CN110470240B - 一种光纤曲率测量传感器及其测量系统 - Google Patents

一种光纤曲率测量传感器及其测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤曲率传感器及光纤曲率及温度测量系统，该传感器由第一单模光纤(2)、空芯光纤(5)和第二单模光纤(8)构成，形成了马赫‑曾德干涉条纹和法布里‑泊罗谐振器；所搭建的基于光纤曲率传感器的光纤曲率及温度测量系统包括宽带光源(1)、第一、第二单模光纤(2)、(8)、第一、第二光纤夹持器(3)、(6)、第一、第二位移台(4)、(7)、空芯光纤(5)、光谱仪(9)和计算机(10)，完成对传感器透射光谱的获取，通过计算透射光谱中马赫‑曾德干涉峰和谐振吸收峰的波长间隔，实现光纤曲率和温度的测量。本发明具有较高的曲率测量灵敏度，能有效降低温度交叉敏感性，提高曲率测量的范围；制作简单，可批量加工。

Description

一种光纤曲率测量传感器及其测量系统
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种基于马赫-曾德干涉和反谐振效应的光纤曲率传感器及其测量系统。
背景技术
在许多工程应用领域例如土木工程、航空航天、复合材料以及更多领域中，需要测量器件结构弯曲曲率的变化信息。最常见的曲率测量采用电容传感器、半导体压力传感器等电学传感器：即，将被测量转换成电学量，再通过专用的电学量测量仪器记录数据。2004年，沈林勇等人采用应变片来实时检测柔性杆表面若干点的应变，从而获得这些点上的曲率，完成对曲线形状的实时检测(利用应变片实现曲线形状的实时检测，机器人，2004，26(3):204-206)。这种模式的测量系统优点是有较高灵敏度，且硬件成本相对较低。但这种由电学量测量原理构成的测量系统，存在零点漂移不易消除，模拟信号易受电磁环境干扰，硬件系统比较脆弱等问题。为了解决这些问题，近些年来已有多种基于不同原理的光纤曲率传感器被研发，较为常见的有基于光纤光栅、基于马赫-曾德干涉。2015年CuiWei等人采用飞秒激光在拉锥光纤上刻制光纤布拉格光栅，成功实现了对曲率的测量(Compact bendingsensor based on a fiber Bragg grating in an abrupt biconical taper.OpticsExpress,2015,23(9):11031-11036)。这种基于光纤光栅的曲率传感器虽具有较高的曲率灵敏度，但往往存在温度交叉敏感的问题，从而影响了这类传感器在变温环境下的应用。部分光纤曲率传感器基于马赫-曾德干涉原理，有效降低了温度交叉灵敏性。2015年HuangQuandong等人使用六孔光纤错位熔接的方式，成功实现了曲率的测量，并且该传感器具有较低的温度交叉敏感性(Micro-bending vector sensor based on six-air-holegrapefruit microstructure fiber using lateral offset splicing.Optics Express,2015,23(3):3010-3019)。但这种传感器大多采用错位熔接、拉锥熔接、粗锥熔接等方式制作，通常具有结构复杂、制造困难、无法批量制作的问题。并且这种复杂的结构降低了传感器的机械强度，使其过于脆弱，在弯曲测量时极易折断，从而限制了曲率测量的范围。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出了一种光纤曲率测量传感器及其测量系统，使用空芯光纤直接与单模光纤熔接的简单结构围，通过测量马赫-曾德干涉峰和反谐振吸收峰之间的波长间隔实现光纤曲率和温度测量。
本发明的一种光纤曲率传感器，该传感器由第一单模光纤2、空芯光纤5和第二单模光纤8构成，所述第一单模光纤2和具有石英包层的空芯光纤5具有第一个拼接点，所述空芯光纤5和所述第二单模光纤8具有第二个拼接点；其中：
入射光通过所述第一单模光纤2进入所述空芯光纤5，所述第一单模光纤2与所述空芯光纤5在第一个拼接点发生模式失配，所述空芯光纤5传输过程中存在基模和激发出的高阶模，经过所述空芯光纤5的一段传输后，高阶模和基模产生相位差，高阶模与基模两种模式在所述空芯光纤5和所述第二单模光纤8的第二个拼接点耦合，从而在透射光谱中产生马赫-曾德干涉条纹；
马赫-曾德干涉条纹的传输强度I表示为：
Figure GDA0002969743800000021
