CN106197305A - 一种马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置 - Google Patents

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叶苍竹
吴远策
熊辉
官守军
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Abstract

本发明涉及光纤传感技术，是一种马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置，具有泵浦激光器，所述泵浦激光器通过连接光纤与波分复用器连接，所述波分复用器的两个端口通过连接光纤分别与掺饵光纤和偏振控制器相连接，所述掺饵光纤与光隔离器的一端连接，光隔离器的另一端通过连接光纤与1＊2型光纤耦合器的独立端相连，1＊2型光纤耦合器的另一端设有两个端口通过连接光纤分别与锥形光纤滤波器和光纤光谱仪相连；所述偏振控制器的另一端通过连接光纤与锥形光纤滤波器相连；本发明制作方便，成本低，损耗小，滤波特性好，具有机械强度高、探测信号强、信噪比高、线宽窄、灵敏度高等优点。

Description

一种马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是一种马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置。
背景技术
光纤弯曲传感器较传统的弯曲传感器，具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、质量轻、体积小和易于远程监测等优点，可用于监测桥梁的弯曲形变、道路的路基沉降和铁路轨道的弯曲变形等，也可用于监测一些高精度的仪器设备和重要建筑结构的弯曲变形等，有着广泛的应用。
以对环境参数敏感的滤波器件直接作为光传感器是一个十分有效可行的实施方式，大量该类光器件被制作并实施，其中有一些甚至已经被应用在工程测量领域。传统的直线型马赫曾德尔干涉仪的分光器和合束器为相同结构的分离元件，这种结构包括长周期光栅、偏芯光纤衰减器、光纤拉锥结构，甚至是将一段特殊光纤熔接到普通单模光纤之间，这种特殊的光纤可以是多模光纤、细芯光纤、光子晶体光纤等等，其作用就是在与单模光纤的熔接处使光束分离与合并。所有这些结构在实现众多环境参数（包括应力、折射率、曲率、位移、温度等）测量的同时也有其固有的一些缺点。比如，长周期光栅的写入就需光敏光纤、掩模板、紫外光激光器或是CO2 激光器，这些要求使得其制作成本难以降低。传统的光纤拉锥结构使光纤在纤芯直径上大大降低，这也使其机械强度得不到保证，当光纤被拉伸或是被弯曲时，极易造成断裂。
发明内容
本发明的目的就是要克服现有光纤弯曲传感器存在的探测信号弱、带宽较大、制作复杂、成本高，光纤易折断等缺点，提供一种马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置。
本发明的具体方案是：一种马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置，具有泵浦激光器，所述泵浦激光器通过连接光纤与波分复用器连接，所述波分复用器的两个端口通过连接光纤分别与掺饵光纤和偏振控制器相连接，所述掺饵光纤与光隔离器的一端连接，光隔离器的另一端通过连接光纤与1＊2型光纤耦合器的独立端相连，1＊2型光纤耦合器的另一端设有两个端口通过连接光纤分别与锥形光纤滤波器和光纤光谱仪相连；所述偏振控制器的另一端通过连接光纤与锥形光纤滤波器相连。
本发明中所述泵浦激光器的输出波长为980nm，对应波分复用器采用980/1550nm型光纤波分复用器。
本发明中所述光隔离器为1550nm光纤隔离器。
本发明中所述1＊2型光纤耦合器分光比值较小的一端通过连接光纤与光纤光谱仪相连，分光比值较大的一端通过连接光纤与锥形光纤滤波器相连。
本发明中所述锥形光纤滤波器的最大直径为300μm，锥长度为800μm。
本发明中所述连接光纤为G.652、G.653和 G.655单模光纤。
本发明中所述连接光纤优选为G.652单模光纤。
本发明中所述掺饵光纤的长度为1-10m。
本发明的工作原理是：参见附图1，波分复用器、掺铒光纤、光隔离器、1*2型光纤耦合器、锥形光纤滤波器、偏振控制器和若干连接光纤构成光纤环形激光器的谐振腔。腔内掺铒光纤充当激光工作物质，光隔离器只允许腔内光朝一个方向传输，1*2型光纤耦合器比值较小的一端作为激光器的输出端，泵浦激光器输出的激光经波分复用器耦合进入激光谐振腔，掺饵光纤产生C波段激光。本发明利用光纤锥形结构的马赫曾德尔干涉仪作为滤波器件，当光束从单模光纤的左端进入光纤锥时，光被分离为两束：一束进入到单模光纤的包层，成为包层模沿包层传输；另一束继续保持在光纤纤芯中以基模传输。当两束光沿光纤传输到第二个光纤锥时，两束光被合并，合束后的光进入到光纤纤芯中，由于两束光的行进路线不同，产生了一定的相位差，合束时就发生了干涉，产生梳状滤波光谱。利用这个特性，将锥形光纤滤波器接入到环形腔激光器中可以对掺饵光纤的自发辐射光谱进行滤波，经过多次环形传输，最终产生激光输出。锥形光纤一方面起到弯曲传感的作用，一方面作为光学滤波器，从而使泵浦激光器输出激光的中心波长受弯曲的调制，通过测量泵浦激光器输出激光的中心波长即可获得被测物体的弯曲程度。
本发明的有益效果是：
（1）本发明为直线型光纤马赫曾德尔干涉仪，其制作方便，成本低，损耗小，滤波特性好；
（2）本发明采用与传统光纤拉锥相反的锥形光纤制作方法，使得光纤直径不降反增，机械强度大大增加，且不影响滤波特性；
（3）泵浦激光器输出激光具有光强大、超窄线宽的特性，为其中心波长的准确确定提供了保证。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的锥形光纤滤波器显微结构图；
图3是本发明不同弯曲程度的输出激光光谱图；
图中：1—泵浦激光器，2—波分复用器，3—掺饵光纤，4—光隔离器，5—1＊2型光纤耦合器，6—锥形光纤滤波器，7—光纤光谱仪，8—偏振控制器，9—连接光纤。
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：
参见附图1-3，一种马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置，具有泵浦激光器（1），所述泵浦激光器（1）通过连接光纤（9）与波分复用器（2）连接，所述波分复用器（2）的两个端口通过连接光纤（9）分别与掺饵光纤（3）和偏振控制器（8）相连接，所述掺饵光纤（3）与光隔离器（4）的一端连接，光隔离器（4）的另一端通过连接光纤（9）与1＊2型光纤耦合器（5）的独立端相连，1＊2型光纤耦合器（5）的另一端设有两个端口通过连接光纤（9）分别与锥形光纤滤波器（6）和光纤光谱仪（7）相连，所述偏振控制器（8）的另一端通过连接光纤（9）与锥形光纤滤波器（6）相连。
本实施例中所述泵浦激光器（1）的输出波长为980nm，对应波分复用器（2）采用980/1550nm型光纤波分复用器，所述光隔离器（4）为1550nm光纤隔离器，保证光沿一个方向传播。所述1＊2型光纤耦合器（5）分光比值较小的一端通过连接光纤（9）与光纤光谱仪（7）相连，分光比值较大的一端通过连接光纤（9）与锥形光纤滤波器（6）相连，所述锥形光纤滤波器（6）的最大直径为300μm，锥长度为800μm，所述连接光纤（9）为G.652单模光纤，本实施例中所述掺饵光纤的长度为1-10m，具体为5m。
本实施例中锥形光纤滤波器(6)采用利用光纤熔接机进行锥形光纤的制作，制作完成的锥形光纤显微结构参见附图2。图中左边锥的最大直径300μm，锥长度为800μm，且在光纤上相隔500μm处制作对称的右边锥形光纤，两个锥形光纤的几何尺寸接近，这保证了所制作的马赫曾德尔干涉仪具有较好的滤波性能，包括损耗和消光比。
本发明在使用时，将锥形光纤滤波器(6)粘贴于被测物体表面，光纤光谱仪(7)测量输出激光的光谱。附图3是将长度为25mm的锥形光纤滤波器(6)粘贴于测试钢尺表面处于不同弯曲程度时系统输出激光中心波长图。C是弯曲率Curvature的简称，定义为弯曲半径的倒数，单位为m-1。从附图3可以看出，随着被测物体弯曲程度的增大，输出激光的中心波长向短波长方向发生明显漂移，即输出激光中心波长对弯曲非常敏感。通过测定该系统输出激光的中心波长即可确定被测物体的弯曲程度。
根据附图3的实验结果可知，本发明马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置，具有探测信号强、信噪比高、线宽窄、灵敏度高的特点，通过测定系统输出激光的中心波长即可确定被测物体的弯曲程度。
上述详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围内。

