CN108917800A - 无芯光纤混合传感器及实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无芯光纤混合传感器及实验系统，该无芯光纤混合传感实验系统包括：无芯光纤混合传感器、宽带光源、光谱仪及耦合器；无芯光纤混合传感器包括：Michelson光纤传感器及F‑P腔结构，Michelson光纤传感器与F‑P腔结构级联；F‑P腔结构包括：两段单模光纤及一段无芯光纤，无芯光纤熔接至两段单模光纤之间，并且熔接点处形成菲涅尔反射膜；宽带光源发出的光通过耦合器进入Michelson光纤传感器，一部分光在Michelson光纤传感器的包层中传播，被F‑P腔结构的菲涅尔反射膜反射回Michelson光纤传感器的纤芯中，与另一部分在Michelson光纤传感器的纤芯中传播的光发射干涉后返回光谱仪中。本发明利用光纤模式干涉的滤波和传感特性，解决了不同参数之间的串扰问题。
Description
技术领域
本发明是关于光纤传感器技术领域，特别是关于一种无芯光纤混合传感器及实验系统。
背景技术
大坝在使用过程中在复杂荷载的长期作用下、随着材料老化，大坝结构的抗力衰减，在极端工况下会发生灾难性事故，严重危害人民生命财产和安全。近年来，随着国内外特高坝如小湾、锦屏二级、溪洛渡等特大水利工程的兴建，为了保障大坝结构的安全性、完整性、适用性和耐久性，已经建成的许多重大工程结构和基础设施急需采用有效的手段检测和评定其安全状况、修复和控制损伤，对各种原因造成的损害进行提前预警，以监测结构的服役安全状况，并为研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的方法。为了有效地监测大坝服役状况以及对其结构损伤进行识别，需要对各种物理参数(位移、裂缝、温度、应力应变、渗流等)的进行测量。在水利工程中，大部分大坝安全监测系统都采用电测系统，如电阻应变计、振弦式应变传感器等，这些监测仪器存在抗干扰能力弱，长期运行稳定性差、误差较大等问题。
随着光纤传感器技术的发展，其在水利工程中也有小范围的应用。光纤传感器最早是在1979年由美国航空航天局埋入符合材料内部，监测其应变和温度，之后，光纤传感器在飞行领域和复合材料研究领域越来越成熟。光纤光栅传感器(FBG)具有抗电磁干扰、结构简单、测量精度高、长期稳定性好等优势，可以实现实时、在线监测等优点，在传感器领域中得到了广泛的应用。由光栅传感器制成的分布式光纤传感器利用光纤光栅传感制成的分布式应变、温度传感器用于水电站大坝温度、裂缝、应变等测量，分布式光纤传感器可沿空间位置连续给出某一参量测量值。然而，虽然FBG传感器有很多优点，但存在埋入传感器存活率问题，并且在大坝运行过程中，为了实现FGB温度补偿及增敏等功能，在光纤外还需加由不锈钢、陶瓷等材料制成的保护层，成本大大提高。另外，FBG的传感信息采用波长编码，检测FBG中心波长是FBG传感器面临的关键问题，在编码解调过程中，虽然可以使用光谱仪，但解调价格偏高。为此，人们提出了许多解调方法，但各自有其优缺点，存在稳定性差，受环境因素的变化导致光源的扰动影响相位的变化等不足。FBG最显著的特点是温度和应变的交叉敏感，导致双参数测量在实际应用中误差较大。
发明内容
本发明实施例提供了一种无芯光纤混合传感器及实验系统，以解决了不同参数之间的串扰问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种无芯光纤混合传感器，包括：Michelson光纤传感器及F-P腔结构，所述Michelson光纤传感器与所述F-P腔结构级联；其中，
所述F-P腔结构包括：两段单模光纤及一段无芯光纤，所述无芯光纤熔接至两段所述单模光纤之间，并且熔接点处形成菲涅尔反射膜；
宽带光源发出的光一部分在所述Michelson光纤传感器的包层中传播，被所述F-P腔结构的菲涅尔反射膜反射回所述Michelson光纤传感器的纤芯中，与另一部分在所述Michelson光纤传感器的纤芯中传播的光发射干涉。
一实施例中，所述Michelson光纤传感器包括一球状结构，所述F-P腔结构设置所述球状结构后。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种无芯光纤混合传感实验系统，包括：无芯光纤混合传感器、宽带光源、光谱仪及耦合器；
