CN110987230B - 一种双参量光纤传感模块及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双参量光纤传感模块及系统，属于光纤领域；双参量光纤传感系统具体包括：顺次连接的宽带光源、双参量光纤传感模块和光谱分析仪；宽带光源将入射光束传输至双参量光纤传感模块，双参量光纤传感模块发生基于反谐振光参与的MZ干涉，光谱分析仪用于接收输出光束，并解调输出光束中加载的温度信息和应力信息。双参量光纤传感模块包括顺次熔接的第一单模光纤、第一多模光纤、毛细管、第二多模光纤、第二单模光纤；该传感模块的原理是毛细管空气孔中的反谐振光束和包层中的包层光束发生MZ干涉；本发明仅通过光纤熔接机就能完成制作，结构简单紧凑，易于制作，可重复性和稳定性均较好。
Description
技术领域
本发明属于光纤领域，更具体地，涉及一种双参量光纤传感模块及系统。
背景技术
与传统的电子传感器相比，光纤传感器因具有体积小、耐高温、响应速度快、抗电磁干扰、适应苛刻环境下测试等优点，受到了许多学者和科研人员的青睐，被广泛应用于物理、化学等领域。近年来，随着实际应用需求的增加，研究者们开始致力于多参量光纤传感技术研究，而能够实现双参量测量的光纤传感器更是层出不穷。尤其值得一提的是，光纤传感器能够同时测量温度和应变，在环境监测、土木工程和石油测井等诸多领域具有广泛的应用价值和重要的研究意义。
当前用于温度、应变双参量测量的光纤传感器通常是将布拉格光纤光栅与多模光纤、光纤FP腔等结构级联制备而成。而上述传感器主要通过级联后产生的两个不同谐振峰来实现温度和应变的同时测量。但对光纤光栅刻写技术要求相对较高，往往需要用到飞秒激光器或者相位掩膜板等昂贵且复杂的技术设备，成本太高，并且上述光纤传感器的温度灵敏度也相对较低，应力承受范围有限，很难应用于实际工业生产之中。考虑到刻蚀光栅的成本，研究者们更偏向于另一种低成本的光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。MZ(Mach-Zehnder)干涉的原理主要是在光纤内部制作微结构作为耦合器，把纤芯中的一部分光耦合到包层模中，再把包层模耦合到纤芯中，两束光在光纤内部再次相遇时因相位差产生了干涉。采用上述方法制备的器件具有结构紧凑、稳定性好和传感灵敏度高等优点，具有较高的研究与应用价值。但目前大多数制作上述传感器的方法是利用错位、偏芯、拉锥、打孔等熔接手段，使得传感器的可重复性和稳定性较差，而且易受外界环境因素的影响。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种双参量光纤传感模块及系统，旨在解决现有的基于MZI的双参量光纤传感器因工艺复杂导致传感器的可重复性和稳定性较差问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种双参量光纤传感模块，包括顺次熔接的第一单模光纤、第一多模光纤、毛细管、第二多模光纤、第二单模光纤；
第一单模光纤用于接收入射光束，并将其传输至第一多模光纤；第一多模光纤用于将入射光束转换为多模式从而使其进入毛细管后分为反谐振光束和包层光束；毛细管空气孔中的反谐振光束和包层中的包层光束发生MZ干涉；第二多模光纤用于将反谐振光束和包层光束发生MZ干涉产生的光束耦合至第二单模光纤；
其中，第一多模光纤和第二多模光纤的芯径大于毛细管的空气孔芯径。
优选地，第一多模光纤和第二多模光纤的芯径为50μm，数值孔径为0.22；毛细管的空气孔芯径为30μm，包层厚度为47.5μm。
另一方面，本发明提供了一种双参量光纤传感系统，包括：顺次连接的宽带光源、双参量光纤传感模块和光谱分析仪；
宽带光源将入射光束传输至双参量光纤传感模块，双参量光纤传感模块发生基于反谐振光参与的MZ干涉，光谱分析仪用于接收输出光束，并解调输出光束中加载的温度信息和应力信息；
