CN108225602A - 基于fp-mz结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于FP‑MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器，通过采用40％浓度的氢氟酸对单模光纤端面腐蚀制作出了光纤FP结构，利用锥腰扩大熔接技术对光纤FP尾纤熔接制作光纤MZ干涉结构，制成温度和应变同时测量的传感器，并对温度以及应变传感特性进行测试分析，建立了该系统温度及应变和反射光谱及投射光谱波长之间的数学模型，通过该系统的传感系数矩阵便可以同时监测外界温度和应变双参量变化，该传感器结构简单，制作成本低，测量稳定性好，对应力和温度的交叉敏感问题，具有较高的参考价值，同时在航空航天，生物医学检测以及大型建筑健康监测等方面都具有重要的应用价值，改变了传统传感器只针对单一参量进行测量的问题。

Description

基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体为基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器。

背景技术

光纤由于本身轻巧，灵敏、抗强电磁干扰、耐高温、信号衰减小等特点，现在已经被人们广泛应用于传感领域。光纤用于传感，可以组网，易于实现智能化，集信息传输与传感于一体，可有效解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题。

光纤传感系统的基本原理就是光纤中的如光强、频率、波长、相位以及偏振态等光波参数随外界被测参数变化而变化，通过检测光纤中光波参数的变化达到检测外界被测物理量的目的。

温度和应变是两个对于材料非常重要的物理参数，在材料健康监测、医学检测、工业生产以及大型飞行器件的正常运行都应用广泛，针对温度和应变传感器的研究也越来越多。传统的传感器只针对单一参量进行测量，然而，实际的环境中并非像实验室一样可以控制单一参量的变化，为适应现实环境中复杂的参数变化情况，对温度和应变的同时测量的传感器的研制显得尤为重要。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器，解决了传统的传感器只针对单一参量进行测量，然而，实际的环境中并非像实验室一样可以控制单一参量的变化，不能很好适应现实环境中复杂的参数变化的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器，具体包括以下步骤：

S1、将单模光纤放入40％浓度的氢氟酸溶液中进行腐蚀，并利用熔接放电法制得光纤FP结构；

S2、将光纤FP结构尾纤与另一小段长约6cm的光纤进行熔接，并对其椎腰进行放大形成椭球状，将该段光纤与另一端面切平的单模光纤进行椎腰放大熔接，两个椭球形成光纤MZ结构。

优选的，所述单模光纤的端面与光纤FP结构固定连接，所述单模光纤的端面且位于光纤FP结构的尾纤处于光纤MZ结构连接。

本发明还公开了基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器的研究方法，具体包括以下步骤：

步骤1：利用氢氟酸、光纤熔接机、宽带光源和光谱分析仪、单模光纤等实验用品和器件搭建了基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器系统；

步骤2：首先利用氢氟酸对光纤端面腐蚀并与另一端面切平的光纤进行熔接放电制备光纤FP结构；利用腰椎放大熔接技术对光纤FP结构尾纤单模光纤熔接制作光纤MZ结构干涉型传感器；

步骤3：利用制作的光纤传感器组成的传感系统完成温度应变特性研究。

优选的，所述步骤1中的氢氟酸浓度40％，光纤型号为SMF-28，光谱分析仪的工作波长范围1200nm--2400nm，最小分辨精度为0.05nm。

优选的，所述步骤3中的系统对传感器的温度及应变特性进行测试；根据光纤FP结构的反射谱特性以及光纤MZ结构的透射谱特性随温度以及应变的变化情况进行研究；分别在30℃--150℃温度以及0με--450με应变范围内对传感器谐振波长随温度以及应变变化的漂移量进行线性拟合，得到光纤传感器的测量灵敏度以及精度。

优选的，在步骤3中，当环境温度和应变发生变化时，传感器反射谱和透射谱波长分别发生不同的漂移，利用灵敏系数矩阵通过光纤传感器反射及投射波长变化值求解方程得到相应的温度与应变值，外界温度和应变的变化时，反射谱和透射谱波长的变化Δλ₁，Δλ₂和与温度变化ΔT和应变变化Δε成近似的线性关系，写作：

