。固定装置104为两个分别将所述第三单模光纤105和所述第四单模光纤106固定在被测物体上的光纤夹具。

所述检测单元103可以采用光谱仪、光功率计，或其他光谱强度检测设备实时检测光纤轴向应变的变化，将轴向应变的变化转化为该装置透射光谱干涉强度的变化，光谱干涉强度的变化作为一个评估的参照指标，进而根据不同的轴向应变对应的干涉谱强度（干涉条纹对比度）也不同的特点，得到待测轴向应变的大小。相对于现有的波长调制型应变传感器，本发明的应变传感装置的优点在于结构简单且采用光谱的强度调制与解调，大大降低了在波长解调中带来的成本，而且同时保证了较高的应变传感灵敏度。

所述的应变传感装置中所用到的光纤M-Z干涉仪结构是由普通的商用熔接机将一小段细芯光纤单侧错位熔接在两段单模光纤中，它的干涉条纹对比度高达15dB，最终的应变传感器传感灵敏度可以达到-0.023dBm/με，测量范围可以达到500με。

如上所述的光纤迈克尔逊应变传感器102由两端的单模光纤以及中间的一段细芯光纤构成，其制作方法如下：

步骤1：首先制作细芯光纤201的一端与第二单模光纤203的一端的熔接点，将第二单模光纤203的一端和细芯光纤201的一端置于普通商业熔接机中，并以包层轴向对齐的方式无错位地熔接在一起。

步骤2：第一单模光纤202的一端连接宽带光源101，第二单模光纤203的另一端连接检测单元103，所述检测单元103可以为光谱仪、光功率计，或其他光谱强度检测设备。将所述细芯光纤201的另一端与第一单模光纤121的另一端固定在熔接机里的压脚上，实时观察检测单元中输出光谱干涉强度的变化。

步骤3：调整所述细芯光纤201和所述第一单模光纤202端面的位置（错位量），使得在光谱仪上观测到的光谱干涉对比度达到最大时，如图3a所示，停止调整并加大熔接时的重叠量，并放电将所述细芯光纤和所述第一单模光纤端面熔接在一起，这时观察到传输光谱会有所下降，如图3b所示。制备完成的光纤应变传感器单元的实例如图4所示。

当将这个制作好的结构从熔接机中的压脚上取下来，观察到它的干涉对比度下降得非常明显，如图5a所示。当对这个结构施加一定轴向拉力时，第一单模光纤202与细芯光纤201的错位熔接点发生显著的物理形变，进而改变这里的光束分光比，最终使它的干涉对比度非常明显的增大，如图5b所示，而这样的轴向应变灵敏特性对于用作应变传感器非常适用。

所述应变传感器102为应变传感装置中最重要的组成部分，它结构小巧，仅有10mm，制作简单，通过合理地调节一端熔接点的错位量得到不同干涉对比度的干涉谱。当一端错位熔接点受到轴向应变作用时，该熔接点处分光比的变化直接影响干涉对比度的变化。

所述的强度调制型的应变传感装置应用范围很广，例如在本发明的测试中应变传感器对轴向应变的敏感性时，以测试范围为0-500με，每次步进50με测量一次，得到此结构对应变的变化响应情况，如图6和图7所示。所述的光纤传感头的传感灵敏度可以达到-0.023dBm/με，此结构的应变传感灵敏度与已报道的强度调制型应变传感器相比提高了一个数量级，测量范围可以达到500με，在0-500με内它的干涉峰波长基本不漂移，这是由于此时的应变的变化只影响左侧错位熔接点的形变，进而改变光束的分光比，改变干涉对比度而不会使干涉峰的产生漂移。主要应用于实际工程应用中的各种大型设施结构受到的应变测量，此光纤传感器具有结构简单、工作可靠、价格低廉的特点，同时保证了有稳定的输出、抗干扰性，以及较高的灵敏度等优点，是现有应变传感器的一种很好的替代方案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种强度调制型的光纤迈克尔逊应变传感器，其特征在于，包括第一单模光纤、细芯光纤和第二单模光纤，所述第一单模光纤的一端与所述细芯光纤的一端错位地熔接在一起，所述细芯光纤的另一端与所述第二单模光纤的一端无错位地熔接在一起。

2.一种强度调制型的光纤迈克尔逊应变传感器装置，其特征在于，包括宽带光源、应变传感器、光纤和检测单元；

所述应变传感器包括第一单模光纤、细芯光纤和第二单模光纤，所述第一单模光纤的一端与所述细芯光纤的一端错位地熔接在一起，所述细芯光纤的另一端与所述第二单模光纤的一端无错位地熔接在一起；

所述宽带光源通过光纤与所述第一单模光纤相连，用于向所述应变传感器发出光信号；

所述应变传感器通过固定装置固定在被测物体上，用于感应被测物体的轴向形变情况；

所述检测单元通过光纤与所述第二单模光纤相连，用于实时检测经所述应变传感器输出的光谱干涉强度变化。

3.根据权利要求2所述的光纤迈克尔逊应变传感器装置，其特征在于，所述光纤包括第三单模光纤和第四单模光纤，所述第三单模光纤的一端与所述宽带光源相连，所述第三单模光纤的另一端与所述第一单模光纤的另一端相连；所述第四单模光纤的一端与所述第二单模光纤的另一端相连，所述第四单模光纤的另一端与所述检测单元相连。

4.根据权利要求3所述的光纤迈克尔逊应变传感器装置，其特征在于，所述固定装置为两个分别将所述第三单模光纤和所述第四单模光纤固定在被测物体上的光纤夹具。

5.根据权利要求2、3或4所述的光纤迈克尔逊应变传感器装置，其特征在于，所述检测单元为光谱仪或光功率计。

6.一种强度调制型的光纤迈克尔逊应变传感器的制作方法，其特征在于，包括第一单模光纤、细芯光纤和第二单模光纤，该制作方法包括以下步骤：

步骤1：将所述细芯光纤的一端和所述第二单模光纤的一端以包层轴向对齐的方式无错位地熔接在一起；

步骤2：所述第一单模光纤的一端连接宽带光源，所述第二单模光纤的另一端连接检测单元，将所述第一单模光纤的另一端与所述细芯光纤的另一端分别在熔接机中固定，实时观察检测单元中输出光谱干涉强度的变化；

步骤3：调整固定在熔接机中的细芯光纤和第一单模光纤的端面的位置，使得在检测单元中输出谱线的干涉对比度达到最大时，停止调整并加大熔接时的重叠量，并放电将细芯光纤和第一单模光纤端面熔接在一起。

7.根据权利要求6所述的光纤迈克尔逊应变传感器的制作方法，其特征在于，所述检测单元为光谱仪或光功率计。