CN112050966A - 一种基于混合级联结构的光纤传感器及制备方法 - Google Patents

一种基于混合级联结构的光纤传感器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于混合级联结构的光纤传感器及制备方法，包括毛细玻璃管、熔锥的单模光纤及两端设置的输入、输出光纤；传感头的输入端与光源相连，输出端与光谱仪相连，输入、输出光纤均为单模光纤；毛细玻璃管通过熔接机级联熔接在两个锥形之间。当检测区域的环境温度在25到95℃内，曲率在8.14到9.77m‑1，10.26到11.6m‑1内发生变化时，级联光谱中的特征透射峰的位置和强度会发生变化，通过对光谱仪采集的光谱进行快速傅里叶滤波之后，检测透射峰波长、强度的变化实现对温度、曲率变化的检测。本发明的光纤传感器体积小，集成度高，结构简单紧凑，耐腐蚀，抗电磁干扰能力强。

Description

一种基于混合级联结构的光纤传感器及制备方法
技术领域
本发明属于光纤传感制作技术领域，尤其涉及一种基于混合级联结构的光纤传感器及制备方法。
背景技术
温度及曲率测量涉及的范围非常广泛，如建筑结构的健康检测、机械工业、航空航天等多种军用、民用行业的环境监测。目前常用的温度和曲率传感器有很多种，包括传统电学传感器，如压电型电学器件等；新型光学传感器，主要是光纤布拉格光栅型、光纤长周期光栅型等。然而传统电学传感器由于其设计结构及使用材料的特点，其探测范围、灵敏度受到限制。此外在复杂的使用环境中，易受到外界物理量的干扰，对其稳定性和可靠性会造成影响。而光纤传感器是基于光纤为载体的器件，其结构紧凑小巧，价格低廉，适合大范围、高灵敏探测，在工业应用领域具有传统电学传感器所不具备的优势，特别是能够抵抗电磁干扰。但此类光栅型传感器的工作原理都是利用作用于光纤光栅上的物理量的变化量，从而引起光栅谐振峰的漂移，通过监测谐振峰的偏移量，来对物理量的变化量进行测量。在监测过程中，所检测的光谱一般为单个谐振峰，因此当温度和曲率同时对器件施加影响时，谐振峰会受到交叉调制，此时无法由光谱的漂移量测量单个物理量的变化。此外在单独测量一个物理量时，另外一个物理量的微扰也会给测量造成误差，影响传感器的测量精度。对于这种情况，一般需要采取补偿处理，这又增加了系统的复杂度和成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于混合级联结构的光纤传感器及制备方法，当温度和曲率同时作用于光纤传感头时，容易产生双参数交叉敏感的情况下，通过检测、解调不同的光波参量(透射峰的漂移量、振幅的变化量)，可解决双参数交叉敏感问题的用于对温度和曲率同时测量的光纤传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种基于混合级联结构的光纤传感器，包括毛细玻璃管、其两端的熔锥单模光纤一及熔锥单模光纤二，还包括两端设置的输入光纤、输出光纤；输入光纤、输出光纤均为单模光纤；熔锥部分为凸起的锥形，长度为305±2μm，锥形区的直径为160±2μm，两个锥形之间的距离不超过15mm。当检测区域的环境温度在25到95℃内，曲率在8.14到9.77m-1，10.26到11.6m-1内发生变化时，级联光谱中的特征透射峰的位置和强度会发生变化，通过对光谱仪采集的光谱进行快速傅里叶滤波之后，检测透射峰波长、强度的变化实现对温度、曲率变化的检测。
按上述技术方案，输入光纤、输出光纤和毛细玻璃管外径相同，且各部分光纤纤芯正对毛细玻璃管中心。
按上述技术方案，熔锥单模光纤一及熔锥单模光纤二和毛细玻璃管之间还分别设有一段单模光纤，该单模光纤长度不大于1.5mm。
按上述技术方案，毛细玻璃管的内径为75μm，外径为125μm，长度为3～10mm。
本发明还提供一种基于混合级联结构的光纤传感器的制备方法，该方法包括以下步骤，
