CN108534931A - 一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，所述传感器包括宽带光源、第一连接光纤、第一空芯球形光纤、中段连接光纤、第二空芯球形光纤、第二连接光纤和光谱分析仪；所述宽带光源、所述第一连接光纤、所述第一空芯球形光纤、所述中段连接光纤、所述第二空芯球形光纤、所述第二连接光纤和所述光谱分析仪依次连接；所述第一空芯球光纤和所述第二空芯球光纤是通过将光纤升温膨胀为气泡而形成的空芯球。本发明提供的传感器，由光纤包层模、纤芯模进行干涉产生对应力的敏感特性，当光纤的应力改变时，导致光纤的长度和空芯球直径都发生改变，透射光谱曲线发生偏移，当光纤传感器进入不同浓度的折射率溶液中时，折射率发生改变。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器。
背景技术
光纤传感器目前己被广泛地应用于人们生活的各个方面，在国防、工业、医疗、建筑安全、科学研究等领域发挥着极其重要的作用。近年来，关于不同结构的光纤传感器的研究已有较多报道，如基于光纤光栅、光子晶体光纤(PCF)、马赫曾德尔光纤干涉仪、迈克耳孙干涉仪以及各种微型结构的传感器，均被应用于外界应力和折射率的测量。
光纤M-Z传感器近年来在光纤传感领域引起了很大的研究兴趣，其体积小巧、结构牢固，灵敏度高，马赫曾德尔(M-Z)原理，将一束光首先分离成两束，两束光分别经历不同的光路再合束，由于两束光经历的光路不同，就产生了光程差，当两束光再次合束时则会出现干涉现象。
当前研发和应用于应变和折射率的光纤传感系统主要有布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅、保偏光纤和长周期光纤光栅、布拉格光纤光栅和腰椎放大多模光纤等，但这些传感系统在实际应用中还需考虑许多因素，比如传感器的制作成本、使用寿命长短及测量精度等。
公告号为CN 101545791B的中国发明专利公开了一种光纤传感器及其在折射率及应变测量中的应用，该光纤传感器，在圆形光纤上有一段截面为D型的D型光纤段，D型光纤段的平坦面与纤芯的距离为1～3um，D型光纤段刻有布拉格光纤光栅。
公告号为CN 204718708U的中国实用新型专利公开了一种基于球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器，该传感器由宽带光源、输入光纤、输入球形光纤、连接光纤、单模细芯光纤、输出球形光纤、输出光纤、光谱仪构成；从宽带光源发出的光经输入光纤入射到输入球形光纤，激发起对温度、应变敏感的包层模式，并与连接光纤的芯层模式发生马赫-曾特干涉，之后输出光经过单模细芯光纤，通过连接光纤入射到输入球形光纤中，最后通过输出光纤，入射到光谱仪上；当外界温度、应变改变时，至少两个干涉衰减峰的波长位置会发生移动，通过光谱仪上透射光干涉衰减峰的波长值来实现对温度、应变的双参数同时测量。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，所述传感器包括宽带光源、第一连接光纤、第一空芯球形光纤、中段连接光纤、第二空芯球形光纤、第二连接光纤和光谱分析仪；所述宽带光源、所述第一连接光纤、所述第一空芯球形光纤、所述中段连接光纤、所述第二空芯球形光纤、所述第二连接光纤和所述光谱分析仪依次连接。
其中，所述第一空芯球光纤和所述第二空芯球光纤是通过将光纤升温膨胀为气泡而形成的空芯球。
其中，所述第一空芯球形光纤和所述第二空芯球形光纤的球形直径为150～190μm。
其中，所述第一空芯球形光纤和所述第二空芯球形光纤的纤芯直径为130～170μm。
其中，所述中段连接光纤的长度为1～5cm。
其中，所述第一连接光纤、所述第二连接光纤和所述中段连接光纤均为单模光纤。
其中，所述第一空芯球形光纤和所述第二空芯球形光纤均由单模光纤制备得到。
本发明第二方面提供了一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器的制作方法，包括以下步骤：