Δλ₁＝K₁₁ΔT+K₁₂Δε (1)

Δλ₂＝K₂₁ΔT+K₂₂Δε (2)

其中：K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂分别为反射谱温度灵敏度系数和应变灵敏度系数以及透射谱温度灵敏度系数和应变灵敏度系数，联立式(1)和式(2)，可以得到温度和应变的变化量与光谱波长的变化矩阵为：

对式(3)求其逆矩阵，可得：

通过实验分别测得K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂，带入(4)式即可得到ΔT和Δε，实现温度和应变双参量同时测量。

(三)有益效果

本发明提供了基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器。具备以下有益效果：该基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器，通过采用40％浓度的氢氟酸对单模光纤端面腐蚀制作出了光纤FP结构，利用锥腰扩大熔接技术对光纤FP尾纤熔接制作光纤MZ干涉结构，制成温度和应变同时测量的传感器，并对温度以及应变传感特性进行测试分析，建立了该系统温度及应变和反射光谱及投射光谱波长之间的数学模型，通过该系统的传感系数矩阵便可以同时监测外界温度和应变双参量变化，该传感器结构简单，制作成本低，测量稳定性好，对应力和温度的交叉敏感问题，具有较高的参考价值，同时在航空航天，生物医学检测以及大型建筑健康监测等方面都具有重要的应用价值，改变了传统传感器只针对单一参量进行测量的问题，可以更加的适应现实环境中复杂的参数变化情况，提高检测数据的精准程度。

附图说明

图1为本发明光纤传感器结构示意图；

图2为本发明光纤传感器反射谱图以及透射谱图；

图3为本发明传感器反射谱温度及应变特性曲线图；

图4为本发明传感器透射谱温度及应变特性曲线图；

图中，1单模光纤、2光纤FP结构、3光纤MZ结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明实施例提供一种技术方案：本发明实施例提供基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器，具体包括以下步骤：

S1、将单模光纤1放入40％浓度的氢氟酸溶液中进行腐蚀，并利用熔接放电法制得光纤FP结构2；

S2、将光纤FP结构2尾纤与另一小段长约6cm的光纤进行熔接，并对其椎腰进行放大形成椭球状，将该段光纤与另一端面切平的单模光纤1进行椎腰放大熔接，两个椭球形成光纤MZ结构3。

本发明中，单模光纤1的端面与光纤FP结构2固定连接，单模光纤1的端面且位于光纤FP结构2的尾纤处于光纤MZ结构3连接。

本发明还公开了基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器的研究方法，具体包括以下步骤：

步骤1：利用氢氟酸、光纤熔接机、宽带光源和光谱分析仪、单模光纤1等实验用品和器件搭建了基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器系统；

步骤2：首先利用氢氟酸对光纤端面腐蚀并与另一端面切平的光纤进行熔接放电制备光纤FP结构2；利用腰椎放大熔接技术对光纤FP结构2尾纤单模光纤熔接制作光纤MZ结构3干涉型传感器；

步骤3：利用制作的光纤传感器组成的传感系统完成温度应变特性研究。

本发明中，步骤1中的氢氟酸浓度40％，光纤型号为SMF-28，光谱分析仪的工作波长范围1200nm--2400nm，最小分辨精度为0.05nm。

本发明中，步骤3中的系统对传感器的温度及应变特性进行测试；根据光纤FP结构2的反射谱特性以及光纤MZ结构3的透射谱特性随温度以及应变的变化情况进行研究；分别在30℃--150℃温度以及0με--450με应变范围内对传感器谐振波长随温度以及应变变化的漂移量进行线性拟合，得到光纤传感器的测量灵敏度以及精度。