输出光谱同时具有常规MZ干涉产生的梳状谱和反谐振光谱的特征。
优选地，双参量光纤传感模块包括顺次熔接的第一单模光纤、第一多模光纤、毛细管、第二多模光纤、第二单模光纤；
第一单模光纤用于接收入射光束，并将其传输至第一多模光纤；第一多模光纤用于将入射光束转换为多模式从而使其进入毛细管后分为反谐振光束和包层光束；毛细管空气孔中的反谐振光束和包层中的包层光束发生MZ干涉；第二多模光纤用于将反谐振光束和包层光束发生MZ干涉产生的光束耦合至第二单模光纤；
其中，第一多模光纤和第二多模光纤的芯径大于毛细管的空气孔芯径。
优选地，第一多模光纤和第二多模光纤的芯径为50μm，数值孔径为0.22；毛细管的空气孔芯径为30μm，包层厚度为47.5μm。
另一方面，本发明提供了一种双参量测量方法，包括：
(1)将多模式的入射光束分成包层光束和反谐振光束；
(2)包层光束与反谐振光束发生MZ干涉形成输出光束；
(3)通过解调输出光束的波长和强度，获取温度和应力大小。
优选地，输出光束特定波长对温度的灵敏度为24.4pm/℃，其强度对温度的灵敏度为0.182dB/℃；其强度对应力的灵敏度为15.9dB/mε。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提出的光纤传感模块仅通过光纤熔接机就能完成制作，结构简单紧凑，易于制作，可重复性和稳定性均较好，同时具有成本低廉，体积小、损耗低、温度应变灵敏度高的优点。
(2)本发明提出的双参量光纤传感单元基于反谐振光参与的MZ干涉，不同于传统的MZ干涉，本发明提出的MZ干涉是一路反谐振光束和一路包层光束相干叠加而成，所形成的输出光谱同时具有传统MZ干涉的梳状谱和反谐振光谱的特征。
(3)本发明通过实验证明了随着温度的升高，输出光束的特定谐振波长发生红移，强度增大。灵敏度分别为24.4pm/℃和0.182dB/℃，同时随着应变的增加，dip的波长几乎不漂移，只有强度增大，灵敏度为15.9dB/mε。因此本发明在测量温度和应力两个参量方面具有实用性。
附图说明
图1是本发明提供的双参量光纤传感模块示意图；
图2(a)是本发明提供的第一多模光纤和第二多模光纤的横截面图；
图2(b)是本发明提供的毛细管的横截面图；
图3是本发明提供的双参量光纤传感模块内光路传输原理图；
图4是本发明提供的输出光束的光谱图；
图5是本发明提供的温度和应变传感实验装置图；
图6(a)是本发明提供的随着温度的升高，输出光束波长和强度的变化趋势图；
图6(b)是本发明提供的输出光束波长和强度对温度的灵敏度图；
图6(c)是本发明提供的随着应力的增大，输出光束的波长和强度的变化趋势图；
图6(d)是本发明提供的输出光束的波长对应力的灵敏度图；
标记说明：
21-第一多模光纤和第二多模光纤的芯径；22-毛细管的空气孔芯径；23-包层厚度；31-第一单模光纤；32-第一多模光纤；33-毛细管；34-第二多模光纤；35-第二单模光纤；41-宽带光源；42-双参量光纤传感模块；43-光谱分析仪；44-二维应力位移平台；45-支架台；46-热电制冷器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一方面，本发明提供了双参量光纤传感模块，包括顺次熔接的第一单模光纤31、第一多模光纤32、毛细管33、第二多模光纤34、第二单模光纤35；
第一单模光纤31用于接收入射光束，并将其传输至第一多模光纤32；第一多模光纤32用于将入射光束转换为多模式从而使其进入所述毛细管33后分为反谐振光束和包层光束；毛细管33空气孔中的反谐振光束和包层中的包层光束发生MZI干涉；第二多模光纤34用于将反谐振光束和包层光束发生MZ干涉产生的光束耦合至第二单模光纤35；
其中，第一多模光纤32和第二多模光纤34的芯径21大于毛细管33的空气孔芯径22。