所述无芯光纤混合传感器包括：Michelson光纤传感器及F-P腔结构，所述Michelson光纤传感器与所述F-P腔结构级联；其中，
所述F-P腔结构包括：两段单模光纤及一段无芯光纤，所述无芯光纤熔接至两段所述单模光纤之间，并且熔接点处形成菲涅尔反射膜；
宽带光源发出的光通过所述耦合器进入所述Michelson光纤传感器，一部分光在所述Michelson光纤传感器的包层中传播，被所述F-P腔结构的菲涅尔反射膜反射回所述Michelson光纤传感器的纤芯中，与另一部分在所述Michelson光纤传感器的纤芯中传播的光发射干涉后返回所述光谱仪中。
一实施例中，所述Michelson光纤传感器包括一球状结构，所述F-P腔结构设置所述球状结构后。
本发明利用光纤模式干涉的滤波和传感特性，解决了不同参数之间的串扰问题，实现了双参量测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所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例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明实施例的无芯光纤混合传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例的F-P腔结构的结构示意图；
图3为本发明实施例的无芯光纤混合传感实验系统的结构示意图；
图4为本发明实施例的温度测值过程线示意图；
图5为本发明实施例的应变测值过程线示意图。
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。
外腔式光纤Fabry-Perot传感器(简称F-P传感器)由单模—无芯—单模构成F-P腔，相对于FBG，具有很多优势：F-P传感器不是基于紫外光折射率调制的原理，能承受更高的温度，对温度的交叉敏感远远小于FBG传感器，在温度变化比较平稳时，可以忽略温度对其的影响；另外，F-P传感器测得腔长后可以直接得到应变量，而FBG需要做标定来找出应变和波长的关系；并且，F-P传感器可以使用普通的通信关系制作，成本降低，实际工程应用的普及范围大大提高。本发明基于F-P传感器原理制作的无芯光纤混合传感器可以实现应变温度双参数测量。由于F-P光纤传感器对应变敏感对温度不敏感，Michelson光纤传感器对温度敏感对应变不敏感，将Michelson光纤传感器与F-P级联构成混合传感器，可以进行双参量测量。将单模—无芯—单模构成的F-P腔结构置于Michelson光纤传感器球状结构后，利用F-P腔的反射面作为Michelson干涉仪的反射面，从而构成无心光纤混合传感器。
图1为本发明实施例的无芯光纤混合传感器的结构示意图，如图1所示，该芯光纤混合传感器包括：Michelson光纤传感器101及F-P腔结构102，该Michelson光纤传感器101与F-P腔结构102级联。
图2为本发明实施例的F-P腔结构的结构示意图，如图2所示，F-P腔结构102包括：两段单模光纤(SMS)及一段无芯光纤(NCF)。无芯光纤202熔接在两段单模光纤202之间，无芯光纤202熔接与两端的单模光纤201的熔接点处形成菲涅尔反射膜，从而形成了微结构法珀腔，使用熔接方法制作的F-P腔结构损耗较小，且反射率较低。
相比于传统的光纤光栅传感器，F-P腔结构102的无芯光纤结构本身没有包层，使得光波导直接以外界环境作为包层，因此其对外界环境的感应灵敏度较高，在温度、应力、曲率、折射率传感等方面具有非常好的应用潜力。另外，无芯光纤结构为多模干涉结构，只有一个低损耗峰，多个峰值波长对温度的响应是一致的，使得信号处理端对波长漂移的监测更有利。
无芯光纤(F-P腔结构)作为波导时，与外界环境一起构成了两层圆光波导结构，是一种包层不稳定的特殊结构多模圆光波导。将无芯光纤两端与普通单模光纤相熔接后，利用其模场高度失配激发效率高的特点形成模式的耦合。无芯光纤内会激发出不同阶的模式，这些模式的光在出射熔接点处被重新耦合回图1右边的单模光纤纤芯中。不同阶模式的光在相同长度的无芯光纤中传输，它们的有效折射率不同，在重新耦合到单模光纤纤芯内时相遇而发生干涉。利用单模光纤中的光耦合进无芯光纤激发出的多种模式在重新耦合进单模光纤时产生的干涉图谱，可以实现参量的传感。