S1、单模光纤预处理：选取两根单模光纤，去除涂覆保护层，将光纤的一端切平整；
S2、凸起锥型光纤的制作：使用光纤熔接机将经过S1处理的两根单模光纤熔接在一起；熔接完毕后，取下光纤，在距凸起锥型一端不超过1.5mm的地方将光纤切割成两段，将带有凸起锥型的一段留下；
S3、毛细玻璃管的处理及熔接：选取一根毛细玻璃管，去除掉毛细玻璃管的涂覆层，将毛细管的一端切平整，使然后间隔50到70mm的距离，切割出另一个平整的端面；
S4、凸起锥型光纤与毛细玻璃管的熔接：采用对芯熔接的方式，将两段凸起锥型光纤与毛细玻璃管熔接。
按上述技术方案，两根单模光纤，其内径为8μm，外径为125μm；毛细玻璃管，其内径为75μm，外径为125μm。
按上述技术方案，步骤S2中，设置光纤熔接机的熔接参数为：采用纤芯对准，重叠量140～150μm，放电强度为标准强度，放电时间为1800～2200ms，二次放电强度为标准强度，二次放电总时间1000ms，放电400ms，停止100ms。
按上述技术方案，步骤S4中，设置光纤熔接机的熔接参数为：放电强度-50～-60单位，放电时间400ms～600ms，熔接完成后，取下光纤，使用光纤切割刀截取毛细玻璃管部分到熔接点3到10mm，且切割整齐，再按上述步骤将玻璃管的另一端与凸起锥型光纤相熔接。
本发明产生的有益效果是：本发明的基于空芯光纤级联熔锥单模光纤的混合结构光纤传感器，通过检测毛细玻璃管管内透射峰的波长、强度变化以及毛细玻璃管级联两个凸起锥型单模光纤构成的马赫曾德尔干涉仪的干涉条纹的波长、强度进而得到的检测值，可以实现一个探头集成检测光谱中的两套机制，可以对两个物理量作出不同响应，通过相应的解调方法，则可以计算单个参数的变化量。该传感器在严苛复杂的使用条件下，能获得良好的性能，可解决实际环境中的双参数交叉敏感的问题且该传感器的体积小，集成度高，结构简单紧凑，耐腐蚀，造价低廉，测量精度高。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的基于空芯光纤级联熔锥单模光纤的混合结构光纤传感器结构示意图；
图2是本发明实施例的原始光谱；
图3是本发明实施例的温度测量实验装置结构示意图；
图4是本发明实施例的曲率测量实验装置结构示意图；
图5是本发明实施例的精细谱在不同温度下的漂移图；
图6是本发明实施例的大包络在不同温度下的强度变化图；
图7是本发明实施例的精细谱在不同曲率下的漂移图；
图8是本发明实施例的大包络在不同曲率下的强度变化图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：如图1所示，基于空芯光纤级联熔锥单模光纤的混合结构光纤传感器，在毛细玻璃管3两端级联有由单模光纤熔成的熔锥单模光纤一2及熔锥单模光纤二4，在混合结构2、3、4两端设置有输入光纤1和输出光纤5；该光纤传感器的输入端通过光纤1与光源相连，输出端通过输出光纤5与光谱仪相连，输入光纤1和输出光纤5均为单模光纤；毛细玻璃管3的内径为75μm，外径为125μm，长度为3～10mm；当检测区域的温度、曲率发生变化时，级联光谱中的特征透射峰的位置和强度会发生变化，通过对光谱仪采集的光谱进行快速傅里叶滤波之后，检测透射峰波长、强度的变化，并对其进行特定的信号处理即可实现对温度、曲率变化的检测。
熔锥单模光纤一2及熔锥单模光纤二4是由普通单模光纤放电熔接制成，输入光纤1、输出光纤5和毛细管3外径相同，且各部分光纤纤芯正对毛细玻璃管中心，五者之间通过对芯熔接的方式进行熔接。凸起锥型光纤2、4和毛细玻璃管之间还有一段单模光纤，距离不大于1.5mm。
