CN109827677A - 纤维集成分布式白光干涉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维集成分布式白光干涉传感器，其主要特征是：该纤维集成分布式白光干涉传感器是由双包层光纤1、偏双芯光纤2等部分组成，二者交替级联集成于一根光纤上。本发明所给出的传感器能够实现对传感器所处的环境温度和应力等因素进行分布式测量，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

纤维集成分布式白光干涉传感器

(一)技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种纤维集成分布式白光干涉传感器。

(二)背景技术

近年来，由于光纤体积小、重量轻、易弯折以及抗电磁干扰等独有的特性，成为传感器领域的研究热点。应用光纤白光干涉技术构建分布式传感器多用于大型建筑、智能结构的分布式应力以及温度检测，申请人提出了一些关于这方面的专利。

申请人于2008年公开的空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉传感器及测量方法(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传感器结构中，都存在一个关键的问题，在应变阵列传感器中传感器之间光的反射率高、透射率低，这样虽然可以使接收到的信号信噪比高，易于解调，但致命的是这使得应变阵列传感器能够串联的传感器数量受到了限制,极大的降低了系统的传感器复用能力。而且还存在传感器之间连接问题，由于使用连接器，导致体积大，不易于集成，关键的问题是受高温影响严重，不能应用于高温场合。

本发明所提供的纤维集成分布式白光干涉传感器解决了上述两个问题：各个传感器之间通过熔接连接起来，集成于同一根光纤之中，体积小，适用于高温条件下，更重要的是，传感器反射率低，透射率高，能够级联更多的传感器。其独特性是其它分布式白光干涉传感器所不能替代的。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维集成分布式白光干涉传感器，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：该分布式干涉传感器是由双包层光纤1、偏双芯光纤2等部分组成。双包层光纤1与偏双芯光纤2熔接在一起，且各段偏芯双芯光纤2的长度相近但互不相同，如此交替连接，形成纤维集成分布式白光干涉传感器。

本发明的基本原理是基于一种双包层光纤、偏双芯光纤(光纤结构如图2所示)、菲涅尔反射定律以及热扩散原理。图2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(假设偏双芯光纤2两个纤芯以及包层折射率分别为n₂和n₃)。当一段这种双包层光纤与偏双芯光纤焊接到一起时，两端光纤连接面如图3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。

对偏双芯光纤进行加热，使偏双芯光纤纤芯产生热扩散效应。在热扩散效应下，纤芯掺杂离子向包层进行热扩散，进而引起纤芯周围的折射率发生变化，造成的效果等效为两根纤芯向四周进行扩散(如图1中所示)。当纤芯向四周扩散到一定程度时，引起偏双芯光纤中心纤芯的光向边芯耦合，使光耦合到边芯中。偏双芯光纤另一端与双包层光纤连接，由于偏双芯光纤的边芯的折射率和双包层第三层折射率有差异，由公式(1)同样有10^-5量级的光信号发生反射，使边芯的光按原路返回并在热扩散区进行耦合，使边芯中的光场再次耦合到中心芯中并返回到双包层光纤中(如图2所示)。

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。由于纤维集成分布式白光干涉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纤维集成分布式白光干涉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是纤维集成分布式白光干涉传感器结构示意图。图中传感器是由双包层光纤1和偏双芯光纤2等部分组成。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是偏双芯光纤与双包层光纤连接处光信号走向示意图。

图3是单模光纤与偏双芯光纤交替级联，组成纤维集成分布式白光干涉Mach-Zehnder干涉传感器示意图。

图4是氟化物掺杂的石英包层四芯光纤、锗掺杂四芯光纤交替焊接，组成并行式纤维集成白光干涉Fizeau干涉传感器。

图5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6是纤维集成分布式白光干涉Michelson干涉传感器级联数量仿真图。

图7是纤维集成分布式白光干涉Mach-Zehnder干涉传感器级联数量仿真图。

(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5，图中是一个基于本发明的应用。将纤维集成分布式白光干涉传感器串接于一个光纤光程解调仪，对白光干涉信号进行解调。图中信号处理单元4、光纤环形器5、光程差扫描器6和宽谱光源7组成光纤光程解调仪，解调从纤维集成分布式白光干涉Michelson干涉传感器中返回的干涉信号。纤维集成分布式白光干涉Michelson干涉传感器中，偏双芯的两根纤芯即是Michelson干涉传感器的两个干涉臂，对于Michelson干涉传感器有:

假设进入传感器的光强为I₀，双包层光纤与偏双芯光纤焊接处损耗为γ，热扩散等效形成的耦合器分光比为η，热扩散处损耗为ψ，反射面的反射率为R，透射率为T，光通过反射面时的损耗为β，通过分析计算可得传感器各处的光强如下：第j段传感器入射光强：

第j段传感器中双包层光纤与偏双芯光纤焊接处反射信号光强：

第j段传感器中间芯光强：

第j段传感器中间芯反射光强：

第j段传感器边芯反射光强：

图6中是通过matlab仿真纤维集成分布式白光干涉Michelson干涉传感器能够级联的数量，从图中可以看出热扩散等效形成的耦合器分光比为η对传感器级联数量影响最为显著。

Claims (4)

1.一种纤维集成分布式白光干涉传感器，其主要特征是：该干涉传感器是由双包层光纤1、偏双芯光纤2等部分组成。双包层光纤1与偏双芯光纤2熔接在一起，如此交替连接，形成分布式干涉传感器。

2.根据权利要求1所述的纤维集成分布式白光干涉传感器，其特征是：干涉传感器集成于一根光纤中，没有连接器等连接装置。

3.根据权利要求1所述的纤维集成分布式白光干涉传感器，还可以有以下几种结构：

1)氟化物掺杂的石英包层光纤与偏双芯光纤交替级联，组成纤维集成分布式白光干涉Michelson干涉传感器；

2)单模光纤与偏双芯光纤交替级联，组成纤维集成分布式白光干涉Mach-Zehnder干涉传感器；

3)氟化物掺杂的石英包层四芯光纤、锗掺杂四芯光纤交替焊接，组成并行式纤维集成白光干涉Fizeau干涉传感器。

4.根据权利要求1所述的纤维集成分布式白光干涉传感器可以是分布式并行、串行结构集成干涉传感器。