A、分别取两段单模光纤进行升温膨胀为气泡形成空芯球形结构，制备得到与第一连接光纤连接的第一空芯球形光纤和与第二连接光纤连接的第二空芯球形光纤，再取一段单模光纤作为中段连接光纤，将所述第一空芯球形光纤和所述第二空芯球形光纤分别与所述中段连接光纤进行熔接；
B、将所述第一连接光纤与宽带光源连接，所述第二连接光纤与光谱分析仪连接，使所述宽带光源发出的光依次通过所述第一连接光纤、所述第一空芯球形光纤、所述中段连接光纤、所述第二空芯球形光纤和所述第二连接光纤，到达光谱分析仪。
其中，所述第一空芯球形光纤和所述第二空芯球形光纤的球形直径为150～190μm，所述第一空芯球形光纤和所述第二空芯球形光纤的纤芯直径为130～170μm。
其中，所述中段连接光纤的长度为1～5cm。
本发明提供的一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，将由第一连接光纤、第一空芯球形光纤、中段连接光纤、第二空芯球形光纤和第二连接光纤熔接形成的光纤放置在位移台和定位台上并将它们固定在载玻片上，通过应力调节器施加应力改变中段连接光纤长度以及第一空芯球形光纤和第二空芯球形光纤的球形直径，借助光谱分析仪可以观察到相应的透射谱。另外，将上述光纤放入凹槽中注入不同浓度的折射率溶液，通过光谱分析仪观察折射率的变化。
当传输信号幅度达到其信号的最小值即波谷时，相应位置满足π的奇数倍，即
对(1)式中的λ，求导数可得
|Δλ|＝λ2/LΔ (2)
由(2)式可知，在该干涉型滤波器的传输谱中，相邻波谷的波长间隔与中心波长、球形直径、纤芯和包层的有效折射率差有关。
当光纤受到轴向应力作用时，其长度和空芯球直径会发生微小变化。因为掺锗石英纤芯的弹光系数大于纯石英构成的包层的弹光系数，所以纤芯和包层之间的有效折射率差减小。此时，传输谱线也会受到影响。则输出波长的变化量可以表示为
式中ν为光纤的泊松系数，pe为有效弹光系数，ε为单位长度的形变量。从(3)式可以看出，当施加轴向应力时，透射光谱曲线会向发生偏移。
由于周围液体折射率变化对纤芯模式的有效折射率的变化不产生影响，所以将作为常数可以得到：
其中，na是周围液体折射率变化量，是包层模式的有效折射率，可以看出随着外界折射率的变化，干涉光谱的波长与成线性关系，外界折射率na的变化会改变包层有效折射率在折射率实验中，观察到谐振波谷的波长漂移是理论可行的。
宽带光源发出的光通过第一连接光纤纤芯模式输入，经过第一空芯球形光纤时，激发输入光的高阶包层模，在中段光纤中可以同时激发纤芯模和包层模，纤芯模和包层模经过第二空芯球形光纤熔接点时耦合发生干涉，包层模被耦合到第二连接光纤纤芯中，与纤芯模发生干涉。当施加的应力时，中段光纤的长度和第一空芯球形光纤及第二空芯球形光纤的空芯球直径发生改变，同时光纤传感器进入不同浓度的折射率溶液中时，折射率发生改变，因此可以用实现对应力和折射率的测量。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，基于高灵敏度空芯球结构的应力与折射率光纤传感方法，采用单模光纤，取材方便，价格低廉。这种光纤结构能够抵抗的拉力更大，同时也增大了应力测量的范围。由光纤包层模、纤芯模进行干涉产生对应力的敏感特性，当光纤的应力改变时，导致光纤的长度和空芯球直径都发生改变，透射光谱曲线发生偏移，当光纤传感器进入不同浓度的折射率溶液中时，折射率发生改变。本发明提供的传感器在光纤应力与折射率传感方面具有巨大的商业应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1～5提供的传感器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1～5提供的传感器中光纤结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的传感器的光谱图；