图2所示F-P腔的干涉原理如下：
入射光ψs(r)一般近似为归一化高斯光束，为：
式中，高斯模场半径ωs为：
式中，r为反射系数，as为单模光纤半径；Vs为单模光纤归一化频率；k0为真空中波束；ns_core为ns_clad为单模光纤纤芯和包层折射率。
若无芯光纤中第n阶的模式场分布为ψn(r)，忽略无芯光纤的辐射模式，则无芯光纤的总场分布为：
则激发系数为：
式中，aM为无芯光纤半径；An为积分常数；Un和Wn分别表示纤芯和包层的横向归一化传输常数。
输出无芯光纤和输入模式完全相同，其模式场分布可用式(1)表示，在此不再赘述。
由上述分析可知，使用熔接方法制作的F-P腔结构简单，光纤熔接工艺对光的传输损耗小。
宽带光源及光谱仪通过耦合器连接至无芯光纤混合传感器，宽带光源发出的光通过耦合器进入Michelson光纤传感器，一部分光在Michelson光纤传感器的包层中继续传播，被F-P腔结构的菲涅尔反射膜反射回Michelson光纤传感器的纤芯中，与另一部分在Michelson光纤传感器的纤芯中传播的光发射干涉后返回所述光谱仪中。
F-P腔结构存在两个菲涅尔反射膜，在Michelson光纤传感器的包层中继续传播的光首先到达F-P腔的第一个反射面(左边的反射面)，一部分光被第一个反射面反射回去，透过的光到达F-P腔的第二个反射面(右边的反射面)，又一部分光被第二个反射面反射到光纤中，然后经过球状结构，在包层中传输的光重新耦合，与在纤芯中传播的光发生干涉，外界温度和应变使干涉谱线发生变化，根据干涉谱线的变化可以得到温度和应变值。
图3为本发明实施例的无芯光纤混合传感实验系统的结构示意图，如图3所示，无芯光纤混合传感实验系统包括：无芯光纤混合传感器、宽带光源、光谱仪及耦合器。
如图1所示，无芯光纤混合传感器包括：Michelson光纤传感器及F-P腔结构，所述Michelson光纤传感器与所述F-P腔结构级联。
如图2所示，F-P腔结构包括：两段单模光纤(SMS)及一段无芯光纤(NCF)。无芯光纤202熔接在两段单模光纤202之间，无芯光纤202熔接与两端的单模光纤201的熔接点处形成菲涅尔反射膜，从而形成了微结构法珀腔，使用熔接方法制作的F-P腔结构损耗较小，且反射率较低。
如图1所示，Michelson光纤传感器可以包括一球状结构，F-P腔结构可以设置在球状结构后。光纤直径130μm，球状结构的直径为225μm。
宽带光源发出的光通过耦合器进入Michelson光纤传感器，一部分光在Michelson光纤传感器的包层中继续传播，被F-P腔结构的菲涅尔反射膜反射回Michelson光纤传感器的纤芯中，与另一部分在Michelson光纤传感器的纤芯中传播的光发射干涉后返回所述光谱仪中。
F-P腔结构存在两个菲涅尔反射膜，在Michelson光纤传感器的包层中继续传播的光首先到达F-P腔的第一个反射面(左边的反射面)，一部分光被第一个反射面反射回去，透过的光到达F-P腔的第二个反射面(右边的反射面)，又一部分光被第二个反射面反射到光纤中，然后经过球状结构，在包层中传输的光重新耦合，与在纤芯中传播的光发生干涉，外界温度和应变使干涉谱线发生变化，根据干涉谱线的变化可以得到温度和应变值。
上述待测物理量的温度和应变值会直接引起无芯光纤混合传感器中的传感光纤长度L发生变化。无芯光纤混合传感器对温度的灵敏度为：
式中，Δλ为波长变化量；ΔT为温度的变化量(℃)；α为光纤的热膨胀系数；ξcore为纤芯的热光系数；ξclad为包层的热光系数；Δnm为纤芯有效折射率和包层有效折射率之差；ncore为纤芯折射率；nclad为包层折射率。
由式(5)可以看出，无芯光纤混合传感器对温度的灵敏呈近似线性变化，激发的阶次越高、干涉波越长，对温度的灵敏度越高。
无芯光纤混合传感器对应变的灵敏度为：
式(6)中，Δε为应变的变化量。
下面结合具体的实施例说明无芯光纤混合传感器的温度特性和应变特性。
温度特性研究
将混合传感器固定在恒温板上，从20℃开始，每隔5℃记录一次波长漂移变化，一直加热到70℃，波长λ＝1520nm。得到传感器对温度的灵敏程度为20.23pm/℃。
应变特性研究
将无芯光纤混合传感器固定在光学位移平台上，宽带光源发出的光通过光纤经过耦合器入射到无芯光纤混合传感器，经过无芯光纤混合传感器反射形成的干涉波返回到光谱仪，移动光学位移平台，即拉伸固定在光学位移平台上的传感器探头，则光谱仪的谱线会发生变化。选取波长λ＝1520nm进行试验，对其进行线性拟合，得到应变的灵敏度为1.93pm/με，可见无芯光纤混合传感器的温度和应变灵敏度较高。
