CN108680275A - 基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器 - Google Patents
基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108680275A CN108680275A CN201810455719.2A CN201810455719A CN108680275A CN 108680275 A CN108680275 A CN 108680275A CN 201810455719 A CN201810455719 A CN 201810455719A CN 108680275 A CN108680275 A CN 108680275A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical
- fibre
- circulator
- probe
- fiber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 238000003466 welding Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 230000004927 fusion Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical group [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 abstract description 26
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000003938 response to stress Effects 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
- G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器，宽带光源通过单模光纤连接循环器，循环器通过单模光纤分别连接应力调节器上面的光纤探头和所述光谱分析仪；将单模光纤进行错位熔接，并在其端面上镀上反射层，再将错位熔接点的光纤探头固定放置在应力调节器上，宽带光源通过循环器进入光纤探头，然后反射光反射形成M‑Z干涉效果，再次通过循环器，并通过光谱分析仪观察光谱，以监测和记录反射层的反射光谱变化。本发明光纤传感器灵敏度高，可以作为探头直接插入待测物体或溶液当中，更方便检测。本发明采用单模光纤，取材方便，价格低廉。灵敏度高，低成本和简单的结构化测量装置具有巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明是属于光纤传感领域，尤其涉及到利用错位结构实现温度与应力传感技术，具体涉及一种基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器。
背景技术
在过去的几十年里，随着光纤通信和光电技术的迅速发展，光纤传感技术也得到了比较全面的发展。光纤传感器以其体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、可弯曲扭曲、及进行点式和分布式测量等优点而在建筑工程、电力工业、航天航海、医学和化学等领域得到广泛的应用。美国最早研究出了光纤陀螺仪、水声器、磁强计等光纤传感系统和用于核辐射监测的光纤传感器。日本、英国、法国和德国等许多国家也纷纷积极参与了光纤传感器的研究竞争中。目前，光纤传感器已经从军事上到民用上都得到了广泛的应用。
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，马赫曾德尔干涉仪(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。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种传感器，由光纤包层模、纤芯模进行干涉产生对温度与应力的敏感特性，实现对温度与应力的测量。
本发明采用以下技术方案实现上述目的：基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器，包括宽带光源和光谱分析仪，所述宽带光源通过单模光纤连接循环器，循环器通过单模光纤分别连接应力调节器上面的光纤探头和所述光谱分析仪；
将单模光纤进行错位熔接，并在其端面上镀上反射层，再将错位熔接点的光纤探头固定放置在应力调节器上，宽带光源通过循环器进入光纤探头，然后反射光反射形成M-Z干涉效果，再次通过循环器，并通过光谱分析仪观察光谱，以监测和记录反射层的反射光谱变化。
进一步，所述错位熔接的偏移量为4μm-8μm。
进一步，所述光纤探头的长度是错位熔接点到其端面反射层的距离为1-3cm。
进一步，所述反射层为金、银或铝镀层。
本发明采用单模光纤，取材方便，价格低廉。反射层不仅有利于增强反射，还用于保护光纤端面免受污染。这种光纤结构能够抵抗更大的拉力，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，提高对温度与应力的敏感特性，在温度变化时光纤膨胀，同时光纤直径随之发生改变，且当施加应力时，导致光纤长度发生改变，从而导致透射谱发生变化，实现对温度与应力的测量。本发明新型的M-Z光纤探头式传感器比传统的M-Z光纤传感器灵敏度更高，可以作为探头直接插入待测物体或溶液当中，更方便检测。本发明可应用于化学和生物传感领域。同时在光纤温度与应力传感方面具有巨大的应用前景。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中光纤内的光结构图；
图3是本发明的透射光谱曲线图；
图中：1.宽带光源，2.光谱分析仪，3.单模光纤，4.循环器，5.光纤探头，6.应力调节器；01.左段光纤，02.错位熔接点，03.右段光纤，04.反射层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，参见图1至图2，基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器，包括宽带光源1和光谱分析仪2，所述宽带光源1通过单模光纤3连接循环器4，循环器4通过单模光纤3分别连接应力调节器6上面的光纤探头5和所述光谱分析仪2；将单模光纤3进行错位熔接，并在其端面上镀上反射层04，再将错位熔接点02的光纤探头5固定放置在应力调节器6上，宽带光源1通过循环器4进入光纤探头5，然后反射光反射形成M-Z干涉效果，再次通过循环器4，并通过光谱分析仪2观察光谱，以监测和记录反射层04的反射光谱变化。所述单模光纤3为任意单模光纤。所述错位熔接的偏移量为4μm-8μm。所述光纤探头5长度L是错位熔接点到其端面反射层04的距离为1-3cm，所述反射层04为金、银或铝镀层。
