CN108254061B - 一种干涉型光纤传感器及其传感光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种干涉型光纤传感器及其传感光纤，传感光纤由参考纤芯、传感纤芯、包层及涂覆层组成，参考纤芯和传感纤芯镶嵌在包层中，包层由涂覆层包裹，参考纤芯位于包层的几何中心，传感纤芯以螺线型环绕在参考纤芯周围，由于在一根光纤中存在多个信号传输通道，且各通道存在不同的物理长度，可以对外界的应力变化产生不同的变化，通过干涉条纹实现信号的检测。此外，由于该传感光纤特殊的结构，通过简单的拉锥即可实现耦合器的功能。本发明传感器具备结构简单、方便集成、抗外界温度影响的特点。
Description
技术领域
本发明属于光纤器件领域，尤其涉及一种干涉型光纤传感器及其传感光纤。
背景技术
光纤由于其良好的绝缘性、天然的抗电磁干扰能力、紧凑性以及低损耗传输特性，已广泛用于磁场、温度位移、转动、应力、加速度、声音、角速度、光谱、辐射、电流、电压等多种物理量的测量。而其中光纤水听器是一种新型的光纤传感器，用于检测水下声信号。目前实用化的光纤水听器以干涉型为主，基本原理是激光器发出激光进入光纤，经过3dB耦合器后分成两路，一路接受声压信号的调制，称为干涉仪的信号臂，另一路提供参考相位，称为干涉仪的参考臂。两路型号再在3dB耦合器处发生光的干涉。干涉后的光信号经过光电探头，转化为电信号，通过信号处理系统就可以得到出声压信息，属于相位调制。
光纤中传输的光波的相位是光程决定，影响因素包括：光纤长度，有效折射率。以单频光为例，且忽略光纤的纵向不均匀性。则光纤出射光波的相位延迟可表示为：
式中：n为光纤纤芯的折射率；l为光纤的长度；v为光的频率；c为光在真空中速度。
如外径Φ＝30mm的弹性圆柱体上，缠绕200匝光纤，长度L≈18.850m作为信号臂。在声压作用下弹性圆柱体发生微变形，成为30.001mm*29.999mm的椭圆柱，长度差为0.17mm，将会发生110.8倍波长的周期变化，经过解调可以得到声波信号。
目前的干涉型水听器结构中，耦合器是必要的器件，一般通过熔接的方式和传感/参考光纤臂熔接，而熔接点的可靠性难以保证。另一种改进的做法是先拉锥做耦合器再绕制，但由于需要带着耦合器绕两个独立的环，这样增加了绕环过程中断纤的分纤。此外，在外界温度变化较大时，会引起两臂之间的较大的相位差，如水温变化1℃，长度L≈18.850m的信号臂相对静止的参考壁的光程变化约0.16mm，约100个倍波长的周期变化，严重影响探测器的精确度，提高了系统的复杂性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种干涉型光纤传感器，其传感光纤在一根光纤中存在多个信号传输通道，且各通道存在不同的物理长度，可以对外界的应力变化产生不同的变化，通过干涉条纹实现信号的检测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种干涉型光纤传感器传感光纤，由参考纤芯、传感纤芯、包层及涂覆层组成，参考纤芯和传感纤芯镶嵌在包层中，包层由涂覆层包裹，参考纤芯位于包层的几何中心，传感纤芯以螺线型环绕在参考纤芯周围；横切面方向，参考纤芯和传感纤芯的光学参数、几何参数一致，参考纤芯、传感纤芯的直径均在4～15μm之间，包层直径在50～200μm之间，纤芯包层的数值孔径NA在0.1～0.25之间，参考纤芯和传感纤芯的圆心之间的距离在10～60μm之间，所述光纤涂覆层直径在90～300之间，所述传感纤芯的螺线轨迹的周期不大于10mm。
