CN110726374A - 基于单模光纤的光纤法珀应变传感器及制作方法、测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单模光纤的光纤法珀应变传感器及制作方法、测量方法，由传输单模光纤(1)、空芯光纤(2)和传感单模光纤(3)构成整体结构，在该结构中形成法珀腔(4)；其中：所述传输单模光纤(1)用于传输入射光和出射光；所述空芯光纤(2)与传输单模光纤(1)的后端面紧密熔接，形成的异质光纤‑微管熔接点，所述传感单模光纤(3)用于应变的传感；所述法珀腔(4)作为应变敏感元件，引起传感单模光纤(3)的折射率和传感长度均发生变化，从而改变法珀腔(4)的干涉相位。本发明具有较长的传感长度，可以有效测量分布范围较大的应变；制作成本较低，同时便于大批量制作；能够在测量应变的基础上，同时实现温度参量的测量。

Description

基于单模光纤的光纤法珀应变传感器及制作方法、测量方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，该传感器可以用于检测应变不均匀区域的平均应变。

背景技术

应变传感广泛应用于民生、国防安全等多个领域中，比如航天器、船舶、桥梁、大坝、核电站等重点部位的结构健康监控。传统的电阻应变技术因其元件易受到测量环境的化学腐蚀、传输信号易受电磁干扰等因素影响，在长期实时监测方面有较大局限，同时由于传感器尺寸有限，因此只能对有限范围的应变进行测量。光纤法布里-珀罗(F-P)传感器以其紧凑的尺寸、抗电磁干扰、抗腐蚀等诸多优点，引起了大量用于应变传感的研究。但是，常规的光纤法珀应变传感器的传感长度由于空气腔的传输损耗，制作的成本较高以及结构的稳定的因素，都不能满足应变分布范围较大的应变传感。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述一系列问题，本发明提出一种基于单模光纤的光纤法珀应变传感器及制作方法、测量方法，所实现的传感器结构具有传感长度较长的特点，该传感器结构可以避免传统光纤法布里-珀罗传感器腔长有限、无法测量较大应变分布范围的缺陷。

本发明的一种基于单模光纤的光纤法珀应变传感器结构，该传感器为传输单模光纤1、空芯光纤2和传感单模光纤3所构成的一个整体结构，且在该结构中形成法珀腔4；其中：

所述传输单模光纤1用于传输入射光和出射光；

所述空芯光纤2与传输单模光纤1的后端面紧密熔接，形成的异质光纤-微管熔接点，

所述传感单模光纤3用于应变的传感；

在不同的应变环境下，所述法珀腔4作为应变敏感元件，引起传感单模光纤3的折射率和传感长度均发生变化，从而改变法珀腔4的干涉相位。

本发明的一种基于单模光纤的光纤法珀罗应变传感器制作方法，具体包括以下步骤：

步骤1、采用外径125μm、内径9μm的单模光纤，量取长度为50mm～100mm，用光纤切割刀将单模光纤的端面切平，制成传输单模光纤；

步骤2、采用外径为150μm、内径75μm的空芯光纤，一端经光纤切割刀切平后，与传输单模光纤的后端面通过熔接机进行手动熔接，在熔接时采用小放电量接近150mA，并且熔接时电弧放电中心要与空芯光纤偏离230μm～40μm的距离；熔接后，使用光纤切割刀将空芯光纤的前端面切平，保留空芯光纤的长度为30μm～50μm，空芯光纤与传输单模光纤之间形成紧密的异质光纤-微管熔接点；

步骤3、采用外径125μm、内径9μm的单模光纤，一端经光纤切割刀切平后，与空芯光纤的后端面通过熔接机进行手动熔接，制成传感单模光纤，手动熔接的方法同步骤二，熔接后，使用光纤切割刀将传感单模光纤的另一个端面切平，形成法珀腔，切割的位置决定了传感长度L₂，保留传感单模光纤的长度为5cm～10cm；

从而使传输单模光纤、空芯光纤和传感单模光纤形成一个整体结构。

本发明的利用一种基于单模光纤的光纤法珀罗应变传感器的测量方法，该测量方法具体包括以下步骤：

将法珀腔4的干涉相位表示：

其中，λ是输入光的波长，实现应变测量转化为光程差测量，折射率的变化表达式如下：

将干涉光谱信号的总光强表示为

其中，I₁、I₂和I₃是三束反射光的光强；

求出法珀腔的粗略光程差Δ＝2k/Nδv，其中，N是傅里叶变换的采样点数，k是对应法珀腔频率分量峰值的横坐标，δv＝δλ/λ²是傅里叶变换的采样间隔；构造理想带通滤波器，分离出法珀腔自己的干涉光谱；