Claims (8)

1.一种马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置，其特征是：具有泵浦激光器，所述泵浦激光器通过连接光纤与波分复用器连接，所述波分复用器的两个端口通过连接光纤分别与掺饵光纤和偏振控制器相连接，所述掺饵光纤与光隔离器的一端连接，光隔离器的另一端通过连接光纤与1＊2型光纤耦合器的独立端相连，1＊2型光纤耦合器的另一端设有两个端口通过连接光纤分别与锥形光纤滤波器和光纤光谱仪相连；所述偏振控制器的另一端通过连接光纤与锥形光纤滤波器相连。
2.根据权利要求1所述的一种马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置，其特征是：所述泵浦激光器的输出波长为980nm，对应波分复用器采用980/1550nm型光纤波分复用器。
3.根据权利要求1所述的一种马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置，其特征是：所述光隔离器为1550nm光纤隔离器。
4.根据权利要求1所述的一种马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置，其特征是：所述1＊2型光纤耦合器分光比值较小的一端通过连接光纤与光纤光谱仪相连，分光比值较大的一端通过连接光纤与锥形光纤滤波器相连。
5.根据权利要求1所述的一种马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置，其特征是：所述锥形光纤滤波器的最大直径为300μm，锥长度为800μm。
6.根据权利要求1所述的一种马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置，其特征是：所述连接光纤为G.652、G.653和 G.655单模光纤。
7.根据权利要求6所述的一种马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置，其特征是：所述连接光纤为G.652单模光纤。
8.根据权利要求1所述的一种马赫曾德尔干涉型全光纤弯曲传感装置，其特征是：所述掺饵光纤的长度为1-10m。
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