附图中附图标记所对应的名称为：1-宽带光源，2-第一连接光纤，3-第一空芯球形光纤，4-中段连接光纤，5-第二空芯球形光纤，6-第二连接光纤，7-光谱分析仪。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、第一空芯球形光纤3、中段连接光纤4、第二空芯球形光纤5、第二连接光纤6和光谱分析仪7；所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述第一空芯球形光纤3、所述中段连接光纤4、所述第二空芯球形光纤5、所述第二连接光纤6和所述光谱分析仪7依次连接；所述第一空芯球光纤3和所述第二空芯球光纤5是通过将光纤升温膨胀为气泡而形成的空芯球，所述第一空芯球形光纤3和所述第二空芯球形光纤5的球形直径均为160μm，纤芯直径均为140μm，所述中段连接光纤4的长度为2cm；所述第一连接光纤2、中段连接光纤4和第二连接光纤6均为单模光纤，所述第一空芯球形光纤3和第二空芯球形光纤5均由单模光纤制备得到。
所述传感器通过以下方法制备得到：
A、分别取两段单模光纤进行升温膨胀为气泡形成空芯球形结构，制备得到与第一连接光纤2连接的第一空芯球形光纤3和与第二连接光纤6连接的第二空芯球形光纤5，所述第一空芯球形光纤3和所述第二空芯球形光纤5的球形直径均为160μm，纤芯直径均为140μm；再取一段单模光纤作为中段连接光纤4，所述中段连接光纤4的长度为2cm；将所述第一空芯球形光纤3和所述第二空芯球形光纤5分别与所述中段连接光纤4进行熔接；
B、将所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤6与光谱分析仪7连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、所述第一空芯球形光纤3、所述中段连接光纤4、所述第二空芯球形光纤5和所述第二连接光纤6，到达光谱分析仪7。
为了验证本发明提供的传感器的实用效果，选取包层为80μm，纤芯为8μm的单模光纤制备成空芯球形光纤，如图3所示，选取1200nm和1400nm附近的波谷，并选取a峰作为参考点，分别观察应力和折射率的响应特性。随着外界应变增大，光纤长度和空芯球直径发生改变，从而导致透射谱发生红移，同时当光纤传感器进入不同浓度的折射率溶液中时，折射率发生改变，也会使透射谱发生红移。由此可知，本发明提供的传感器可以实现对应力与折射率的测量。
实施例2
本发明提供了一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、第一空芯球形光纤3、中段连接光纤4、第二空芯球形光纤5、第二连接光纤6和光谱分析仪7；所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述第一空芯球形光纤3、所述中段连接光纤4、所述第二空芯球形光纤5、所述第二连接光纤6和所述光谱分析仪7依次连接；所述第一空芯球光纤3和所述第二空芯球光纤5是通过将光纤升温膨胀为气泡而形成的空芯球，所述第一空芯球形光纤3和所述第二空芯球形光纤5的球形直径均为170μm，纤芯直径均为150μm，所述中段连接光纤4的长度为3cm；所述第一连接光纤2、中段连接光纤4和第二连接光纤6均为单模光纤，所述第一空芯球形光纤3和第二空芯球形光纤5均由单模光纤制备得到。
所述传感器通过以下方法制备得到：
A、分别取两段单模光纤进行升温膨胀为气泡形成空芯球形结构，制备得到与第一连接光纤2连接的第一空芯球形光纤3和与第二连接光纤6连接的第二空芯球形光纤5，所述第一空芯球形光纤3和所述第二空芯球形光纤5的球形直径均为170μm，纤芯直径均为150μm；再取一段单模光纤作为中段连接光纤4，所述中段连接光纤4的长度为3cm；将所述第一空芯球形光纤3和所述第二空芯球形光纤5分别与所述中段连接光纤4进行熔接；
B、将所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤6与光谱分析仪7连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、所述第一空芯球形光纤3、所述中段连接光纤4、所述第二空芯球形光纤5和所述第二连接光纤6，到达光谱分析仪7。
实施例3
