CN109827676A

CN109827676A - 单模异质光纤级联的应变阵列传感器

Info

Publication number: CN109827676A
Application number: CN201711183782.7A
Authority: CN
Inventors: 苑立波; 李文超
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-05-31
Anticipated expiration: 2037-11-23
Also published as: CN109827676B

Abstract

本发明公开了一种单模异质光纤级联的应变阵列传感器，其主要特征是：该应变阵列传感器是由单模光纤1、双包层光纤2等部分组成异质结构反射面，集成于一根光纤上的应变阵列传感器。本发明所给出的应变阵列传感器能够实现对光纤应变阵列传感器所处的环境温度和应力等因素进行测量，由于本发明的固有特性使其在高温条件下尤为适用。另外，还具有灵敏度高、结构紧凑、耐高温、成本低以及传感器复用数量大等优点。

Description

单模异质光纤级联的应变阵列传感器

(一)技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种单模异质光纤级联的应变阵列传感器。

(二)背景技术

近年来，白光干涉传感技术得到了蓬勃的发展，其中的一个热点就是发展了多种传感器复用技术的光纤传感器和测试系统，用于应变、温度、压力等物理量的测量。传感器复用技术的发展背景主要是由于在实际测量与测试应用中，单个物理量以及单一位置点的传感，已经远不能满足人们对事物整体或者系统状态感知的要求，这往往需要对多个或者多点物理量的分布进行在线或者实时的量测。例如对大型结构(水电站、大坝、桥梁等)的无损检测与监测以确定其安全的过程中，需要将光纤传感器植入关键部位，并构筑成监测网络，对其内部的应力、应变以及温度等信息进行提取。因此，传感器数量通常为几十个或者上百个，如果测试系统仅以单点传感器进行连接，无疑其测试造价将大大提高，同时降低了系统可靠性。采用传感器复用技术，利用同一个解调系统对多个传感器的测量信息进行问询，这不仅极大简化了系统复杂程度，而且使测量精度和可靠性也得到了保证。同时，由于传感器复用技术，降低了单点传感器的造价，从而使测试费用大为降低，提高了性价比，使光纤传感器与传统传感器相比更具优势。

白光干涉光纤传感器可以有效地避免很多长相干长度的信号所遇到的限制和问题。白光干涉光纤传感器的一个主要优点是可以测量绝对长度和时间延迟。另外，由于传感信号的相干长度短，可以消除系统杂散光的时变干扰。白光干涉技术的另一个优点是属于空分复用技术，不需要相对复杂的时分复用或频分复用技术便可以将多个传感器相干复用在一个信号中。空分复用技术是通过使用扫描干涉仪(如迈克尔逊干涉仪)实现信号光与参考光的光程相匹配来实现的。如果两路信号光的光程相匹配，在干涉仪的输出信号中会观察到白光干涉条纹。可实现高精度的绝对测量，能够测量的参量包括位置、位移、应变和温度等。

在实际应用中，尤其是在建筑结构的监测中，通常需要对建筑结构进行长距离、多点的准分布式测量。然而，对于传统的光纤白光干涉仪结构，传感光纤的长度受到可变扫描臂的调节范围的限制。另外，即使可以得到长距离的调节范围，光信号在长距离的空间光路中传输的损耗也会很大。

申请人于2008年公开的空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪及测量方法(中国专利申请号：200810136824.6)主要用来解决光纤阵列传感器在布置以及使用过程中的损坏问题，申请人于2010年公开的共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量装置及方法(中国专利申请号：201010296944.X)解决了多尺度准分布完全共光路补偿问题。

但在上述基于空分复用的干涉仪结构中，在应变阵列传感器中传感器之间光的反射率高、透射率低，这样就使得应变阵列传感器能够串联的传感器数量受到了限制,而且极大的降低了系统的传感器复用能力。

本发明所提供的光纤应变阵列传感器。其独特性是其它传感器系统所不能替代的。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种单模异质光纤级联的应变阵列传感器，可用于高温条件下的温度以及应力的分布式测量。

本发明的目的是这样实现的：该光纤传感器是由单模光纤1、双包层光纤2等部分组成。单模光纤1与双包层光纤2熔接在一起，如此交替连接，形成光纤应变阵列传感器。

本发明由若干光纤传感器收尾串接相连构成，两个相邻的光纤传感器的焊接处由于两侧的折射率不同而形成部分反射面。各个光纤的长度相近但互不相同。

本发明的基本原理是基于一种特殊的光纤——双包层光纤(光纤结构如图1所示)和菲涅尔反射定律。图1中所示的特殊光纤折射率分为三层，分别为n₁、n₂和n₃，它们之间的关系是n₁>n₂>n₃(假设标准单模光纤纤芯以及包层折射率分别为n₂和n₃)。当一段这种特殊光纤与标准单模光纤焊接到一起时，两端光纤连接面如图2所示，由于二者存在折射率差，光束在此处会有部分反射、部分投射，反射率R由菲涅尔反射定律可推导：

