CN105136056A - 一种高灵敏多模光纤应变传感器及测量系统 - Google Patents

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刘德明
孙远
鲁平
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Abstract

本发明涉及一种高灵敏手征多模光纤应变传感器及应变测量系统，属于光纤应变测量技术领域。现有的光纤应变传感器由单模光纤、多模光纤、单模光纤熔接而成，测量灵敏度比较低；本发明由单模光纤、扭曲的手征多模光纤、单模光纤熔接而成；手征多模光纤的制备方法为将多模光纤两端用夹具固定，对中间区域进行加热并同时扭转之后冷却而成；应变测量系统包括所述高灵敏多模光纤应变传感器、宽带光源、光谱分析仪和信号处理器；宽带光源连接所述高灵敏光纤应变传感器，传感器输出端连接光谱分析仪，输出光谱通过信号处理器分析并显示测量结果，本发明与传统的光纤应变测量方法相比，制备简单，抗干扰能力强，且具有极高的灵敏度。

Description

一种高灵敏多模光纤应变传感器及测量系统
技术领域
本发明属于光纤应变测量技术领域，更具体地，涉及一种高灵敏多模光纤应变传感器的制备。
背景技术
准确的光纤应变测量在光纤通信和光纤传感系统中很重要。
为了满足例如建筑大型结构健康监测、地震等自然灾害预警等诸多应用领域对高精度测量的需求，人们对结构的应变检测做了大量研究，使用了各种诸如电类传感测量技术。然而由于这种传统测量方式存在着电磁干扰、化学腐蚀、潮湿环境等诸多影响，使得电类测量方式在测量的长期性、实时性、高精度性等方面存在诸多不足。光学类传感器由于具有体积小、集成度高、抗电磁干扰、抗腐蚀，易于复用等许多优点，国内外研究人员对光纤应变测量进行了大量的研究。最常用的光纤应变测量手段是使用光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating,FBG)，其制作方法是通过相位掩膜版法，利用激光的衍射光形成干涉条纹来写入光纤。其工作原理是光栅上轴向施加的应变会导致光栅内部栅区的周期和折射率发生相应变化，进而使得光栅的耦合波长发生一定的漂移，解调光栅耦合波长的漂移量即可得到相应的应变变化量信息。光纤光栅应变传感器稳定可靠，使用方便，但由于结构因素，其灵敏度仅为1～2pm/με，难以满足高精度测量的要求。
除光纤布拉格光栅应变传感器之外，国内外研究人员还提出了其他结构的光纤应变传感器，如基于光子晶体光纤的在线马赫泽德干涉仪结构，应变测量灵敏度可达2.1pm/με；提出了基于光纤空气泡F-P结构的光纤应变传感器，实现了4pm/με应变测量。然而以上方法测量应变的灵敏度均不超过10pm/με。对于微小形变的测量，对解调设备的精度依赖很高，无法实现高精度测量的要求。近年来，有研究人员提出了利用双环形腔实现游标效应来提高应变测量的灵敏度，实现了40pm/με的灵敏度，但测量范围仅有10με，且结构复杂极易受到干扰。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高灵敏的光纤应变传感器及测量系统，其中通过采用高灵敏手征多模光纤代替传统的多模光纤，使得该光纤应变传感器具备高灵敏度，最高灵敏度能达到50pm/με，测量范围达到150με-200με，且稳定性高，制备成本低，抗干扰能力强，尤其适用于应变测量领域。
为实现上述目的，本发明提供了一种手征多模光纤应变传感器的制备方法，其特征在于，所述手征多模光纤应变传感器包括第一单模光纤、由多模光纤制成的手征多模光纤、第二单模光纤，该方法包括以下步骤；
(1)采用第一、第二旋纤夹具分别夹住所述多模光纤加热部分的两端；
(2)对所述多模光纤进行加热的同时，旋转所述第一、第二旋纤夹具；
(3)冷却所述多模光纤获得所述手征多模光纤；
(4)采用所述手征多模光纤的两端分别与第一、第二单模光纤熔接形成所述手征多模光纤应变传感器。
优选地，所述夹持多模光纤的旋纤夹具距离为4cm-25cm，所述手征多模光纤长度为3.8cm-4.8cm，纤芯直径为80μm-110μm，包层直径为115μm-140μm；加热多模光纤的温度为700℃-1100℃，加热区域0.5cm-4cm之间，旋转的转速为10转/分钟-80转/分钟。
按照本分发明的另一个方面，提供了一种手征多模光纤应变传感器，其特征在于，所述手征多模光纤应变传感器包括第一单模光纤、由多模光纤制成的手征多模光纤、第二单模光纤；
其中所述手征多模光纤是由所述多模光纤在旋转的同时加热得到的。
优选地，所述手征多模光纤应变传感器的灵敏度可以达到50pm/με。
按照本发明的另一个方面提供了一种高灵敏多模光纤应变测量系统，其特征在于，所述测量系统依次包括：宽带光源(1)、第一单模光纤(2)、手征多模光纤(3)、第二单模光纤(4)、光谱分析仪(5)、信号处理器(6)；
所述手征多模光纤(3)是由多模光纤在旋转的同时加热得到的。
总体而言，通过本发明所构思的以上制备方法与技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、将传统的单模光纤-多模光纤-单模光纤的多模干涉结构进行改进，利用扭曲的手征多模光纤放大多模干涉的光谱漂移效果，使得在相同应变的情况下，由于形变导致的多模干涉形成的光谱漂移量比原来增加大大增加，实现高灵敏度的应变测量。
2、该测量系统相比其他光纤应变测量系统，避免了复杂的微纳光纤的制备工艺，以及复杂的光路拓扑结构，仅使用成本极低的光纤制备，不仅制备简单，而且整个系统在应变测量过程中具有极佳的稳定性和抗干扰性。
附图说明
图1是本发明实施例的高灵敏多模光纤应变测量系统的结构示意图；
图2是高灵敏手征多模光纤传感器的制备方法示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-宽带光源，2-第一单模光纤，3-手征多模光纤，4-第二单模光纤，5-光谱分析仪，6-信号处理器，7-光纤第一旋转夹具，8-光纤第二旋转夹具。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例的高灵敏多模光纤应变测量系统包括、宽带光源1、第一单模光纤2、手征多模光纤3、第二单模光纤4、光谱分析仪5、信号处理器6。宽带光源1连接第一单模光纤2，手征多模光纤3两端分别连接第一单模光纤2和第二单模光纤4，第二单模光纤4的输出端依次连接光谱分析仪5和信号处理器6。
具体地，宽带光源1与单模光纤2之间以及单模光纤4与光谱分析仪5之间利用FC/APC光纤接头通过法兰盘对接，手征多模光纤3两端分别与第一单模光纤2和第二单模光纤4通过熔接方式连接。
如图2所示，手征多模光纤传感器的制备过程包括、第一旋纤夹具7、第二旋纤夹具8。制备方法是，对多模光纤3进行加热，第一旋纤夹具和第二旋纤夹具分别夹持加热区域两边的光纤上，加热的同时保持一个旋纤夹具不动，控制另一个旋纤夹具的转速和圈数，其中另一个旋纤夹具夹持并带动多模光纤的旋转或两个旋纤夹具往相反的方向旋转，同时控制两个旋纤夹具的转速和圈数，之后冷却。
根据光纤的多模干涉理论，干涉的峰值波长取决于光纤纤芯尺寸、纤芯折射率大小以及干涉区域长度。在轴向应力作用下，干涉波长的漂移量又与材料应变量的大小，泊松比以及应变光学系数有关。通过改变材料形状和分布增加材料的泊松比的大小和应变光学系数，能增大传感系统的应变灵敏度。
具体地，多模光纤长度选取为3.8cm-4.8cm，加热温度为700-1100摄氏度，第一旋纤夹具转速为10转/分钟-80转/分钟，加热区域0.5cm-4cm之间。
通过控制旋纤夹具的转速以及加热的温度可以控制手征多模光纤测量效果。
本领域的技术人员容易理解，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 (5)