按上述技术方案，传感纤芯的物理长度大于参考纤芯的物理长度。
按上述技术方案，参考纤芯和传感纤芯的泊松系数不相等。
按上述技术方案，参考纤芯和传感纤芯的温度延时系数相等。
按上述技术方案，所述干涉型光纤传感器中的传感光纤通过拉锥可实现不同纤芯中光场的相互耦合。
按上述技术方案，传感纤芯为一根或多根。
本发明还提供一种干涉型光纤传感器，包括激光器、传感光纤、前端3dB耦合器、后端3dB耦合器、光电探头，激光器发出激光进入传感光纤，经过前端3dB耦合器后分成两路，一路接受声压信号的调制，另一路提供参考相位，两路信号再在后端3dB耦合器处发生光的干涉，干涉后的光信号进入光电探头；传感光纤由参考纤芯、传感纤芯、包层及涂覆层组成，参考纤芯和传感纤芯镶嵌在包层中，包层由涂覆层包裹，参考纤芯位于包层的几何中心，传感纤芯以螺线型环绕在参考纤芯周围；横切面方向，参考纤芯和传感纤芯的光学参数、几何参数一致，参考纤芯、传感纤芯的直径均在4～15μm之间，包层直径在50～200μm之间，纤芯包层的数值孔径NA在0.1～0.25之间，参考纤芯和传感纤芯的圆心之间的距离在10～60μm之间，所述光纤涂覆层直径在90～300之间，所述传感纤芯的螺线轨迹的周期不大于10mm。
按上述技术方案，传感纤芯的物理长度大于参考纤芯的物理长度，参考纤芯和传感纤芯的泊松系数不相等，参考纤芯和传感纤芯的温度延时系数相等。
按上述技术方案，所述干涉型光纤传感器中的传感光纤通过拉锥可实现不同纤芯中光场的相互耦合。
按上述技术方案，传感纤芯为一根或多根。
本发明产生的有益效果是：本发明光纤传感器，其传感光纤特点是在一根光纤中存在多个信号传输通道，且各通道存在不同的物理长度，可以对外界的应力变化产生不同的变化，通过干涉条纹实现信号的检测。此外由于特殊的结构，通过简单的拉锥即可实现耦合器的功能。本发明传感器具备结构简单、方便集成、抗外界温度影响的特点。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为干涉型水听器局部结构示意图；
图2为本发明实施例1所述的一种双芯旋转光纤的示意图；
图3为图2的实施例中Φ＝30mm的弹性圆柱体在声压作用下微变形成30.001mm*29.999mm的椭圆柱时相对干涉强度图；
图4为2根传感纤芯组成的传感光纤实施例示意图；
图5为本发明实施例传感光纤拉锥示意图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，目前的干涉型水听器结构中，耦合器是必要的器件，C1和C2为光纤耦合器，一般通过熔接的方式和传感/参考光纤臂熔接，而熔接点的可靠性难以保证。
本发明实施例中，提供一种干涉型光纤传感器传感光纤，由参考纤芯、传感纤芯、包层及涂覆层组成，参考纤芯和传感纤芯镶嵌在包层中，包层由涂覆层包裹，参考纤芯位于包层的几何中心，传感纤芯以螺线型环绕在参考纤芯周围；横切面方向，参考纤芯和传感纤芯的光学参数、几何参数一致，参考纤芯、传感纤芯的直径均在4～15μm之间，包层直径在50～200μm之间，纤芯包层的数值孔径NA在0.1～0.25之间，参考纤芯和传感纤芯的圆心之间的距离在10～60μm之间，所述光纤涂覆层直径在90～300之间，所述传感纤芯的螺线轨迹的周期不大于10mm。
进一步地，传感纤芯的物理长度大于参考纤芯的物理长度。