根据公式m＝Δ/λ_m，计算一个特定干涉波峰λ_m的干涉级次m，将m取整后，记为m’，求出精确光程差Δ'＝m'λ_m；

当应变ε施加于被测物体时，光程差、光纤的折射率分别发生改变；

折射率变化量表示为

其中，p₁₁,p₁₂是材料的应变弹光系数，υ是泊松比，ε＝ΔL₂/L₂是应变；

光程差变化量表示为：

其中，

是光纤的弹光系数；

从而实现应变信息转化为光程差信息。

本发明的优点和积极效果如下：

1、本发明的光纤法珀传感器具有较长的传感长度，可以有效测量分布范围较大的应变。

2、本发明提出的光纤法珀传感器采用单模光纤和空芯光纤，制作方法只用到了熔接技术，制作成本较低，同时便于大批量制作。

3、本发明提出的光纤法珀传感器能够在测量应变的基础上，同时实现温度参量测量。

附图说明

图1是本发明的基于单模光纤的光纤法珀应变传感器结构示意图；

图2是光纤法布里-珀罗应变传感器测量方法所使用的传感系统结构示意图；

图3是光纤法布里-珀罗应变传感器输出的反射光谱示意图；

图4是法珀腔的干涉光谱示意图；

图5是光纤法布里-珀罗应变传感器的传感器应变响应曲线示意图。

附图标记：

1、传输单模光纤，2、空芯光纤，3、传感单模光纤，4、扫描光源，5、光纤耦合器，6、基于单模光纤的光纤法珀应变传感器，7、计算机，8、纯弯曲梁应变测量装置，9、旋转手轮。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明的基于单模光纤的光纤法珀应变传感器结构示意图。该传感器由传输单模光纤1、空芯光纤2和传感单模光纤3构成一个整体结构，该结构中形成法珀腔4。

所述传输单模光纤1用于传输入射光和出射光；

所述空芯光纤2与传输单模光纤1的后端面紧密熔接，形成的异质光纤-微管熔接点，

所述传感单模光纤3用于应变的传感。

所述法珀腔4作为应变敏感元件，利用光纤的弹光效应，在不同的应变环境下，传感单模光纤3的折射率n_SMF和传感长度L₂(法珀腔4的腔长)均发生变化，从而改变法珀腔4的干涉相位

其中，λ是输入光的波长，实现应变测量转化为光程差测量，光程差变化量表示为：

折射率的变化表示为：

其中p₁₁、p₁₂是传感单模光纤的应变弹光系数，υ是泊松比，ε＝ΔL₂/L₂是应变，

结合上述公式(1)(2)，光程差的变化量简化表示为

其中，

是光纤的弹光系数；

从而实现应变信息转化为光程差信息。

本发明的基于单模光纤的光纤法珀罗应变传感器制作方法，具体包括以下步骤：

步骤1、采用外径125μm、内径9μm的单模光纤，量取长度为50mm～100mm(足够长即可)，用光纤切割刀将单模光纤的端面切平，制成传输单模光纤；

步骤2、采用外径为150μm、内径75μm的空芯光纤，一端经光纤切割刀切平后，与传输单模光纤的后端面通过熔接机进行手动熔接，形成紧密的异质光纤-微管熔接点。考虑到空芯光纤熔接时易塌陷的缺点，在熔接时采用小放电量(大约150mA)，并且熔接时电弧放电中心要偏离空芯光纤一定距离(大约30μm～40μm)。熔接后，使用光纤切割刀将空芯光纤的前端面切平，保留空芯光纤的长度为30μm～50μm；

步骤3、采用外径125μm、内径9μm的单模光纤，一端经光纤切割刀切平后，与空芯光纤的后端面通过熔接机进行手动熔接，制成传感单模光纤，手动熔接的方法同步骤二，熔接后，使用光纤切割刀将传感单模光纤的另一个端面切平，形成法珀腔FP₂，切割的位置决定了传感长度L₂，保留传感单模光纤的长度为5cm～10cm。从而使传输单模光纤1、空芯光纤2和传感单模光纤3形成一个整体结构，即本发明中的光纤法珀应变传感器6。

如图2所示，为基于本发明的基于单模光纤的光纤法珀罗应变传感器组建的传感系统，包括扫描光源4、光纤耦合器5、基于单模光纤的光纤法珀应变传感器6、计算机7、纯弯曲梁应变测量装置8。扫描光源4发出的光经过光纤耦合器5进入光纤法珀应变传感器6，光纤法珀应变传感器6反射面的反射光形成干涉，反射信号经光纤耦合器5被扫描光源4接收，计算机7与扫描光源4连接，记录反射回的干涉光谱信号并进行解调处理。其中，所述基于单模光纤的光纤法珀应变传感器6粘贴于纯弯曲梁应变测量装置8的金属梁表面，所述纯弯曲梁应变测量装置8的应变的变化由旋转手轮9控制。干涉光谱信号的总光强表示为