其中，Ifund为基模的光强，Ihigh为高阶模的光强，
Figure GDA0002969743800000022
为基模和高阶模直接的光程差，
Figure GDA0002969743800000023
表示为：
Figure GDA0002969743800000031
其中，λMZI为入射光的波长，Δnneff为基模和高阶模之间的有效折射率差，
当相位差满足
Figure GDA0002969743800000032
时，马赫-曾德干涉吸收峰的波长表示为：
Figure GDA0002969743800000033
其中，mMZI为马赫-曾德干涉的级次；
空芯光纤5的空气纤芯、石英包层和外界空气共同形成法布里-泊罗谐振器，当入射波长接近谐振波长时，光束被束缚在石英包层中振荡并衰减，从而在透射光谱中会形成一组周期性的谐振吸收峰；当入射波长不符合谐振波长时，光波大部分被反射回空气纤芯，从而沿空气纤芯作为导波向前传播，最终透射谱中的基于反谐振效应的谐振波长表示为：
Figure GDA0002969743800000034
其中，λR为空芯光纤作为法布里-泊罗谐振器的谐振波长，d为空芯光纤的石英包层的壁厚，mR为谐振级次，n1和n2分别为空气纤芯和石英包层的折射率。
所述的一种光纤曲率传感器制作方法，该方法实现步骤如下：
制备两段端面平整的单模光纤与空芯光纤，其中空芯光纤5需要选择内径约为50μm，外径约为125微米；将第一单模光纤2与空芯光纤5使用熔接机进行手动熔接，将单模光纤的端面距离放电电极45μm，空芯光纤的端面距离放电电极60μm，两端面相距15μm，放电强度和放电时间设定为10bit和400ms，完成熔接，获得平整的熔接面；再按以上参数熔接空芯光纤5与第二单模光纤8，形成另一平整熔接面，至此，光纤曲率传感器制作完成。
本发明的基于一种光纤曲率传感器的光纤曲率及温度测量系统，该系统包括宽带光源1、第一、第二单模光纤2、8、第一、第二光纤夹持器3、6、第一、第二位移台4、7、空芯光纤5、光谱仪9和计算机10；其中，宽带光源1的输出光由第一单模光纤2传输，第一单模光纤2由第一光纤夹持器3固定在第一位移台4上，信号光传入空芯光纤5处，马赫-曾德效应和反谐振效应在空芯光纤5同时存在，透射光谱中出现马赫-曾德干涉峰和谐振吸收峰，空芯光纤5熔接至单模光纤8，经由第二光纤夹持器6固定在第二位移台7上，通过调节第一位移台4和第二位移台7实现空芯光纤5曲率的改变；传感器的透射光经过第二单模光纤8传输到光谱仪9接收，计算机10与光谱仪9连接，完成对传感器透射光谱的获取，通过计算10透射光谱中马赫-曾德干涉峰和谐振吸收峰的波长间隔，实现光纤曲率和温度的测量；马赫-曾德干涉峰和谐振吸收峰的波长分别表示为
Figure GDA0002969743800000041
Figure GDA0002969743800000042
与现有技术相比，本发明的一种光纤曲率测量传感器及其制作方法、测量系统具有以下积极效果：
1、具有较高的曲率测量灵敏度；
2、能有效降低温度交叉敏感性问题；
3、机械强度较高，可以满足大曲率测量的要求；
4、具有结构简单，制作简单，可批量加工等优势。
附图说明
图1为本发明的一种光纤曲率传感器结构示意图；
图2为基于本发明的一种光纤曲率传感器的光纤曲率及温度测量系统结构示意图；
图3为本发明的一种光纤曲率传感器所输出的透射光谱示意图；
图4为本发明的一种光纤曲率传感器的波长间隔测量结果与曲率关系图；
图5为基本发明的一种光纤曲率传感器的波长间隔测量结果与温度关系图。
附图标记：
1、宽带光源，2、第一单模光纤，3、第一光纤夹持器，4、第一位移台，5、空芯光纤，6、第二光纤夹持器，7、第二位移台，8、第二单模光纤，9、光谱仪，10、计算机。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式，进一步详述本发明的技术方案。
如图1所示，为本发明的一种光纤曲率传感器结构示意图。该传感器由第一单模光纤2、空芯光纤5和第二单模光纤8构成。入射光通过第一单模光纤2进入空芯光纤5，由于第一单模光纤2与空芯光纤5的第一个拼接点发生模式失配，因此空芯光纤传输过程中不仅存在基模，也会激发出高阶模，经过空芯光纤5的一段传输后，由于有效折射率的不同，高阶模和基模产生一定的相位差，高阶模与基模两种模式在空芯光纤5和第二单模光纤8的第二个拼接点耦合，从而在透射光谱中产生马赫-曾德干涉条纹。根据双光束干涉理论，马赫-曾德干涉条纹的传输强度I表示为：
