CN104266668A - 一种用于温度和曲率双参量测量的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于温度和曲率双参量测量的光纤传感器，由入射端单模光纤、锥形结构、中间段单模光纤、多模光纤和出射端单模光纤串联组成，其中入射端单模光纤、中间段单模光纤和输出端单模光纤均为标准单模光纤；锥形结构是标准单模光纤利用光纤熔接机放电拉伸制作而成。本发明的优点是：该光纤传感器制作工艺简单、易于实施；锥形结构光纤结构紧凑，可代替昂贵复杂的光学器件，具有传感结构的小型化、一体化，成本低的特点。本发明的光纤传感器输出信号包含不同模式间干涉形成的干涉峰，利用两种干涉峰对温度和曲率的不同敏感特性，结合双波长矩阵即可实现温度和曲率的双参量同时测量，有广阔的应用空间。

Description

一种用于温度和曲率双参量测量的光纤传感器

技术领域

 本发明涉及光纤传感技术，特别是一种用于温度和曲率双参量测量的光纤传感器。

背景技术

光纤传感器根据被测物理量对光调制方法的不同，可以分为强度型传感器、波长型传感器、相位型传感器和光纤偏振型传感器四大类。干涉型光纤传感器通过检测由调制光信号的相位变化引起的输出效果的变化而获得外界信息的改变量，从而实现传感的目的。干涉型光纤传感器以其很高的分辨率和检测灵敏度，自被提出就受到了研究人员的密切关注。

曲率是光纤传感技术领域中重要的物理量，在很多工业生产及民用领域常常需要对曲率进行探测。在实际传感探测应用中，不可避免的存在温度和曲率的交叉敏感。在目前已报道的曲率传感器中，大多无法对温度和曲率对传感信号的具体影响加以区分，而可以实现温度和曲率双参量同时测量的光纤传感结构中，常用到化学腐蚀、刻写并级联光纤光栅、应用保偏光纤或光子晶体光纤等方法，这些方案不仅操作复杂，且成本较高。以上问题均限制了光纤曲率传感器在实际生产中的大规模使用。

因此，需要提出一种传感结构简单，制作工艺简便，且成本低廉的方案解决温度和曲率交叉敏感的问题。

发明内容

本发明是针对上述存在问题，提供一种用于温度和曲率双参量测量的光纤传感器，该光纤传感器基于拉锥单模-多模-单模光纤结构，用不同模式间干涉形成干涉峰的灵敏性差异，实现温度和曲率的双参量测量，该光纤传感器结构简单、工艺简便、成本低廉，可操作性强。

本发明的技术方案：

一种用于温度和曲率双参量测量的光纤传感器，所述光纤传感器基于拉锥单模-多模-单模光纤结构，由入射端单模光纤、锥形结构、中间段单模光纤、多模光纤和出射端单模光纤串联组成，其中入射端单模光纤、中间段单模光纤和输出端单模光纤均为标准单模光纤；锥形结构包括两个过渡区即渐缩区和渐扩区和一个锥腰部分，在过渡区光纤直径沿径向逐渐减小或逐渐增大，在锥腰部分光纤直径最小且保持不变，锥形结构是标准单模光纤利用光纤熔接机放电拉伸制作而成，放电量大小范围为165-185bit，放电时间为1150-1350ms；中间段单模光纤的长度为20-40mm；多模光纤为阶跃型多模光纤，长度为10-20mm，芯径为60-105μm。

本发明的工作原理：

本发明的光纤传感器工作原理为入射光在锥形结构2的分光作用下，由输入端单模光纤1进入中间段单模光纤3，激励起中间段单模光纤3的纤芯模和各阶包层模，传输至中间段单模光纤3和多模光纤4的熔接点时，满足相位匹配条件的模式之间产生干涉，干涉光经多模光纤4的耦合作用进入多模光纤4传输，并激励起多模光纤4的各阶纤芯模，在多模光纤4和输出端单模光纤5的熔接点处，满足相位匹配条件的模式之间产生干涉，后经输出端单模光纤5输出。经输出端单模光纤5输出的信号中包含不同模式间干涉形成的干涉峰，随着外界温度及曲率的变化，不同干涉峰特征波长有着不同的漂移量，结合双波长矩阵方程，即可同时得到外界温度及曲率的变化量。