其中，I₁、I₂和I₃是三束反射光的光强。如图3所示，为光纤法布里-珀罗应变传感器输出的反射光谱示意图。其中的反射光谱是不同光谱频率成分的叠加。

求出法珀腔的粗略光程差Δ＝2k/Nδv，其中，N是傅里叶变换的采样点数，k是对应法珀腔频率分量峰值的横坐标，δv＝δλ/λ²是傅里叶变换的采样间隔；构造理想带通滤波器，分离出法珀腔自己的干涉光谱。

根据公式m＝Δ/λ_m，计算一个特定干涉波峰λ_m的干涉级次m，将m取整后记为m’，求出精确光程差Δ'＝m'λ_m；

在室温下，进行传感器应变解调实验，使用纯弯曲梁应变测量装置8提供应变，应变从0με增加到1000με，间隔50με进行扫描，采集每个应变下的干涉光谱信号，提取法珀腔4的干涉光谱的漂移.

如图4所示，是法珀腔的干涉光谱示意图。随着应变的增加，干涉光谱逐渐向波长变大的方向移动。

如图5所示，是光纤法布里-珀罗应变传感器的传感器应变响应曲线示意图，解调出来的光程差为ΔFP₂。

由于解调得到的光程差与应变呈线性比例关系，可以进而实现对应变的测量。

Claims (3)

1.一种基于单模光纤的光纤法珀应变传感器结构，其特征在于，该传感器为传输单模光纤(1)、空芯光纤(2)和传感单模光纤(3)所构成的一个整体结构，且在该结构中形成法珀腔(4)；其中：

所述传输单模光纤(1)用于传输入射光和出射光；

所述空芯光纤(2)与传输单模光纤(1)的后端面紧密熔接，形成的异质光纤-微管熔接点，

所述传感单模光纤(3)用于应变的传感；

在不同的应变环境下，所述法珀腔(4)作为应变敏感元件，引起传感单模光纤(3)的折射率和传感长度均发生变化，从而改变法珀腔(4)的干涉相位。

2.一种基于单模光纤的光纤法珀罗应变传感器制作方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、采用外径125μm、内径9μm的单模光纤，量取长度为50mm～100mm，用光纤切割刀将单模光纤的端面切平，制成传输单模光纤；

步骤2、采用外径为150μm、内径75μm的空芯光纤，一端经光纤切割刀切平后，与传输单模光纤的后端面通过熔接机进行手动熔接，在熔接时采用小放电量接近150mA，并且熔接时电弧放电中心要与空芯光纤偏离230μm～40μm的距离；熔接后，使用光纤切割刀将空芯光纤的前端面切平，保留空芯光纤的长度为30μm～50μm，空芯光纤与传输单模光纤之间形成紧密的异质光纤-微管熔接点；

步骤3、采用外径125μm、内径9μm的单模光纤，一端经光纤切割刀切平后，与空芯光纤的后端面通过熔接机进行手动熔接，制成传感单模光纤，手动熔接的方法同步骤二，熔接后，使用光纤切割刀将传感单模光纤的另一个端面切平，形成法珀腔，切割的位置决定了传感长度L₂，保留传感单模光纤的长度为5cm～10cm；

从而使传输单模光纤、空芯光纤和传感单模光纤形成一个整体结构。

3.利用如权利要求1所述的一种基于单模光纤的光纤法珀罗应变传感器的测量方法，其特征在于，该测量方法具体包括以下步骤：

将法珀腔4的干涉相位表示：

其中，λ是输入光的波长，实现应变测量转化为光程差测量，折射率的变化表达式如下：

将干涉光谱信号的总光强表示为

其中，I₁、I₂和I₃是三束反射光的光强；

求出法珀腔的粗略光程差Δ＝2k/Nδv，其中，N是傅里叶变换的采样点数，k是对应法珀腔频率分量峰值的横坐标，δv＝δλ/λ²是傅里叶变换的采样间隔；构造理想带通滤波器，分离出法珀腔自己的干涉光谱；

根据公式m＝Δ/λ_m，计算一个特定干涉波峰λ_m的干涉级次m，将m取整后，记为m’，求出精确光程差Δ'＝m'λ_m；

当应变ε施加于被测物体时，光程差、光纤的折射率分别发生改变；

折射率变化量表示为

其中，p₁₁,p₁₂是材料的应变弹光系数，υ是泊松比，ε＝ΔL₂/L₂是应变；

光程差变化量表示为：

其中，

是光纤的弹光系数；

从而实现应变信息转化为光程差信息。

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