两光纤之间的折射率差约为0.01，通过公式(1)即可估算出光束在连接面反射率约为3.33×10^-5。这说明在连接处仅有10^-5量级的光信号发生反射，其余的光透射到下一级传感器。

在实际使用中，可能出现纤芯轴向偏移(图3)、单模光纤纤芯小于双包层光纤(图4)、单模光纤纤芯大于双包层光纤(图5)以及纤芯为渐变折射率的情况(图6)：

(1)如图3中两纤芯轴向偏移的情况下，由于单模光纤纤芯折射率和双包层光纤第二层相同，所以一部分光直接透射，两个纤芯重叠的部分光发生部分反射、部分透射。光在纤芯内均匀分布的情况下，两个纤芯重叠部分的光的比例取决于重叠部分面积S₁(如图4中阴影部分)与纤芯面积S的比例，此时反射光信号的强度为3.33×10^-5×S₁/S；

(2)如图4中单模光纤纤芯直径大于双包层光纤纤芯直径的情况，这种情况同纤芯轴向偏移相类似，一部分光直接透射，两个纤芯重叠的部分光发生部分反射、部分透射。光在纤芯内均匀分布的情况下，两个纤芯重叠部分的光的比例取决于双包层光纤纤芯面积S₂与纤芯面积S的比例，此时反射光强度为3.33×10^-5×S₂/S；

(3)如图5中单模光纤纤芯直径小于双包层光纤纤芯直径的情况与正常情况相同，反射率约为3.33×10^-5；

(4)如图6中左侧纤芯为渐变折射率的情况，假设渐变折射率分布为其中a为纤芯半径，r为距纤芯距离，Δ相对折射率差

由菲涅尔公式得任一点反射率为

此时，要求得反射信号强度，需要对反射面进行积分。首先，纤芯放大如图6中右图，取一环形微元dr(图中阴影)，假设微元处反射率相同，由公式(2)可知微元的反射率为R(r)，微元面积约为2πrdr(省略掉π(dr)²项)，即微元处反射信号强度为

将式(3)从0到a积分可得到全部的反射信号。

异质结构也可以有其它几种情况：掺杂单模光纤与氟化物掺杂包层光纤熔接组成；掺杂单模光纤与双包层光纤薄片反射层熔接组成；掺杂单模光纤与无芯光纤薄片反射层熔接组成；掺杂光纤与啁啾宽谱弱光纤光栅熔接组成。

(1)掺杂单模光纤与氟化物掺杂包层光纤熔接组成(如图7中所示)：由于氟化物掺杂包层光纤纤芯折射率较掺杂单模光纤低，存在一个折射率差Δn，形成异质反射结构。

(2)掺杂单模光纤与双包层光纤薄片反射层熔接组成(如图8中所示)：此种情况原理与图1相近，不同的是由于双包层光纤长度很短，不作为传感器，仅作为异质结构反射面，且当长度足够短时(几个微米到几十个微米)，两反射信号重叠在一起提高反射信号强度。

(3)掺杂单模光纤与无芯光纤薄片反射层熔接组成：掺杂单模光纤纤芯与无芯光纤薄片反射层之间存在折射率差，形成异质结构反射面。同时，光由掺杂单模光纤纤芯穿过无芯光纤薄片反射层时一部分透射光散射到包层中(如图9所示)，散射损失的能量取决于无芯光纤薄片反射层的厚度。

(4)掺杂单模光纤与空心孔薄片反射层熔接组成：掺杂单模光纤纤芯与空气孔光纤薄片反射层之间存在折射率差，形成异质结构反射面。同时，光由掺杂单模光纤纤芯穿过空气孔光纤薄片反射层时一部分透射光散射到包层中(如图10所示)，散射损失的能量取决于无芯光纤薄片反射层的厚度。

(5)掺杂单模光纤与啁啾宽谱弱光纤光栅熔接组成，啁啾宽谱弱光纤光栅周期不是常数，而是沿轴向变化的。不同的栅格周期对应不同的布拉格反射波长，所以啁啾宽谱弱光纤光栅的是一个宽谱光(如图11中所示)，形成异质结构反射面。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)低损耗、传感器复用数量更多。两个传感器之间反射面的反射率较传统形式低，且两个传感器之间是焊接起来，连接处的损耗较传统方式更低，综上其光束透过率更高，这样即可连接更多数量的传感器。