1.一种手征多模光纤应变传感器的制备方法，其特征在于，所述手征多模光纤应变传感器包括第一单模光纤、由多模光纤制成的手征多模光纤、第二单模光纤，该方法包括以下步骤；
(1)采用第一、第二旋纤夹具分别夹住所述多模光纤加热部分的两端；
(2)对所述多模光纤进行加热的同时，旋转所述第一、第二旋纤夹具；
(3)冷却所述多模光纤获得所述手征多模光纤；
(4)采用所述手征多模光纤的两端分别与第一、第二单模光纤熔接形成所述手征多模光纤应变传感器。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，夹持多模光纤的旋纤夹具距离为4cm-25cm，所述手征多模光纤长度为3.8cm-4.8cm，纤芯直径为80μm-110μm，包层直径为115um-140um；加热多模光纤的温度为700℃-1100℃，加热区域0.5cm-4cm之间，旋转的转速为10转/分钟-80转/分钟。
3.一种手征多模光纤应变传感器，其特征在于，所述手征多模光纤应变传感器包括第一单模光纤、由多模光纤制成的手征多模光纤、第二单模光纤；
其中所述手征多模光纤是由所述多模光纤在旋转的同时加热得到的。
4.如权利要求1所述的光纤应变传感器，其特征在于，所述手征多模光纤应变传感器的灵敏度可以达到50pm/με。
5.一种高灵敏多模光纤应变测量系统，其特征在于，所述测量系统依次包括：宽带光源(1)、第一单模光纤(2)、手征多模光纤(3)、第二单模光纤(4)、光谱分析仪(5)、信号处理器(6)；
所述手征多模光纤(3)是由多模光纤在旋转的同时加热得到的。
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