实施例二：在毛细玻璃管两端级联有由单模光纤熔成的凸起锥型光纤，在混合结构两端设置有输入光纤和输出光纤。毛细玻璃管的内径为75μm，外径为125μm，选定的长度为5mm，所用单模光纤为标准单模光纤，当检测区域的温度、曲率发生变化时，级联光谱中的特征透射峰的位置和强度会发生变化，通过对光谱仪采集的光谱精细小条纹进行位置和强度的分析以及快速傅里叶滤波之后，检测毛细玻璃管反谐振透射峰波长、强度的变化，并对其进行特定的信号处理即可实现对温度、曲率变化的检测。
实施例三：基于空芯光纤级联熔锥单模光纤的混合结构光纤传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、单模光纤预处理：选取两根单模光纤，其内径为8μm，外径为125μm，使用剥纤钳或刀片去除掉光纤的涂覆保护层，并用酒精擦拭光纤表面以除去其残留物；使用光纤切割刀将光纤的一端切平整。
S2、凸起锥型光纤的制作：使用光纤熔接机将经过S1处理的两根单模光纤熔接在一起；设置光纤熔接机的熔接参数为：采用纤芯对准，重叠量150μm，放电强度为标准强度，放电时间为2000ms，二次放电强度为标准强度，二次放电总时间1000ms，放电400ms，停止100ms。熔接完毕后，取下光纤，使用光纤切割刀在距凸起锥型一端不超过1.5mm的地方将光纤切割成两段，将带有凸起锥型的一段留下。
S3、毛细玻璃管的处理及熔接：选取一根毛细玻璃管，其内径为75μm，外径为125μm，使用刀片去除掉毛细玻璃管的涂覆层，并用酒精擦拭毛细管表面以除去涂覆层残留物；使用光纤切割刀将毛细管的一端切平整，使然后间隔50到70mm的距离，切割出另一个平整的端面。
S4、凸起锥型光纤与毛细玻璃管的熔接：采用对芯熔接的方式，将两段凸起锥型光纤与毛细玻璃管熔接。设置光纤熔接机的熔接参数为：放电强度-60单位，放电时间600ms。熔接完成后，取下光纤，使用光纤切割刀截取毛细玻璃管部分到熔接点3到10mm，且切割整齐。再按上述步骤将玻璃管的另一端与凸起锥型光纤相熔接。
实施例四：空芯光纤级联熔锥单模光纤的混合结构光纤传感器的制作方法包括以下步骤：
一、单模光纤预处理：选取两根单模光纤，其内径为8μm，外径为125μm，使用剥纤钳或刀片去除掉光纤的涂覆保护层，并用酒精擦拭光纤表面以除去其残留物；使用光纤切割刀将光纤的一端切平整。
二、凸起锥型光纤的制作：使用光纤熔接机将经过S1处理的两根单模光纤熔接在一起；设置光纤熔接机的熔接参数为：采用纤芯对准，重叠量150μm，放电强度为标准强度，放电时间为2000ms，二次放电强度为标准强度，二次放电总时间1000ms，放电400ms，停止100ms。熔接完毕后，取下光纤，使用光纤切割刀在距凸起锥型一端1mm的地方将光纤切割成两段，将带有凸起锥型的一段留下。
三、毛细玻璃管的处理及熔接：选取一根毛细玻璃管，其内径为75μm，外径为125μm，使用刀片去除掉毛细玻璃管的涂覆层，并用酒精擦拭毛细管表面以除去涂覆层残留物；使用光纤切割刀将毛细管的一端切平整，使然后间隔60mm的距离，切割出另一个平整的端面。
四、凸起锥型光纤与毛细玻璃管的熔接：采用对芯熔接的方式，将两段凸起锥型光纤与毛细玻璃管熔接。设置光纤熔接机的熔接参数为：放电强度-60单位，放电时间600ms。熔接完成后，取下光纤，使用光纤切割刀截取毛细玻璃管部分到熔接点6mm，且切割整齐。再按上述步骤将玻璃管的另一端与凸起锥型光纤相熔接。即完成该传感器的制作。
使用该混合结构光纤传感器进行温度及曲率测量的应用过程为：
将器件两端的单模光纤分别接上光源和光谱仪就会得到图2中的原始光谱图。当该传感器用于测量温度时，将器件的探头部分即混合结构部分，放置在温度变化的环境中(加热炉)。如图5、图7所示，当炉中的温度发生变化时，器件的光谱的会相应的产生变化，光谱的精细谱波长位置会随着温度的增加而发生红移，进一步对光谱进行快速傅里叶滤波，滤除频率大于0.0874的干涉分量，获得大包络条纹强度会随着温度的增加而减小。如图3和图4所示，通过监测光谱上波长的变化及强度变化，就可以获得温度信息。此外，当该传感器用于测量曲率时，将器件的探头部分即混合结构部分，固定在两个水平对称的光学平台上。当两个光学平台相向运动时，器件的曲率会发生变化，根据以下表达式可计算出曲率的值。