进一步地，参考纤芯和传感纤芯的泊松系数不相等。
进一步地，参考纤芯和传感纤芯的温度延时系数相等。
进一步地，所述干涉型光纤传感器中的传感光纤通过拉锥可实现不同纤芯中光场的相互耦合。
进一步地，传感纤芯为一根或多根。
本发明还提供一种干涉型光纤传感器，包括激光器、传感光纤、前端3dB耦合器、后端3dB耦合器、光电探头，激光器发出激光进入传感光纤，经过前端3dB耦合器后分成两路，一路接受声压信号的调制，另一路提供参考相位，两路信号再在后端3dB耦合器处发生光的干涉，干涉后的光信号进入光电探头；传感光纤由参考纤芯、传感纤芯、包层及涂覆层组成，参考纤芯和传感纤芯镶嵌在包层中，包层由涂覆层包裹，参考纤芯位于包层的几何中心，传感纤芯以螺线型环绕在参考纤芯周围；横切面方向，参考纤芯和传感纤芯的光学参数、几何参数一致，参考纤芯、传感纤芯的直径均在4～15μm之间，包层直径在50～200μm之间，纤芯包层的数值孔径NA在0.1～0.25之间，参考纤芯和传感纤芯的圆心之间的距离在10～60μm之间，所述光纤涂覆层直径在90～300之间，所述传感纤芯的螺线轨迹的周期不大于10mm。
进一步地，传感纤芯的物理长度大于参考纤芯的物理长度，参考纤芯和传感纤芯的泊松系数不相等，参考纤芯和传感纤芯的温度延时系数相等。
进一步地，所述干涉型光纤传感器中的传感光纤通过拉锥可实现不同纤芯中光场的相互耦合。
进一步地，传感纤芯为一根或多根。
本发明还提供如下较佳实施例，实施例1：
一种光纤传感器，其传感光纤部分如图2所示，包含包层101、涂覆层111、参考纤芯121、传感纤芯122。包层直径为125μm，涂覆层直径为245μm，纤芯直径为9mm，NA为0.12。传感纤芯和参考纤芯的几何中心的间距为42μm，旋转周期为5mm。在水听器其中，如在Φ＝30mm的弹性圆柱体上，缠绕200匝光纤，长度L≈18.850m作为信号臂。在声压作用下弹性圆柱体会发生微变形，在形成30.001mm*29.999mm的椭圆柱时相对干涉强度如图3所示。
实施例2：
一种光纤传感器，其传感光纤部分如图2所示，包含包层101；涂覆层111；参考纤芯121；传感纤芯122。包层直径为150μm，涂覆层直径为245μm，纤芯直径为9mm，NA为0.12。传感纤芯和参考纤芯的几何中心的间距为42μm，旋转周期为2.5mm。
实施例3：
一种光纤传感器，其传感光纤部分如图2所示，包含包层101；涂覆层111；参考纤芯121；传感纤芯122。包层直径为80μm，涂覆层直径为165μm，纤芯直径为7mm，NA为0.18。传感纤芯和参考纤芯的几何中心的间距为30μm，旋转周期为2.5mm。高NA值使得光纤具备很好的抗弯效果。
实施例4：
一种光纤传感器，其传感光纤部分如图2所示，包含包层101；涂覆层111；参考纤芯121；传感纤芯122。包层直径为125μm，涂覆层直径为245μm，纤芯直径为7mm，NA为0.18。传感纤芯和参考纤芯的几何中心的间距为42μm，旋转周期为5mm。涂覆层111为耐高温材料，使得该光纤适合于高温传感。
实施例5：
一种光纤传感器，其传感光纤部分如图2所示，包含包层101；涂覆层111；参考纤芯121；传感纤芯122。包层直径为80μm，涂覆层直径为165μm，纤芯直径为7mm。传感纤芯和参考纤芯的几何中心的间距为30μm，旋转周期为2.5mm。纤芯采用微掺氟，包层深掺氟，使得NA为0.18，同时具备抗辐照功能。
实施例6：