工程实例
根据实际需要，一般在混凝土面板坝的主、副监测断面沿不同高程布置应变计，对面板进行应变监测。考虑到面板坝夏季日照辐射高温，冬季寒冷，库水位骤升骤降等不利因素的影响，需对面板温度进行监测。在已安装振弦式应变计和温度计的某混凝土面板坝安装一支混合式传感器进行试验。坝顶高程174.50m，防浪墙顶高程175.10m，坝顶宽度8.0m，坝顶总长度665.0m，最大坝高64.5m，上、下游坝坡均为1:1.4。在高程155.63m处，安装无芯光纤混合传感器，测点名称为M_3，原位置处装有振弦式应变计S_3和温度计T_3，虽然振弦式应变计能同时测温度和应力，但限于精度问题和工程实际，目前都会同时安装应变计和温度计，以便于相互验证。
选取该测点2017年的监测数据进行验证。从图4可以看出，无芯光纤混合传感器M_3对于温度的感应比温度计T_3更为灵敏，在7月中旬达到最高温度41.24℃时，T_3测值误差较大，对于外界环境的适应度差。如图5所示，对于应变测值，面板高温季节出现受拉现象，应变为正值，低温季节出现受压现象，应变为负值。特别是在夏季温度较高时，面板受拉现象突出，应变值较大，应变计S_3测值存在滞后现象。
通过对无芯光纤混合传感器温度和应变灵敏度的测试，以及在实际工程中的试验，无芯光纤混合传感器能有效反应大坝运行状况，温度和应变规律符合实际运行情况，对环境的感应更为明显，精度较高，稳定性较好。
大坝运行过程中，需要实现应变和温度的双参数测量，而不同参数的交叉敏感性往往会引起较大的测量误差，F-P传感器对应变敏感，对温度不敏感，为了实现温度应力双参数监测，本发明利用F-P传感器的优点，将Michelson光纤传感器与F-P级联构成混合传感器，进行双参量测量。本发明利用新型光纤模式干涉仪的滤波和传感特性，实现多种结构新颖的光纤复合参数传感器，解决了不同参数之间的串扰问题。
采用无芯光纤(NCF)与单模光纤(SMS)相熔接形成F-P传感器腔，用此种方法制作的传感器损耗较小且反射率较低。
对于高寒地区的高混凝土坝，昼夜温差大，混合传感器具有长效稳定性，抗电磁干扰，实现温度和应变的同时测量，极具应用价值。在今后研究过程中，可研究基于本发明的混合光纤结构的折射率传感器，用于测量大坝坝体钢筋锈蚀情况。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种无芯光纤混合传感器，其特征在于，包括：Michelson光纤传感器及F-P腔结构，所述Michelson光纤传感器与所述F-P腔结构级联；其中，
所述F-P腔结构包括：两段单模光纤及一段无芯光纤，所述无芯光纤熔接至两段所述单模光纤之间，并且熔接点处形成菲涅尔反射膜；
宽带光源发出的光一部分在所述Michelson光纤传感器的包层中传播，被所述F-P腔结构的菲涅尔反射膜反射回所述Michelson光纤传感器的纤芯中，与另一部分在所述Michelson光纤传感器的纤芯中传播的光发射干涉。
2.根据权利要求1所述的无芯光纤混合传感器，其特征在于，所述Michelson光纤传感器包括一球状结构，所述F-P腔结构设置所述球状结构后。
3.一种无芯光纤混合传感实验系统，其特征在于，包括：无芯光纤混合传感器、宽带光源、光谱仪及耦合器；
所述无芯光纤混合传感器包括：Michelson光纤传感器及F-P腔结构，所述Michelson光纤传感器与所述F-P腔结构级联；其中，
所述F-P腔结构包括：两段单模光纤及一段无芯光纤，所述无芯光纤熔接至两段所述单模光纤之间，并且熔接点处形成菲涅尔反射膜；
宽带光源发出的光通过所述耦合器进入所述Michelson光纤传感器，一部分光在所述Michelson光纤传感器的包层中传播，被所述F-P腔结构的菲涅尔反射膜反射回所述Michelson光纤传感器的纤芯中，与另一部分在所述Michelson光纤传感器的纤芯中传播的光发射干涉后返回所述光谱仪中。
4.根据权利要求3所述的无芯光纤混合传感实验系统，其特征在于，所述Michelson光纤传感器包括一球状结构，所述F-P腔结构设置所述球状结构后。
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