优选地，第一多模光纤32和第二多模光纤34的芯径21为50μm，数值孔径为0.22；毛细管33的空气孔芯径22为30μm，包层厚度23为47.5μm。
另一方面，本发明提供了一种双参量光纤传感系统，包括：顺次连接的宽带光源41、双参量光纤传感模块42和光谱分析仪43；
宽带光源41将入射光束传输至双参量光纤传感模块42，双参量光纤传感模块42发生基于反谐振光的MZI干涉，光谱分析仪43用于接收输出光束，并解调输出光束中加载的温度信息和应力信息；
输出光束包括MZI干涉产生的光束和反谐振光。
优选地，双参量光纤传感模块42包括顺次熔接的第一单模光纤31、第一多模光纤32、毛细管33、第二多模光纤34、第二单模光纤35；
第一单模光纤31用于接收入射光束，并将其传输至第一多模光纤32；第一多模光纤32用于将入射光束转换为多模式从而使其进入毛细管33后分为反谐振光束和包层光束；毛细管33空气孔中的反谐振光束和包层中的包层光束发生MZI干涉；第二多模光纤34用于将反谐振光束和包层光束发生MZ干涉产生的光束耦合至第二单模光纤35；
其中，第一多模光纤32和第二多模光纤34的芯径21大于毛细管33的空气孔芯径22。
优选地，第一多模光纤32和第二多模光纤34的芯径21为50μm，数值孔径为0.22；毛细管33的空气孔芯径22为30μm，包层厚度23为47.5μm。
另一方面，本发明提供了一种双参量测量方法，包括：
(1)将多模式的入射光束分成包层光束和反谐振光束；
(2)包层光束与反谐振光束发生MZI干涉形成输出光束；
(3)通过解调输出光束的波长和强度，获取温度和应力大小。
优选地，输出光束波长对温度的灵敏度为24.4pm/℃，其强度对温度的灵敏度为0.182dB/℃；其强度对应力的灵敏度为15.9dB/mε。
实施例
如图1所示，本发明提供了双参量光纤传感模块，包括顺次熔接的第一单模光纤31、第一多模光纤32、毛细管33、第二多模光纤34和第二单模光纤35；制作过程就是利用光纤熔接机进行熔接，先在一端毛细管两端熔上两端熔上两段多模光纤，然后再在两端多模光纤另一侧分别熔上一根单模光纤，形成单模-多模-毛细管-多模-单模传感结构。
图2(a)为本发明所采用的多模光纤的孔径参数，图2(b)为本发明所采用的毛细管的孔径参数，第一多模光纤和第二多模光纤的纤芯直径21为50μm，数值孔径为0.22，毛细管的空气芯直径22为30μm，包层厚度23为47.5μm。
图3和图4为本发明提供的单模-多模-毛细管-多模-单模传感结构的传输光路图和输出光束的光谱图，本发明提出的双参量光纤传感模块具体的基本原理为：
根据图3所示，由于第一单模光纤31与第一多模光纤32之间的模场失配，第一多模光纤32中将激发多个模式；当多个模式被传送到第一多模光纤32和毛细管33之间的接口时，入射光束被分为两个路径：一条路径为入射光束传送到毛细管32的空气孔中，另一条路径为入射光束传送到毛细管32的包层中；一条路径中的入射光束将在内部空气与外部二氧化硅的界面处来回反射；另一条路径中的入射光束将在二氧化硅与外界空气之间的界面处来回反射；上述毛细管相当于FP腔。当入射光束波长不能满足共振条件(反谐振光束)时，入射光束将被反射回FP腔，并被限制在毛细管的空气孔中；相反，当入射光束波长满足共振条件(共振波长)时，入射光束会以漏模的形式通过FP腔从毛细管包层漏出。此外，耦合到包层中的入射光束将激发多个不同阶次的包层模，并产生多模干涉。然而，由于不同包层模式之间的折射率差异很小，而且干涉光束路径很短，可以忽略由于多模干涉引起的光束强度变化，从而使不同的包层模式退化为一束光束即包层光束。当光束的两条路径到达第二多模光纤34时，将形成反谐振光束参与的MZ干涉。通常，毛细管包层和空气的折射率差大约为0.45，因此，虽然干涉长度相对较短，但两束光路之间仍存在较大的光程差。
如上所述，双参量光纤传感模块的输出光束的光谱是反谐振光束与包层光束之间MZ干涉的结果，强度近似恒定。假设包层光束耦合到第二多模光纤34的强度为Iclad＝A，其中A表示包层光束的强度系数。第二多模光纤34上的反谐振光束入射强度可以表示为：