一种光纤传感器，其传感光纤部分如图4所示，包含包层202；涂覆层203；参考纤芯201；传感纤芯一222和传感纤芯二223。包层直径为125μm，涂覆层直径为245μm，纤芯直径为9mm，NA为0.12。传感纤芯一222和传感纤芯二223的泊松系数不一致，对不同的振动强度有不同的响应。
实施例7：
一种光纤传感器，其传感光纤部分如图5所示，包含包层301；涂覆层311；参考纤芯321；传感纤芯322。均匀旋转周期为5mm。331为拉锥，实现工作波长下的光纤耦合器功能，光纤端面332连接对应双芯光纤法拉第旋转反射镜。
基于双芯旋转传感光纤的传感器，其特点是将参考臂和传感臂做在同一根光纤中，通过拉锥达到耦合器的功能，减小了绕纤难度和体积，同时避免了温度的干扰。两臂感知外界声波的差异通过光纤的旋转和材料结构来体现，实现一定动态范围内的声波传感，特别适合水温变化较大的水域传感。如水温变化1℃，长度L≈18.850m的信号臂和参考臂的光程变化约2μm，基本不会影响干涉强度。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种干涉型光纤传感器传感光纤，其特征在于，由参考纤芯、传感纤芯、包层及涂覆层组成，参考纤芯和传感纤芯镶嵌在包层中，包层由涂覆层包裹，参考纤芯位于包层的几何中心，传感纤芯以螺线型环绕在参考纤芯周围；横切面方向，参考纤芯和传感纤芯的光学参数、几何参数一致，参考纤芯、传感纤芯的直径均在4～15μm之间，包层直径在50～200μm之间，纤芯包层的数值孔径NA在0.1～0.25之间，参考纤芯和传感纤芯的圆心之间的距离在10～60μm之间，所述光纤涂覆层直径在90～300之间，所述传感纤芯的螺线轨迹的周期不大于10mm，参考纤芯和传感纤芯的泊松系数不相等，参考纤芯和传感纤芯的温度延时系数相等，所述干涉型光纤传感器中的传感光纤通过拉锥可实现不同纤芯中光场的相互耦合。
2.根据权利要求1所述的干涉型光纤传感器传感光纤，其特征在于，传感纤芯的物理长度大于参考纤芯的物理长度。
3.根据权利要求1或2所述的干涉型光纤传感器传感光纤，其特征在于，传感纤芯为一根或多根。
4.一种干涉型光纤传感器，其特征在于，包括激光器、传感光纤、前端3dB耦合器、后端3dB耦合器、光电探头，激光器发出激光进入传感光纤，经过前端3dB耦合器后分成两路，一路接受声压信号的调制，另一路提供参考相位，两路信号再在后端3dB耦合器处发生光的干涉，干涉后的光信号进入光电探头；传感光纤由参考纤芯、传感纤芯、包层及涂覆层组成，参考纤芯和传感纤芯镶嵌在包层中，包层由涂覆层包裹，参考纤芯位于包层的几何中心，传感纤芯以螺线型环绕在参考纤芯周围；横切面方向，参考纤芯和传感纤芯的光学参数、几何参数一致，参考纤芯、传感纤芯的直径均在4～15μm之间，包层直径在50～200μm之间，纤芯包层的数值孔径NA在0.1～0.25之间，参考纤芯和传感纤芯的圆心之间的距离在10～60μm之间，所述光纤涂覆层直径在90～300之间，所述传感纤芯的螺线轨迹的周期不大于10mm，传感纤芯的物理长度大于参考纤芯的物理长度，参考纤芯和传感纤芯的泊松系数不相等，参考纤芯和传感纤芯的温度延时系数相等，所述干涉型光纤传感器中的传感光纤通过拉锥可实现不同纤芯中光场的相互耦合。
5.根据权利要求4所述的干涉型光纤传感器，其特征在于，传感纤芯为一根或多根。
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