Figure GDA0002969743800000051
其中，Ifund为基模的光强，Ihigh为高阶模的光强，
Figure GDA0002969743800000061
为基模和高阶模直接的光程差，
Figure GDA0002969743800000062
表示为：
Figure GDA0002969743800000063
其中，λMZI为入射光的波长，Δnneff为基模和高阶模之间的有效折射率差，设mMZI为马赫-曾德干涉的级次，当相位差满足
Figure GDA0002969743800000064
时，马赫-曾德干涉吸收峰的波长表示为：
Figure GDA0002969743800000065
并且由于光在空芯光纤5中传播时会发生泄漏，空芯光纤5的空气纤芯折射率小于石英包层折射率，因此光不能如同第一单模光纤2内一样发生全反射，从而会泄露到石英包层中，空气纤芯、石英包层和外界空气共同形成法布里-泊罗谐振器；当入射波长接近谐振波长时，光束被束缚在石英包层中振荡并衰减，从而在透射光谱中会形成一组周期性的谐振吸收峰；当入射波长不符合谐振波长时，光波大部分会被反射回空气纤芯5，从而沿空气纤芯5作为导波向前传播，最终透射谱中的基于反谐振效应的谐振波长表示为：
Figure GDA0002969743800000066
其中，λR为空芯光纤作为法布里-泊罗谐振器的谐振波长，d为空芯光纤的石英包层的壁厚，mR为谐振级次，n1和n2分别为空气纤芯和石英包层的折射率；
其中，空芯光纤5选择内径约为50μm，外径约为125微米。
搭建如图2所示的本发明的一种光纤曲率传感器的光纤曲率及温度测量系统结构示意图，包括宽带光源1、第一和第二单模光纤2和8、第一、第二光纤夹持器3和6、第一和第二位移台4和7、空芯光纤5、光谱仪9和计算机10。其中，宽带光源1的输出光由第一单模光纤2传输，第一单模光纤2由第一光纤夹持器3固定在第一位移台4上，信号光传入空芯光纤5处，马赫-曾德效应和反谐振效应在空芯光纤5同时存在，透射光谱中出现马赫-曾德干涉峰和谐振吸收峰，空芯光纤5熔接至单模光纤8，经由第二光纤夹持器6固定在第二位移台7上，通过调节第一位移台4和第二位移台7实现空芯光纤5曲率的改变；传感器的透射光经过第二单模光纤8传输到光谱仪9接收，计算机10与光谱仪9连接，完成对传感器透射光谱的获取，通过计算10透射光谱中马赫-曾德干涉峰和谐振吸收峰的波长间隔，实现光纤曲率和温度的测量。此处，光纤曲率是指整个光纤传感器弯曲后的曲率；温度则指环境温度。
马赫-曾德干涉峰和谐振吸收峰的波长分别表示为
Figure GDA0002969743800000071
Figure GDA0002969743800000072
所述光源1用于提供波长范围较长的光源信号，采用宽带光源；
所述第一、第二单模光纤2和8用于传输信号光；
所述第一、第二光纤夹持器3、6，用于固定单模光纤；
所述第一、第二位移台4、7，用于调节两个位移台之间的距离，从而获得不同的测量曲率；
所述空芯光纤5，作为传感器关键元件，入射光通过时同时存在马赫-曾德干涉和反谐振效应，从而在透射谱中形成马赫-曾德干涉峰和谐振吸收峰，用于曲率测量；
所述光谱仪9，获取曲率传感器的透射光谱；
所述计算机10，对所述光谱仪9的光谱信号进行采集，得到数据进行处理。
本发明的一种光纤曲率传感器制作步骤如下：
制备两段端面平整的单模光纤2、8与空芯光纤5，其中空心芯光纤5需要选择内径约为50μm，外径约为125微米；将第一单模光纤2与空芯光纤5使用熔接机进行手动熔接，将单模光纤的端面距离放电电极45μm，空芯光纤的端面距离放电电极60μm，两端面相距15μm，放电强度和放电时间设定为10bit和400ms，完成熔接可以获得较为平整的熔接面；再按以上参数熔接空芯光纤5与第二单模光纤8，形成另一平整熔接面，至此基于马赫-曾德干涉和反谐振效应的光纤曲率传感器制作完成。
如图3所示，为本发明的一种光纤曲率传感器所输出的透射光谱示意图。显示的是空心芯光纤长度为7mm、8mm、10mm的曲率传感器实验光谱和石英包层壁厚约从37.67μm到38.03μm的仿真光谱。入射波长为1515nm到1530nm时，存在谐振吸收峰，该吸收峰不随传感器长度L的变化而改变；入射波长为1530nm到1543nm时，是反谐振区域，该波长下不会因谐振而损耗，但是存在马赫-曾德干涉峰。