本发明将熔接好的光纤探头5固定放置在应力调节器6上，然后光通过循环器4进入光纤探头5，然后反射光再次通过循环器4，并通过光谱分析仪2观察光谱，以监测和记录反射光谱变化。在光纤探头5中发生光干涉，在光纤M-Z的情况下，由反射光产生的第二干涉仅考虑纤芯模式，因为光纤尾纤足够长以衰减包层模能量。首先，输入光通过光纤传播，经过错位熔接点02激发包层模，输出端总光强为：
其中：I1和I2是纤芯模和包层模的光强度，ΔΦ是它们之间的相位差。ΔΦ＝2πΔneffLeff/λ，其中Δneff是纤芯与包层模之间的有效折射率差，Leff是光纤探头5干涉仪的有效长度，λ是输入光波长。
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(2)式中的λ，求导数可得：
|Δλ|＝λ2/LΔn (3)
由(3)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、纤芯和包层的有效折射率差有关。
当单模光纤3受到轴向应力作用时，其长度会发生微小变化。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：v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。
当温度变化时，对公式温度求偏导，可以得到温度变化对传感器的影响被表达为：
式中，T是温度的变化量，根据公式(5)我们可以得到温度-波长公式：
式中是M-Z传感器的热光系数，是传感器的热膨胀系数，可以从公式(6)看出传感器光谱的波长变化与温度变化之间的关系是线性的，可以用提出的M-Z传感器做温度传感。
如图2所示，宽带光:1在左段光纤01纤芯模式输入至右段光纤03，经过错位熔接点02时，激发输入光的包层模，经过反射层04反射后，再次经过错位熔接点02时包层模与纤芯模耦合发生干涉。利用温度变化时光纤膨胀光纤直径也随之改变，同时当施加应力时，也会导致光纤长度发生改变。从而导致透射谱发生变化，实现对温度与应力的测量。
如图3所示,a峰干涉消光比较好,FSR合适,损耗较低。选取1535nm和1567nm附近的波谷,选取图中a峰作为参考点，分别观察温度和应力的响应特性。当单模光纤3周围相对温度变化时和单模光纤3受应力影响时，其长度和直径会发生变化，同时透射光谱也会按图方向红移，从而达到温度和应力的测量目的。
本发明将单模光纤3进行错位熔接，在其端面反射层04的反射形成M-Z干涉效果，输入宽带光源1在经过错位熔接点02时，激发输入光的包层模，包层模和纤芯模均在光纤探头5中传输，经过反射层04反射后，再次经过错位熔接点02时包层模与纤芯模耦合发生干涉。在周围温度变化时光纤膨胀，同时光纤直径随之改变，且当施加应力时，导致光纤长度发生改变，从而导致透射谱发生变化，实现对温度与应力的测量。
Claims (4)
1.基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器，包括宽带光源和光谱分析仪，其特征在于，所述宽带光源通过单模光纤连接循环器，循环器通过单模光纤分别连接应力调节器上面的光纤探头和所述光谱分析仪；
将单模光纤进行错位熔接，并在其端面上镀上反射层，再将错位熔接点的光纤探头固定放置在应力调节器上，宽带光源通过循环器进入光纤探头，然后反射光反射形成M-Z干涉效果，再次通过循环器，并通过光谱分析仪观察光谱，以监测和记录反射层的反射光谱变化。
2.根据权利要求1所述的基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器，其特征在于，所述错位熔接的偏移量为。
3.根据权利要求1所述的基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器，其特征在于，所述光纤探头的长度是错位熔接点到其端面反射层的距离为1-3cm。
4.根据权利要求1所述的基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器，其特征在于，所述反射层为金、银或铝镀层。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810455719.2A CN108680275A (zh) | 2018-05-14 | 2018-05-14 | 基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810455719.2A CN108680275A (zh) | 2018-05-14 | 2018-05-14 | 基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108680275A true CN108680275A (zh) | 2018-10-19 |
Family
ID=63806443
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810455719.2A Pending CN108680275A (zh) | 2018-05-14 | 2018-05-14 | 基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108680275A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109520968A (zh) * | 2019-01-16 | 2019-03-26 | 南昌航空大学 | 一种异常熔接结构的微纳光纤生物传感器 |
| CN111366134A (zh) * | 2020-03-18 | 2020-07-03 | 济南热力工程有限公司 | 一种井盖倾斜触发控制系统 |
| CN112147368A (zh) * | 2020-09-07 | 2020-12-29 | 桂林电子科技大学 | 一种反射式光纤加速度测量装置 |
| CN112666503A (zh) * | 2021-01-07 | 2021-04-16 | 南京信息工程大学 | 一种并行双m-z光纤磁传感装置及其制作方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6284089B1 (en) * | 1997-12-23 | 2001-09-04 | The Boeing Company | Thermoplastic seam welds |
| CN103822666A (zh) * | 2014-03-03 | 2014-05-28 | 中南林业科技大学 | 基于长周期光纤光栅和马赫-曾德干涉仪的多参量传感器 |
| CN203672771U (zh) * | 2014-01-07 | 2014-06-25 | 中国计量学院 | 一种基于错位熔接的光纤湿度传感器 |