本发明的优点和有益效果：

该光纤传感器，可以看作是在传统SMS光纤传感器的基础上对输入端单模光纤进行拉锥处理而成，制作工艺简单，只需使用光纤熔接机对标准单模光纤进行放电拉锥及普通光纤间的熔接；锥形结构作为一种新颖的光学器件，结构紧凑，制作简单，可代替昂贵复杂的光学器件，并实现好的效果，具有传感结构的小型化、一体化，成本低的特点。本发明的光纤传感器输出信号包含不同模式间干涉形成的干涉峰，利用两种干涉峰对温度和曲率的不同敏感特性，结合双波长矩阵即可实现温度和曲率的双参量同时测量，解决传统干涉型光纤传感器交叉敏感，测量参量单一的问题，在实际的工业生产中有广阔的应用空间。

附图说明

图1是本光纤传感器的结构示意图。

图2是标准单模光纤在熔接机上放电拉伸形成的锥形结构照片。

图3是本光纤传感器的输出透射谱。

图中：1.入射端单模光纤、2.锥形结构、3.中间段单模光纤、4.多模光纤、5.出射端单模光纤、6.宽带光源、7.光谱分析仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例

一种用于温度和曲率双参量测量的光纤传感器，所述光纤传感器基于拉锥单模-多模-单模光纤结构，如图1所示，由入射端单模光纤1、锥形结构2、中间段单模光纤3、多模光纤4和出射端单模光纤5串联组成，其中入射端单模光纤1、中间段单模光纤3和输出端单模光纤5均为标准单模光纤；锥形结构包括两个过渡区即渐缩区和渐扩区和一个锥腰部分，在过渡区光纤直径沿径向逐渐减小或逐渐增大，在锥腰部分光纤直径最小且保持不变，锥形结构光纤是标准单模光纤利用光纤熔接机放电拉伸制作而成，图2是标准单模光纤在熔接机上放电拉伸形成的锥形结构照片，放电量大小为175bit，放电时间为1350ms,锥形结构的锥区长度为634μm，锥腰直径为61μm；中间段单模光纤3的长度为20mm；多模光纤4为阶跃型多模光纤，长度为10mm，芯径为105μm； 入射端单模光纤1外接宽带光源6，出射端单模光纤5外接光谱分析仪7。

该光纤传感器的光路传输顺序为：宽带光源6输出的宽带光信号由输入端单模光纤1输入，经锥形结构2分光进入中间段单模光纤3，激励起其纤芯模和包层的各阶模式，在中间段单模光纤3和多模光纤4的熔接点处，满足相位匹配条件的模式间发生干涉，后经多模光纤4耦合并传输，激励起纤芯基模及其各高阶模式，在多模光纤4和输出端单模光纤5的熔接点处，满足相位匹配条件的模式间发生干涉，最后经输出端单模光纤5输出，由光谱分析仪7观测透射光谱随外界温度和曲率的变化。

图3为该光纤传感器的输出信号谱。在观测范围内由不同模式间干涉形成两个干涉谷，即dip1和dip2，根据不同干涉谷对外界温度和曲率的灵敏度差异，实现双参量的测量。

该光纤传感器利用不同模式间干涉形成的干涉峰，解决了温度和曲率的交叉敏感问题，且具有体积小，容易制作，成本低廉等优点，在实际生产中有广阔的应用空间。

Claims (1)

1.一种用于温度和曲率双参量测量的光纤传感器，其特征在于：所述光纤传感器基于拉锥单模-多模-单模光纤结构，由入射端单模光纤、锥形结构、中间段单模光纤、多模光纤和出射端单模光纤串联组成，其中入射端单模光纤、中间段单模光纤和输出端单模光纤均为标准单模光纤；锥形结构包括两个过渡区即渐缩区和渐扩区和一个锥腰部分，在过渡区光纤直径沿径向逐渐减小或逐渐增大，在锥腰部分光纤直径最小且保持不变，锥形结构是标准单模光纤利用光纤熔接机放电拉伸制作而成，放电量大小范围为165-185bit，放电时间为1150-1350ms；中间段单模光纤的长度为20-40mm；多模光纤为阶跃型多模光纤，长度为10-20mm，芯径为60-105μm。