本发明提供了一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、第一空芯球形光纤3、中段连接光纤4、第二空芯球形光纤5、第二连接光纤6和光谱分析仪7；所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述第一空芯球形光纤3、所述中段连接光纤4、所述第二空芯球形光纤5、所述第二连接光纤6和所述光谱分析仪7依次连接；所述第一空芯球光纤3和所述第二空芯球光纤5是通过将光纤升温膨胀为气泡而形成的空芯球，所述第一空芯球形光纤3和所述第二空芯球形光纤5的球形直径均为180μm，纤芯直径均为160μm，所述中段连接光纤4的长度为4cm；所述第一连接光纤2、中段连接光纤4和第二连接光纤6均为单模光纤，所述第一空芯球形光纤3和第二空芯球形光纤5均由单模光纤制备得到。
所述传感器通过以下方法制备得到：
A、分别取两段单模光纤进行升温膨胀为气泡形成空芯球形结构，制备得到与第一连接光纤2连接的第一空芯球形光纤3和与第二连接光纤6连接的第二空芯球形光纤5，所述第一空芯球形光纤3和所述第二空芯球形光纤5的球形直径均为180μm，纤芯直径均为160μm；再取一段单模光纤作为中段连接光纤4，所述中段连接光纤4的长度为4cm；将所述第一空芯球形光纤3和所述第二空芯球形光纤5分别与所述中段连接光纤4进行熔接；
B、将所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤6与光谱分析仪7连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、所述第一空芯球形光纤3、所述中段连接光纤4、所述第二空芯球形光纤5和所述第二连接光纤6，到达光谱分析仪7。
实施例4
本发明提供了一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、第一空芯球形光纤3、中段连接光纤4、第二空芯球形光纤5、第二连接光纤6和光谱分析仪7；所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述第一空芯球形光纤3、所述中段连接光纤4、所述第二空芯球形光纤5、所述第二连接光纤6和所述光谱分析仪7依次连接；所述第一空芯球光纤3和所述第二空芯球光纤5是通过将光纤升温膨胀为气泡而形成的空芯球，所述第一空芯球形光纤3的球形直径为155μm，纤芯直径为135μm，所述第二空芯球形光纤5的球形直径为165μm，纤芯直径为145μm，所述中段连接光纤4的长度为3.5cm；所述第一连接光纤2、中段连接光纤4和第二连接光纤6均为单模光纤，所述第一空芯球形光纤3和第二空芯球形光纤5均由单模光纤制备得到。
所述传感器通过以下方法制备得到：
A、分别取两段单模光纤进行升温膨胀为气泡形成空芯球形结构，制备得到与第一连接光纤2连接的第一空芯球形光纤3和与第二连接光纤6连接的第二空芯球形光纤5，所述第一空芯球形光纤3的球形直径为155μm，纤芯直径为135μm，所述第二空芯球形光纤5的球形直径为165μm，纤芯直径为145μm；再取一段单模光纤作为中段连接光纤4，所述中段连接光纤4的长度为3.5cm；将所述第一空芯球形光纤3和所述第二空芯球形光纤5分别与所述中段连接光纤4进行熔接；
B、将所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤6与光谱分析仪7连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、所述第一空芯球形光纤3、所述中段连接光纤4、所述第二空芯球形光纤5和所述第二连接光纤6，到达光谱分析仪7。
实施例5
本发明提供了一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，所述传感器包括宽带光源1、第一连接光纤2、第一空芯球形光纤3、中段连接光纤4、第二空芯球形光纤5、第二连接光纤6和光谱分析仪7；所述宽带光源1、所述第一连接光纤2、所述第一空芯球形光纤3、所述中段连接光纤4、所述第二空芯球形光纤5、所述第二连接光纤6和所述光谱分析仪7依次连接；所述第一空芯球光纤3和所述第二空芯球光纤5是通过将光纤升温膨胀为气泡而形成的空芯球，所述第一空芯球形光纤3的球形直径为175μm，纤芯直径为155μm，所述第二空芯球形光纤5的球形直径为160μm，纤芯直径为140μm，所述中段连接光纤4的长度为4.5cm；所述第一连接光纤2、中段连接光纤4和第二连接光纤6均为单模光纤，所述第一空芯球形光纤3和第二空芯球形光纤5均由单模光纤制备得到。
