CN105783781A - 基于包层模式干涉结合布拉格光纤光栅曲率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于包层模式干涉结合布拉格光纤光栅曲率传感器，由宽带光源，光环行器，光功率计，光谱仪，3dB耦合器，带通滤波器，传感光纤，位移光纤平台组成；其中传感光纤由单模光纤、多模光纤、FBG构成。宽带光源发射的光束入射到传感光纤中，由于单模光纤和多模光纤的模式匹配失衡，使在多模光纤中产生多个模式的干涉，再入射到刻有FBG的单模光纤后，反射回多模光纤中再次产生干涉。传感光纤弯曲程度改变时，干涉图样会有明显的改变，干涉光被光谱仪和光功率计接收，得出光强与曲率的线性变化关系，该发明结构简单，灵敏度高，在0至70℃的环境下，温度对曲率传感的影响可忽略，为曲率测量的实时监测提供了一种切实可行的方案。

Description

基于包层模式干涉结合布拉格光纤光栅曲率传感器

技术领域

本发明属于布拉格光纤光栅(FBG)传感技术领域，具体涉及包层模式干涉结合布拉格光纤光栅曲率传感器。

背景技术

长周期光栅(LPGS)对曲率变化导致的传输共振引起的振幅变化和波长飘移有很高的灵敏度，但是受温度影响较大，较宽的传输带宽导致了检测错误和难以复用。

啁啾光栅(CFBGS)可以用来测量曲率的变化，通过弯曲程度与啁啾频率的关系来检测曲率的变化，但是这种光纤光栅传感器在微观的测量里就显得非常不方便。

TFBG对低阶包层模的耦合系数非常敏感，但是需要实时测量，并且光纤中的低阶包层模损耗非常大，导致了光谱改变的不确定性和对弯曲方向有很高的依赖性。

布拉格光纤光栅曲率传感器从安全监控到建筑工程方面有很广泛的应用，具有无源的操作系统、抗电磁干扰、灵敏度高、结构一体化、器件成本低等特点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于包层模式干涉结合布拉格光纤光栅曲率传感器，通过检测多模光纤中产生的干涉光信号，来确定光纤曲率。该结构易于实现，灵敏度高，在0至70℃的环境下，可忽略温度对曲率测量的影响。

本发明通过以下技术方案实现：基于包层模式干涉结合布拉格光纤光栅曲率传感器，由宽带光源(1)，光环行器(2)，光谱仪(3)，光功率计(4)，带通滤波器(5)，3dB耦合器(6)，第一单模光纤(7)，多模光纤(8)，第二单模光纤(9)，FBG(10)，第一位移光纤平台(11)，第二位移光纤平台(12)组成，其特征在于：宽带光源(1)与光环行器(2)左端相连，光环行器(2)右端与第一单模光纤(7)的左端相连，第一单模光纤(7)、多模光纤(8)、第二单模光纤(9)三个结构顺次连接，光环行器(2)下端与3dB耦合器(6)上端相连，3dB耦合器(6)的另外两端分别与带通滤波器(5)的右端和光谱仪(3)连接，光功率计(4)与带通滤波器(5)的左端相连；其中第一位移光纤平台(11)夹住第一单模光纤(7)的左端，第二位移光纤平台(12)夹住第二单模光纤(9)的右端。

所述的多模光纤(8)的长度为1mm，直径为62.5um，纤芯折射率为1.4662，包层的折射率为1.45。

所述的FBG(10)刻在第二单模光纤(9)中，长度为8mm，在室温下中心波长为1553.78nm。

所述的光谱仪(3)的分辨率为0.01nm，第一位移光纤平台(11)为固定平台，第二位移光纤平台(12)为可动平台。

本发明的工作原理是：宽带光源(1)发射1520-1620nm的光束，入射到第一单模光纤(7)-多模光纤(8)-第二单模光纤(9)结构中，由于单模光纤和多模光纤的模式匹配失衡的特点，在多模光纤(8)里产生多个模式的干涉，向前传播到刻有FBG(10)的第二单模光纤(9)里又激发出不同的包层模与纤芯模，经过FBG(10)反射回到多模光纤(8)中，再一次在多模光纤(8)中产生耦合效率很高的干涉图样，第一单模光纤(7)-多模光纤(8)-第二单模光纤(9)结构弯曲变化时，干涉图样会产生明显的变化，干涉光被光谱仪(3)和光功率计(4)接收，检测光纤内不同模式的信号的变化，得出光强与曲率变化的线性关系，在光功率计之前加入了带通滤波器(5)，目的为了可以分别检测不同的布拉格模式和包层模式，实现对单个纤芯模和包层模信号的检测。

由第二单模光纤(9)导出i阶耦合系数d_i得到：

$d_i=\frac{\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}\underset{h=1}{\overset{M}{\Σ}}{C}_h.{\mathrm{\ψ}}_h(r,\mathrm{\θ})\exp \left({\mathrm{j\β}}_{h}Z\right)\×{\mathrm{\φ}}_i(r,\mathrm{\θ})*rdrd\mathrm{\θ}}{\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{\left|{\mathrm{\φ}}_i(r,\mathrm{\θ})\right|}^{2}rdrd\mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

d_i代表耦合系数、M代表在多模光纤中传导的模式总数，C_h代表在多模光纤中的激励系数，ψ_h代表电场分布，β_h代表本征态传播常数，φ_i代表单模光纤反射的第i阶模式，包括i＝1的纤芯模与i＞1的包层模。d_i与多模光纤的折射率、长度、纤芯直径有关。