Figure BDA0002086515650000061
式中，L是初始位置，d是平台的移动量，R是曲率半径，C曲率。
光谱中精细谱的波长位置会随着曲率的增加而发生红移，进一步对光谱进行快速傅里叶滤波，滤除频率大于0.0874的干涉分量，获得大包络条纹强度会随着曲率的增加而减小。如图6、图8所示。
在整个测量温度及曲率的过程中，光谱的温度响应和曲率响应表现出线性度良好的特性，其测量的温度灵敏度为25.76pm/m-1，0.017dB/℃；曲率灵敏度分别为230.23pm/℃，2.1dB/m-1。整体双参数测量的结果由以下表达式给出：
Figure BDA0002086515650000062
式中，△T和△C分别是温度和曲率的变化量。kλ,C和kλ,T分别为精细谱对曲率和温度的灵敏度。kI,C和kI,T分别为反谐振的曲率和温度的灵敏度。△I和△λ则为光强的变化量和透射峰的偏移量。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于混合级联结构的光纤传感器，其特征在于，包括毛细玻璃管、其两端的熔锥单模光纤一及熔锥单模光纤二，还包括两端设置的输入光纤、输出光纤；输入光纤、输出光纤均为单模光纤；熔锥部分为凸起的锥形，长度为305±2μm，锥形区的直径为160±2μm，两个锥形之间的距离不超过15mm。
2.根据权利要求1所述的基于混合级联结构的光纤传感器，其特征在于，输入光纤、输出光纤和毛细玻璃管外径相同，且各部分光纤纤芯正对毛细玻璃管中心。
3.根据权利要求1或2所述的基于混合级联结构的光纤传感器，其特征在于，熔锥单模光纤一及熔锥单模光纤二和毛细玻璃管之间还分别设有一段单模光纤，该单模光纤长度不大于1.5mm。
4.根据权利要求1或2所述的基于混合级联结构的光纤传感器，其特征在于，毛细玻璃管的内径为75μm，外径为125μm，长度为3～10mm。
5.一种权利要求1基于混合级联结构的光纤传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，
S1、单模光纤预处理：选取两根单模光纤，去除涂覆保护层，将光纤的一端切平整；
S2、凸起锥型光纤的制作：使用光纤熔接机将经过S1处理的两根单模光纤熔接在一起；熔接完毕后，取下光纤，在距凸起锥型一端不超过1.5mm的地方将光纤切割成两段，将带有凸起锥型的一段留下；
S3、毛细玻璃管的处理及熔接：选取一根毛细玻璃管，去除掉毛细玻璃管的涂覆层，将毛细管的一端切平整，使然后间隔50到70mm的距离，切割出另一个平整的端面；
S4、凸起锥型光纤与毛细玻璃管的熔接：采用对芯熔接的方式，将两段凸起锥型光纤与毛细玻璃管熔接。
6.根据权利要求5所述的基于混合级联结构的光纤传感器制备方法，其特征在于，两根单模光纤，其内径为8μm，外径为125μm；毛细玻璃管，其内径为75μm，外径为125μm。
7.根据权利要求5或6所述的基于混合级联结构的光纤传感器制备方法，其特征在于，步骤S2中，设置光纤熔接机的熔接参数为：采用纤芯对准，重叠量140～150μm，放电强度为标准强度，放电时间为1800～2200ms，二次放电强度为标准强度，二次放电总时间1000ms，放电400ms，停止100ms。
8.根据权利要求5或6所述的基于混合级联结构的光纤传感器制备方法，其特征在于，步骤S4中，设置光纤熔接机的熔接参数为：放电强度-50～-60单位，放电时间400ms～600ms，熔接完成后，取下光纤，使用光纤切割刀截取毛细玻璃管部分到熔接点3到10mm，且切割整齐，再按上述步骤将玻璃管的另一端与凸起锥型光纤相熔接。
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