(2)耐高温性能更佳。传统的连接方式在高温条件下受到温度影响严重，本发明直接将两端光纤焊接在一起，排除了连接器受温度影响的因素，极大的提高了传感器的耐高温性能。

(3)结构紧凑。由于单模异质光纤级联的应变阵列传感器集成于一根光纤之内，传感器之间的连接不收连接器的限制，免除了连接器的体积，传感器整体体积大幅度减小，结构更加紧凑，使用更加便捷。

为了进一步说明本发明给出的单模异质光纤级联的应变阵列传感器的基本工作原理，下面结合附图给出更加细致的说明。

(四)附图说明

图1是单模异质光纤级联的应变阵列传感器结构示意图。图中测量装置是由单模光纤1和双包层光纤2等部分组成。下方是单模光纤1以及双包层光纤2的横截面图以及折射率对比图。如图所示，双包层光纤2分为三层，中心纤芯折射率为n₁，第二层的折射率为n₂，最外层的折射率为n₃，三层折射率关系为n₁>n₂>n₃。

图2是两种光纤连接处细节放大图，如图所示，入射光经过焊接处后由于折射率差异，一部分光透射、另一部分光反射。

图3是两个光纤芯出现轴向偏移的情况。

图4是单模光纤纤芯直径大于双包层光纤纤芯直径的情况。

图5是单模光纤纤芯直径小于双包层光纤纤芯直径的情况。

图6是左侧纤芯为渐变折射率的情况。

图7是掺杂单模光纤与氟化物掺杂包层光纤熔接在一起形成异质反射结构的示意图。

图8是掺杂单模光纤与薄片反射层熔接在一起形成异质反射结构的示意图。

图9是掺杂单模光纤与无芯光纤薄片反射层熔接在一起形成异质反射结构的示意图。

图10是掺杂单模光纤与空气孔光纤薄片反射层熔接在一起形成异质反射结构的示意图。

图11是掺杂单模光纤与啁啾宽谱弱光纤光栅熔接在一起形成异质反射结构的示意图。

图12是使用该传感器搭建的一个准分布式光纤白光干涉传感系统。

图13是传感器中信号强度归一化示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图实施举例对本发明做更详细地描述：

实施例：参见图12，图中是一个基于本发明的应用——双包层光纤组成的Fizeau干涉仪阵列。将应变阵列传感器加入一个干涉解调仪，对白光干涉信号进行解调。图中宽谱光源3、信号处理单元4、光纤环形器5、光纤光程差扫描器6，光程差扫描器6的结构可以是Michlson干涉仪、MZ干涉仪、Fizeau干涉仪以及Sagnac干涉仪等组成的光程差扫描器，解调从单模异质光纤级联的应变阵列传感器中返回的白光干涉信号。

Claims

1.一种单模异质光纤级联的应变阵列传感器，其主要特征是：该应变阵列传感器是由两种单模异质光纤级联组成异质反射结构。该异质反射结构具有反射率低，透射率高等特点，故可以级联大量此异质反射结构，形成光纤级联的应变阵列传感器。其异质结构可以是以下几种情况中的一种：

1)掺杂单模光纤与双包层单模光纤熔接在一起，形成异质反射结构，组成一段应变传感器，再交替连接，级联形成光纤应变阵列传感器。

2)掺杂单模光纤与氟化物掺杂包层光纤熔接在一起，形成异质反射结构，组成一段应变传感器，再交替连接，级联形成光纤应变阵列传感器。

3)掺杂单模光纤与双包层光纤薄片反射层熔接在一起，形成异质反射结构，组成一段应变传感器，再交替连接，级联形成光纤应变阵列传感器。

4)掺杂单模光纤与无芯光纤薄片反射层熔接在一起，形成异质反射结构，组成一段应变传感器，再交替连接，级联形成光纤应变阵列传感器。

5)掺杂单模光纤与空气孔光纤薄片反射层熔接在一起，形成异质反射结构，组成一段应变传感器，再交替连接，级联形成光纤应变阵列传感器。

6)掺杂单模光纤与啁啾宽谱弱光纤光栅熔接在一起，形成异质反射结构，组成一段应变传感器，再交替连接，级联形成光纤应变阵列传感器。

2.根据权利要求1所述的单模异质光纤级联的应变阵列传感器，其特征是：应变传感器阵列集成于一根光纤中。