所述传感器通过以下方法制备得到：
A、分别取两段单模光纤进行升温膨胀为气泡形成空芯球形结构，制备得到与第一连接光纤2连接的第一空芯球形光纤3和与第二连接光纤6连接的第二空芯球形光纤5，所述第一空芯球形光纤3的球形直径为175μm，纤芯直径为155μm，所述第二空芯球形光纤5的球形直径为160μm，纤芯直径为140μm；再取一段单模光纤作为中段连接光纤4，所述中段连接光纤4的长度为4.5cm；将所述第一空芯球形光纤3和所述第二空芯球形光纤5分别与所述中段连接光纤4进行熔接；
B、将所述第一连接光纤2与宽带光源1连接，所述第二连接光纤6与光谱分析仪7连接，使所述宽带光源1发出的光依次通过所述第一连接光纤2、所述第一空芯球形光纤3、所述中段连接光纤4、所述第二空芯球形光纤5和所述第二连接光纤6，到达光谱分析仪7。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，其特征在于：所述传感器包括宽带光源、第一连接光纤、第一空芯球形光纤、中段连接光纤、第二空芯球形光纤、第二连接光纤和光谱分析仪；所述宽带光源、所述第一连接光纤、所述第一空芯球形光纤、所述中段连接光纤、所述第二空芯球形光纤、所述第二连接光纤和所述光谱分析仪依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，其特征在于：所述第一空芯球光纤和所述第二空芯球光纤是通过将光纤升温膨胀为气泡而形成的空芯球。
3.根据权利要求1所述的一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，其特征在于：所述第一空芯球形光纤和所述第二空芯球形光纤的球形直径为150~190μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，其特征在于：所述第一空芯球形光纤和所述第二空芯球形光纤的纤芯直径为130~170μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，其特征在于：所述中段连接光纤的长度为1~5cm。
6.根据权利要求1~5中任意一项权利要求所述的一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，其特征在于：所述第一连接光纤、所述第二连接光纤和所述中段连接光纤均为单模光纤。
7.根据权利要求1~5中任意一项权利要求所述的一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器，其特征在于：所述第一空芯球形光纤和所述第二空心球形光纤均由单模光纤制备得到。
8.一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、分别取两段单模光纤进行升温膨胀为气泡形成空芯球形结构，制备得到与第一连接光纤连接的第一空芯球形光纤和与第二连接光纤连接的第二空芯球形光纤，再取一段单模光纤作为中段连接光纤，将所述第一空芯球形光纤和所述第二空芯球形光纤分别与所述中段连接光纤进行熔接；
B、将所述第一连接光纤与宽带光源连接，所述第二连接光纤与光谱分析仪连接，使所述宽带光源发出的光依次通过所述第一连接光纤、所述第一空芯球形光纤、所述中段连接光纤、所述第二空芯球形光纤和所述第二连接光纤，到达光谱分析仪。
9.根据权利要求8所述的一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器的制作方法，其特征在于：所述第一空芯球形光纤和所述第二空芯球形光纤的球形直径为150~190μm，所述第一空芯球形光纤和所述第二空芯球形光纤的纤芯直径为130~170μm。
10.根据权利要求8所述的一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器的制作方法，其特征在于：所述中段连接光纤的长度为1~5cm。
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