| CN104236602A (zh) * | 2014-09-26 | 2014-12-24 | 安徽大学 | 一种可同时测量温度和湿度的全光纤传感器 |
-
2018
- 2018-05-14 CN CN201810455719.2A patent/CN108680275A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6284089B1 (en) * | 1997-12-23 | 2001-09-04 | The Boeing Company | Thermoplastic seam welds |
| CN203672771U (zh) * | 2014-01-07 | 2014-06-25 | 中国计量学院 | 一种基于错位熔接的光纤湿度传感器 |
| CN103822666A (zh) * | 2014-03-03 | 2014-05-28 | 中南林业科技大学 | 基于长周期光纤光栅和马赫-曾德干涉仪的多参量传感器 |
| CN104236602A (zh) * | 2014-09-26 | 2014-12-24 | 安徽大学 | 一种可同时测量温度和湿度的全光纤传感器 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109520968A (zh) * | 2019-01-16 | 2019-03-26 | 南昌航空大学 | 一种异常熔接结构的微纳光纤生物传感器 |
| CN111366134A (zh) * | 2020-03-18 | 2020-07-03 | 济南热力工程有限公司 | 一种井盖倾斜触发控制系统 |
| CN112147368A (zh) * | 2020-09-07 | 2020-12-29 | 桂林电子科技大学 | 一种反射式光纤加速度测量装置 |
| CN112666503A (zh) * | 2021-01-07 | 2021-04-16 | 南京信息工程大学 | 一种并行双m-z光纤磁传感装置及其制作方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108680275A (zh) | 基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器 | |
| EP3551963B1 (en) | Waveguide interferometer | |
| Tong et al. | Simultaneous measurement of temperature and relative humidity by compact Mach-Zehnder interferometer and Fabry-Perot interferometer | |
| Alvarez-Herrero et al. | High-sensitivity sensor of low relative humidity based on overlay on side-polished fibers | |
| CN110057389B (zh) | 基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器 | |
| Wang et al. | Comparative analyses of bi-tapered fiber Mach–Zehnder interferometer for refractive index sensing | |
| CN103852191B (zh) | 一种折射率不敏感的光纤温度传感器 | |
| CN106568466A (zh) | 细芯微结构光纤干涉仪传感器及其温度、应变检测方法 | |
| Zhang et al. | Simultaneous measurement of refractive index and temperature by Mach–Zehnder cascaded with FBG sensor based on multi-core microfiber | |
| CN107101951A (zh) | 一种用于氢气浓度和温度同时测量的光纤传感器 | |
| CN108195485A (zh) | 基于lpfg与mz级联测量温度与应变的双参数传感器及其制备方法 | |
| CN108132067A (zh) | 一种无源温度补偿的保偏光纤干涉仪及其补偿方法 | |
| CN106768049A (zh) | 一种基于马赫‑曾德干涉仪的温度与折射率同步测量的光纤传感器 | |
| Kong et al. | Micro-lab on tip: High-performance dual-channel surface plasmon resonance sensor integrated on fiber-optic end facet | |
| CN112525373A (zh) | 一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置 | |
| CN113340849A (zh) | 聚乙烯醇增敏马赫-曾德干涉湿度和温度同时测量传感器 | |
| Liu et al. | Review of fiber mechanical and thermal multi-parameter measurement technologies and instrumentation | |
| CN109374027A (zh) | 一种基于高双折射微纳光纤的Sagnac双参量光纤传感器 | |
| CN108645444A (zh) | 基于单个球形熔接的光纤探头式的温度与应力传感器 | |
| Chen et al. | Femtosecond laser-inscribed fiber-optic sensor for simultaneous temperature and relative humidity measurements | |
| CN108534931A (zh) | 一种基于空芯球形结构光纤的应力和折射率传感器 | |
| CN105806511B (zh) | 基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器 | |
| CN108279079B (zh) | 一种基于无芯光纤径向大错位结构涂覆聚二甲基硅氧烷的点式温度传感装置 | |
| CN205958141U (zh) | 基于微纳长周期光纤光栅传感器的温度检测装置 | |
| Zhang et al. | Optic-fiber temperature sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20181019 |