本发明中，在步骤3中，当环境温度和应变发生变化时，传感器反射谱和透射谱波长分别发生不同的漂移，利用灵敏系数矩阵通过光纤传感器反射及投射波长变化值求解方程得到相应的温度与应变值，外界温度和应变的变化时，反射谱和透射谱波长的变化Δλ₁，Δλ₂和与温度变化ΔT和应变变化Δε成近似的线性关系，写作：

Δλ₁＝K₁₁ΔT+K₁₂Δε (1)

Δλ₂＝K₂₁ΔT+K₂₂Δε (2)

其中：K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂分别为反射谱温度灵敏度系数和应变灵敏度系数以及透射谱温度灵敏度系数和应变灵敏度系数，联立式(1)和式(2)，可以得到温度和应变的变化量与光谱波长的变化矩阵为：

对式(3)求其逆矩阵，可得：

通过实验分别测得K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂，带入(4)式即可得到ΔT和Δε，实现温度和应变双参量同时测量。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1、将单模光纤(1)放入40％浓度的氢氟酸溶液中进行腐蚀，并利用熔接放电法制得光纤FP结构(2)；

S2、将光纤FP结构(2)尾纤与另一小段长约6cm的光纤进行熔接，并对其椎腰进行放大形成椭球状，将该段光纤与另一端面切平的单模光纤(1)进行椎腰放大熔接，两个椭球形成光纤MZ结构(3)。

2.根据权利要求1所述的基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器，其特征在于：所述单模光纤(1)的端面与光纤FP结构(2)固定连接，所述单模光纤(1)的端面且位于光纤FP结构(2)的尾纤处于光纤MZ结构(3)连接。

3.基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器的研究方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1：利用氢氟酸、光纤熔接机、宽带光源和光谱分析仪、单模光纤(1)等实验用品和器件搭建了基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器系统；

步骤2：首先利用氢氟酸对光纤端面腐蚀并与另一端面切平的光纤进行熔接放电制备光纤FP结构(2)；利用腰椎放大熔接技术对光纤FP结构(2)尾纤单模光纤熔接制作光纤MZ结构(3)干涉型传感器；

步骤3：利用制作的光纤传感器组成的传感系统完成温度应变特性研究。

4.根据权利要求3所述的基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器的研究方法，其特征在于：所述步骤1中的氢氟酸浓度40％，光纤型号为SMF-28，光谱分析仪的工作波长范围1200nm--2400nm，最小分辨精度为0.05nm。

5.根据权利要求3所述的基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器的研究方法，其特征在于：所述步骤3中的系统对传感器的温度及应变特性进行测试；根据光纤FP结构(2)的反射谱特性以及光纤MZ结构(3)的透射谱特性随温度以及应变的变化情况进行研究；分别在30℃--150℃温度以及0με--450με应变范围内对传感器谐振波长随温度以及应变变化的漂移量进行线性拟合，得到光纤传感器的测量灵敏度以及精度。

6.根据权利要求3所述的基于FP-MZ结构的温度应变同时测量的干涉型全光纤传感器的研究方法，其特征在于：在步骤3中，当环境温度和应变发生变化时，传感器反射谱和透射谱波长分别发生不同的漂移，利用灵敏系数矩阵通过光纤传感器反射及投射波长变化值求解方程得到相应的温度与应变值，外界温度和应变的变化时，反射谱和透射谱波长的变化Δλ₁，Δλ₂和与温度变化ΔT和应变变化Δε成近似的线性关系，写作：

Δλ₁＝K₁₁ΔT+K₁₂Δε (1)

Δλ₂＝K₂₁ΔT+K₂₂Δε (2)

其中：K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂分别为反射谱温度灵敏度系数和应变灵敏度系数以及透射谱温度灵敏度系数和应变灵敏度系数，联立式(1)和式(2)，可以得到温度和应变的变化量与光谱波长的变化矩阵为：

对式(3)求其逆矩阵，可得：

通过实验分别测得K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂，带入(4)式即可得到ΔT和Δε，实现温度和应变双参量同时测量。