其中，B，F分别为输出光束的强度系数和条纹精细度；η为反谐振光束的背景光，影响谐振波长的深度；λ为输出光束的波长，ΔOPDanti是相邻的反谐振光束的光程差，可以表示为：
其中，d为毛细管的包层厚度；nclad，nair分别是毛细管包层和空气的折射率；在MZI干涉条件下，输出光束的光谱可以表示为：
其中，Δn为毛细管的包层和空气之间的折射率差；L为毛细管的有效长度。最终实验熔接完毕结构后得到输出光束的光谱如图4所示，从图4可以看出输出光束的光谱包括反谐振光束包络以及MZ干涉梳状谱。
图5为温度和应变测试实验装置图，包括宽带光源41(BBS)、单模-多模-毛细管-多模-单模传感模块42，热电制冷器46(TEC)，二维应力位移平台44，光谱分析仪43(OSA)，双参量光纤传感模块42被固定在热电制冷器46的工作区域，两端通过熔接单模光纤使得整体置于二维位移平台44之上，然后伸出的两端分别接入光谱分析仪43和宽带光源41。具体工作原理：宽谱光源41发出的光通过第一单模光纤31传输至单模-多模-毛细管-多模-单模结构的双参量光纤传感模块42，输出光束经过第二单模光纤35耦合进入到光谱分析仪43中，实验中通过调节热电制冷器46来改变温度，通过调节二维应力位移平台44来提供应变，最终通过分析光谱仪43显示光谱的波长漂移和强度变化来解调出相应的温度应变信息。
如图6所示，图6为实验测得双参量光纤传感模块42对温度和应变的响应图。具体地，在实验中，第一多模光纤32和第二多模光纤34的长度选择为1.4mm，毛细管33长度为2.2mm，由此得到的输出光束光谱对比度较高方便后续实验测量。
为了监测温度引起的变化趋势，选择与谐振波长1580.72nm相对应的衰减峰(dip)。实验开始时，通过调整二维应力位移平台44，使双参量光纤传感模块42包含的光纤保持在自然伸长状态，然后通过TEC46控制温度从25℃增加到65℃，间隔步长为5℃。为了避免温度波动引起的测量误差，选择温度控制精度为0.1℃，并在记录前将温度保持10min。如图6(a)所示，随着温度的升高，该dip的波长发生了红移且强度也随之变大。如图6(b)所示，温度对波长的灵敏度为24.4pm/℃，对强度的灵敏度为0.182dB/℃。
开始进行应变测量，双参量光纤传感模块42被两个光纤支架台45夹住，左侧支架安装在固定物体上，另一个固定在位移平台44上，位移分辨率为10μm。在室温为25℃时，施加在双参量光纤传感模块42上的应变为从0到736με，每40μm的位移步长等于92με的应变，室温下所选dip的波长仍为1580.72nm。如图6(c)所示，随着应变的增加，dip的波长几乎不漂移，只有强度变化。根据图6(d)中的结果，可以看出dip的波长漂移小于0.02nm，相当于光谱仪的最小分辨率，最终得到的应变灵敏度为0.0159dB/με。
总而言之，本发明提出了一种双参量光纤传感系统产生的MZ干涉是由上述提到的单模-多模-毛细管-多模-单模(MCM)结构产生的。与单纯的加法和乘法不同，本发明中的MZI干涉被看作是毛细管中的反谐振光束和包层光束之间的MZ干涉。在热膨胀效应、热光效应和弹光效应的基础上，通过仿真分析了传感器的温度和应变特性。理论结果显示，该结构的透射谱中特定dip的波长和强度随温度变化呈良好的线性关系，但改变应变只会导致强度的线性变化，不会引起波长漂移。因此可以通过建立一个敏感矩阵，来实现温度和应变的双参量解调。
综上所述，本发明有以下优势：
(1)本发明所提出的传感器仅通过光纤熔接机就能完成制作，结构简单紧凑，易于制作，可重复性和稳定性均较好，同时具有成本低廉，体积小、损耗低、温度应变灵敏度高的优点。
(2)本发明提出的双参量光纤传感单元基于反谐振光的MZ干涉，不同于传统的MZ干涉，本发明提出的MZ干涉是一路反谐振光束和一路包层光束相干叠加而成，所形成的输出光束既具有传统MZ干涉的梳状谱又包含反谐振光的包络谱。