如图4所示，为本发明的一种光纤曲率传感器的波长间隔测量结果与曲率关系图，具体为曲率由0m-1到11.87m-1变化时，马赫-曾德干涉峰和谐振吸收峰的波长间隔测量结果与曲率关系图。
如图5所示，为本发明的一种光纤曲率传感器的波长间隔测量结果与温度关系图。具体为温度由从20℃到80℃变化时，波长间隔测量结果与温度关系图。从图4和图5可以看出传感器的曲率测量灵敏度较高，测量范围较大，并且有效降低了温度交叉敏感性问题。

Claims (3)

1.一种光纤曲率传感器，其特征在于，该传感器由第一单模光纤(2)、空芯光纤(5)和第二单模光纤(8)构成，所述第一单模光纤(2)和具有石英包层的空芯光纤(5)具有第一个拼接点，所述空芯光纤(5)和所述第二单模光纤(8)具有第二个拼接点；其中：
入射光通过所述第一单模光纤(2)进入所述空芯光纤(5)，所述第一单模光纤(2)与所述空芯光纤(5)在第一个拼接点发生模式失配，所述空芯光纤(5)传输过程中存在基模和激发出的高阶模，经过所述空芯光纤(5)的一段传输后，高阶模和基模产生相位差，高阶模与基模两种模式在所述空芯光纤(5)和所述第二单模光纤(8)的第二个拼接点耦合，从而在透射光谱中产生马赫-曾德干涉条纹；
马赫-曾德干涉条纹的传输强度I表示为：
Figure FDA0002969743790000011
其中，Ifund为基模的光强，Ihigh为高阶模的光强，
Figure FDA0002969743790000012
为基模和高阶模直接的光程差，
Figure FDA0002969743790000013
表示为：
Figure FDA0002969743790000014
其中，λMZI为入射光的波长，Δnneff为基模和高阶模之间的有效折射率差，
当相位差满足
Figure FDA0002969743790000015
时，马赫-曾德干涉吸收峰的波长表示为：
Figure FDA0002969743790000016
其中，mMZI为马赫-曾德干涉的级次；
空芯光纤(5)的空气纤芯、石英包层和外界空气共同形成法布里-泊罗谐振器，当入射波长接近谐振波长时，光束被束缚在石英包层中振荡并衰减，从而在透射光谱中会形成一组周期性的谐振吸收峰；当入射波长不符合谐振波长时，光波大部分被反射回空气纤芯，从而沿空气纤芯作为导波向前传播，最终透射谱中的基于反谐振效应的谐振波长表示为：
Figure FDA0002969743790000021
其中，λR为空芯光纤作为法布里-泊罗谐振器的谐振波长，d为空芯光纤的石英包层的壁厚，mR为谐振级次，n1和n2分别为空气纤芯和石英包层的折射率。
2.如权利要求1所述的一种光纤曲率传感器的制作方法，其特征在于，该方法的实现步骤如下：
制备两段端面平整的单模光纤与空芯光纤，其中空芯光纤(5)需要选择内径约为50μm，外径约为125微米；将第一单模光纤(2)与空芯光纤(5)使用熔接机进行手动熔接，将单模光纤的端面距离放电电极45μm，空芯光纤的端面距离放电电极60μm，两端面相距15μm，放电强度和放电时间设定为10bit和400ms，完成熔接，获得平整的熔接面；再按以上参数熔接空芯光纤(5)与第二单模光纤(8)，形成另一平整熔接面，至此，光纤曲率传感器制作完成。
3.基于一种光纤曲率传感器的光纤曲率及温度测量系统，其特征在于，该系统包括宽带光源(1)、第一、第二单模光纤(2)、(8)、第一、第二光纤夹持器(3)、(6)、第一、第二位移台(4)、(7)、空芯光纤(5)、光谱仪(9)和计算机(10)；其中，宽带光源(1)的输出光由第一单模光纤(2)传输，第一单模光纤(2)由第一光纤夹持器(3)固定在第一位移台(4)上，信号光传入空芯光纤(5)处，马赫-曾德效应和反谐振效应在空芯光纤(5)同时存在，透射光谱中出现马赫-曾德干涉峰和谐振吸收峰，空芯光纤(5)熔接至单模光纤(8)，经由第二光纤夹持器(6)固定在第二位移台(7)上，通过调节第一位移台(4)和第二位移台(7)实现空芯光纤(5)曲率的改变；传感器的透射光经过第二单模光纤(8)传输到光谱仪(9)接收，计算机(10)与光谱仪(9)连接，完成对传感器透射光谱的获取，通过计算透射光谱中马赫-曾德干涉峰和谐振吸收峰的波长间隔，实现光纤曲率和温度的测量；马赫-曾德干涉峰和谐振吸收峰的波长分别表示为
Figure FDA0002969743790000031
Figure FDA0002969743790000032
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