$C_h=\frac{\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{E}_S(r,\mathrm{\θ})\×{\mathrm{\ψ}}_h(r,\mathrm{\θ})*rdrd\mathrm{\θ}}{\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{\left|{\mathrm{\ψ}}_h(r,\mathrm{\θ})\right|}^{2}rdrd\mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

C_h代表在多模光纤中的激励系数，会随着光纤曲率的变化而改变，E_s代表单模光纤的电场基模。

本发明的有益效果是：(1)在正常温度范围下测量曲率，没有较为明显的误差；(2)该结构的传感光纤，可以检测任意方向的弯折变化，因此，本发明具有结构简单，灵敏度高，0至70℃下，能忽略温度对曲率测量的影响等优点，为曲率的实时监测提供了一种切实可行的方案。

附图说明

图1是基于包层模式干涉结合布拉格光纤光栅曲率传感器的装置连接图。

图2是基于包层模式干涉结合布拉格光纤光栅曲率传感器的系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参见附图1，由宽带光源(1)，光环行器(2)，光谱仪(3)，光功率计(4)，带通滤波器(5)，3dB耦合器(6)，第一单模光纤(7)，多模光纤(8)，第二单模光纤(9)，FBG(10)，第一位移光纤平台(11)，第二位移光纤平台(12)组成，其特征在于：宽带光源(1)和光环行器(2)左端相连，光环行器(2)右端与第一单模光纤(7)的左端相连，第一单模光纤(7)、多模光纤(8)、第二单模光纤(9)三个结构顺次连接，光环行器(2)下端与3dB耦合器(6)上端相连，3dB耦合器(6)的另外两端分别与带通滤波器(5)的右端和光谱仪(3)连接，光功率计(4)与带通滤波器(5)的左端相连；其中第一位移光纤平台(11)夹住第一单模光纤(7)的左端，第二位移光纤平台(12)夹住第二单模光纤(9)的右端；第一单模光纤(7)-多模光纤(8)-第二单模光纤(9)结构参见附图2，多模光纤(8)的长度为1mm，直径为62.5um，纤芯折射率为1.4662，包层的折射率为1.45，FBG(10)刻在第二单模光纤(9)中，长度为8mm，在室温下的中心波长为1553.78nm，光谱仪(3)的分辨率为0.01nm，第一位移光纤平台(11)为固定平台，第二位移光纤平台(12)为可动平台。

第一单模光纤(7)-多模光纤(8)-第二单模光纤(9)结构利用单模光纤与多模光纤熔接而成，采用的光纤熔接机型号为Fujikura60s，单模光纤与多模光纤之间使用光纤熔接机标准程序熔接。第二位移光纤平台(12)的作用是使第一单模光纤(7)-多模光纤(8)-第二单模光纤(9)结构弯曲程度可控。

本发明的工作原理是：宽带光源(1)发射1520-1620nm的光束，传播到第一单模光纤(7)-多模光纤(8)-第二单模光纤(9)结构中，由于单模光纤和多模光纤的模式匹配失衡的特点，使在多模光纤(8)里产生多个模式干涉，向前传播经过刻有FBG(10)的单模光纤2(9)里又激发出不同的包层模与纤芯模，然后反射回到多模光纤(8)中，再一次产生耦合效率很高的干涉图样，第一单模光纤(7)-多模光纤(8)-第二单模光纤(9)结构弯曲程度改变时，干涉图样会有明显的改变，干涉光被光谱仪(3)和光功率计(4)接收，检测光纤内不同模式信号的变化，得出光强与曲率变化的线性关系，在光功率计之前加入了带通滤波器(5)，目的为了可以分别检测不同的布拉格模式和包层模式，实现对单个纤芯模和包层模信号的检测。

Claims (4)

1.基于包层模式干涉结合布拉格光纤光栅曲率传感器，由宽带光源(1)，光环行器(2)，光谱仪(3)，光功率计(4)，带通滤波器(5)，3dB耦合器(6)，第一单模光纤(7)，多模光纤(8)，第二单模光纤(9)，FBG(10)，第一位移光纤平台(11)，第二位移光纤平台(12)组成，其特征在于：宽带光源(1)和光环行器(2)左端相连，光环行器(2)右端与第一单模光纤(7)的左端相连，第一单模光纤(7)、多模光纤(8)、第二单模光纤(9)三个结构顺次连接，光环行器(2)下端与3dB耦合器(6)上端相连，3dB耦合器(6)的另外两端分别与带通滤波器(5)的右端和光谱仪(3)连接，光功率计(4)与带通滤波器(5)的左端相连；其中第一位移光纤平台(11)夹住第一单模光纤(7)的左端，第二位移光纤平台(12)夹住第二单模光纤(9)的右端。

2.根据权利要求1所述的基于包层模式干涉结合布拉格光纤光栅曲率传感器，其特征在于：多模光纤(8)的长度为1mm，直径为62.5um，纤芯折射率为1.4662，包层的折射率为1.45。

3.根据权利要求1所述的基于包层模式干涉结合布拉格光纤光栅曲率传感器，其特征在于：FBG(10)刻在第二单模光纤(9)中，长度为8mm，在室温下中心波长为1553.78nm。

4.根据权利要求1所述的基于包层模式干涉结合布拉格光纤光栅曲率传感器，其特征在于：光谱仪(3)的分辨率为0.01nm，第一位移光纤平台(11)为固定平台，第二位移光纤平台(12)为可动平台。