(3)本发明通过实验证明了随着温度的升高，输出光束的谐振波长发生红移，强度增大。灵敏度分别为24.4pm/℃和0.182dB/℃，同时随着应变的增加，dip的波长几乎不漂移，只有强度增大，灵敏度为15.9dB/mε。因此本发明在测量温度和应力两个参量方面具有实用性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种双参量光纤传感模块，其特征在于，包括顺次熔接的第一单模光纤(31)、第一多模光纤(32)、毛细管(33)、第二多模光纤(34)和第二单模光纤(35)，所述毛细管(33)的包层内部形成空气孔；
所述第一单模光纤(31)用于接收入射光束，并将其传输至所述第一多模光纤(32)；由于所述第一单模光纤(31)与第一多模光纤(32)之间的模场失配，所述第一多模光纤(32)用于将入射光束转换为多模式从而使其进入所述毛细管(33)后分为反谐振光束和包层光束，并将所述反谐振光束传输至所述毛细管(33)的空气孔中，将所述包层光束传输至所述毛细管(33)的包层中；所述毛细管(33)空气孔中的反谐振光束和包层中的包层光束发生MZ干涉；所述第二多模光纤(34)用于将反谐振光束和包层光束发生MZ干涉产生的光束耦合至所述第二单模光纤(35)；所述第二单模光纤(35)输出光束的光谱同时具有常规MZ干涉产生的梳状谱和反谐振光谱的特征，以使得分析光谱仪可根据所述第二单模光纤(35)输出光束的波长漂移和强度变化来解调出相应的温度应变信息；
其中，所述第一多模光纤(32)和第二多模光纤(34)的芯径(21)大于所述毛细管(33)的空气孔芯径(22)。
2.根据权利要求1所述的双参量光纤传感模块，其特征在于，所述第一多模光纤(32)和第二多模光纤(34)的芯径(21)为50μm，数值孔径为0.22；所述毛细管(33)的空气孔芯径(22)为30μm，包层厚度(23)为47.5μm。
3.一种双参量光纤传感系统，包括顺次连接的宽带光源(41)、双参量光纤传感模块(42)和光谱分析仪(43)；
所述宽带光源(41)将入射光束传输至所述双参量光纤传感模块(42)，所述双参量光纤传感模块(42)发生基于反谐振光参与的MZ干涉，所述光谱分析仪(43)用于接收输出透射光束，并显示光谱的波长漂移和强度变化来解调输出光谱中加载的温度信息和应力信息；
所述输出光谱同时具有常规MZ干涉产生的梳状谱和反谐振光谱的特征；
所述双参量光纤传感模块(42)包括顺次熔接的第一单模光纤(31)、第一多模光纤(32)、毛细管(33)、第二多模光纤(34)和第二单模光纤(35)，所述毛细管(33)的包层内部形成空气孔；
所述第一单模光纤(31)用于接收入射光束，并将其传输至所述第一多模光纤(32)；由于所述第一单模光纤(31)与第一多模光纤(32)之间的模场失配，所述第一多模光纤(32)用于将入射光束转换为多模式从而使其进入所述毛细管(33)后分为反谐振光束和包层光束，并将所述反谐振光束传输至所述毛细管(33)的空气孔中，将所述包层光束传输至所述毛细管(33)的包层中；所述毛细管(33)空气孔中的反谐振光束和包层中的包层光束发生MZ干涉；所述第二多模光纤(34)用于将反谐振光束和包层光束发生MZ干涉产生的光束耦合至所述第二单模光纤(35)；
其中，所述第一多模光纤(32)和第二多模光纤(34)的芯径(21)大于所述毛细管(33)的空气孔芯径(22)。
4.根据权利要求3所述的双参量光纤传感系统，其特征在于，所述第一多模光纤(32)和第二多模光纤(34)的芯径(21)为50μm，数值孔径为0.22；所述毛细管(33)的空气孔芯径(22)为30μm，包层厚度(23)为47.5μm。
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