CN112179535B - 一种双参量一体化传感器及其制备方法和监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双参量一体化传感器及其制备方法和监测系统，通过去除光纤表面的涂覆层和包层去并除杂，在同一段裸纤上采用熔接机对除杂后的裸纤进行挤压熔接形成两个间隔的光纤粗锥，利用激光刻写方法在两个光纤粗锥之间的光纤中刻写光栅，从而得到双参量一体化光纤传感器，能够同时用于应变和温度参量的测量，通过在一根光纤上制作两个粗锥耦合点，构成马赫曾德尔传感器，并在传感臂上采用飞秒激光刻写技术制作光纤光栅，采用光纤结构，不易腐蚀且灵敏度高，不易受到电磁干扰，在同一个监测点上能够同时获取应变和温度参量，提高了测量精度和检测范围。
Description
技术领域
本发明属于古建筑遗址保护技术领域，具体涉及一种双参量一体化传感器及其制备方法和监测系统。
背景技术
中国古代建筑是我国宝贵的文化遗产。随着岁月的侵蚀，古建筑结构在一定程度上会发生结构变形等不可挽回的损坏，对我国历史研究造成了巨大的损失。因此对古建筑进行结构监测保护，具有很高的必要性。光纤传感是以石英光纤作为信息的传输媒介，信号光作为信息的载体，利用外界环境因素的改变使得光在光纤中传播的波长等特征物理参量发生改变，从而对外界因素进行传感测量的技术。光纤传感器件具有抗电磁干扰、电绝缘性好、使用安全等诸多优点，它对传统的传感器起到提高与扩展的帮助，更重要的是，光纤类传感器件能完成传统的传感器难以或不能完成的传感测量任务。在古建筑健康管理监测时，一方面，古建筑应变数据的提取，对古建筑结构保护及健康分析至关重要；另一方面，应变的测量不可避免地要受到温度变化的影响，对温度数据的分离与提取，对古建筑结构保护同样重要，而目前常用的温度、应变传感器主要包括电阻测量、电容测量等电类传感器，该类传感器存在易受电磁干扰、灵敏度低、易于腐蚀氧化、同一个点上的温度、应变无法同时测量等不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双参量一体化传感器及其制备方法和监测系统，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双参量一体化传感器制备方法，包括以下步骤：
步骤1)、去除光纤表面的涂覆层和包层去并除杂；
步骤2)、在同一段裸纤上采用熔接机对除杂后的裸纤进行挤压熔接形成两个间隔的光纤粗锥；
步骤3)、利用激光刻写方法在两个光纤粗锥之间的光纤中刻写光栅，从而得到双参量一体化光纤传感器。
进一步的，在光纤上取1-5cm长度去除涂覆层和包层，将去除涂覆层和包层的裸纤部分采用酒精搽拭干净。
进一步的，将除杂后的光纤置于光纤熔接机的固定夹槽内，去掉初始复位程序，添加预应力，然后将防风盖按要求盖好后启动熔接机，在手动熔接模式下的挤压熔接。
进一步的，在裸纤上采用熔接机进行挤压熔接，保持其中一端步进机不动，使另一端步进机移动，完成一个光纤粗锥，然后保持另一个步进机不动，使其中一端步进机移动，完成另一个光纤粗锥制备。
进一步的，制备一个光纤粗锥时，熔接机上的步进机的推进距离为200μm～280μm，预熔时间在230ms～300ms。
进一步的，采用飞秒激光直写方法在光纤内刻写线条形成光栅结构。
进一步的，飞秒激光直写方法具体参数为：飞秒激光直写的环境温度为22℃～28℃，单次扫描距离为140μm～160μm，扫描速度设为900μm/s～1100μm/s，光束功率为142μW～144μW，光束能量为142nJ/pulse～144nJ/pulse，得到每毫米900～1100线的光纤光栅传感结构。
一种双参量一体化传感器，光纤上有两个间距为1-5cm的光纤粗锥，光纤粗锥的长度为410μm～415μm，光纤粗锥直径为165μm～170μm。
一种基于双参量一体化传感器的监测系统，其特征在于，包括光路模块、电路模块、数据采集处理模块和显示模块；光路模块用于获取双参量一体化传感器的采集信号并通过电路模块用于将采集信号进行放大，放大后的信号传输至数据采集处理模块进行保存并与设定阈值对比，并将对比结果通过显示模块进行显示。
进一步的，光路模块采用PIN光电二极管；电路模块包括依次连接的电流-电压转换放大电路、二级放大电路、低通滤波电路和无线传输模，对采集的信号放大109倍，数据采集处理模块采用PCIe8534型数采模块。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种双参量一体化传感器制备方法，通过去除光纤表面的涂覆层和包层去并除杂，在同一段裸纤上采用熔接机对除杂后的裸纤进行挤压熔接形成两个间隔的光纤粗锥，利用激光刻写方法在两个光纤粗锥之间的光纤中刻写光栅，从而得到双参量一体化光纤传感器，能够同时用于应变和温度参量的测量，通过在一根光纤上制作两个粗锥耦合点，构成马赫曾德尔传感器，并在传感臂上采用飞秒激光刻写技术制作光纤光栅，采用光纤结构，不易腐蚀且灵敏度高，不易受到电磁干扰，在同一个监测点上能够同时获取应变和温度参量，提高了测量精度和检测范围。
进一步的，搭建高灵敏度实时在线监测的光电转换及数据实时采集系统，对应变和温度的混合信号利用灵敏度矩阵方程进行分离与复现提取，避免了双参量间的相互干扰。
一种基于双参量一体化传感器的监测系统，通过光路模块、电路模块、数据采集处理模块和显示模块构成的监测系统，利用光路模块、电路模块、数据采集处理模块进行数据采集分析，对应变和温度参量设定阈值，完成古建筑的多参量传感预警，实现对古建筑结构的保护，结构简单，安全可靠，且便于安装。
附图说明
图1为本发明实施例中光纤粗锥型马赫曾德尔传感器结构示意图。
图2为本发明实施例中双参量一体化传感器示意图。
图3为本发明实施例中双参量一体化传感器的应变、温度标定系统。
图4为本发明实施例中基于双参量一体化传感器的监测系统使用结构示意图。
图中，1、光源；2、耦合器；3、双参量一体化传感器；4、光谱分析仪；5、密封盒；6、标准温度监测设备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
一种双参量一体化传感器制备方法，包括以下步骤：
步骤1)、去除光纤表面的涂覆层和包层去并除杂；
具体的，本申请取一段光纤，并在该段光纤上取L(1-5cm)长度去除涂覆层和包层，将去除涂覆层和包层的裸纤部分采用酒精搽拭干净；
光纤上的涂覆层和包层采用米勒钳剥去；
光纤采用单模光纤。选择一段光纤，用米勒钳将光纤的涂覆层和包层剥去，然后用蘸酒精的脱脂棉擦拭裸纤表面，保持光纤表面的干净整洁；
步骤2)、在同一段裸纤上采用熔接机对除杂后的裸纤进行挤压熔接形成两个间隔的光纤粗锥，光纤粗锥结构如图1所示；
具体的，把除杂达标的光纤置于光纤熔接机的固定夹槽内，去掉初始复位程序，添加预应力，保证光纤保持初始放置时的拉直状态；然后将防风盖按要求盖好后启动熔接机，在手动熔接模式下的挤压熔接；
具体的，在裸纤上采用熔接机进行挤压熔接，保持其中一端步进机不动，使另一端步进机移动，完成一个光纤粗锥，然后保持另一个步进机不动，使其中一端步进机移动，完成另一个光纤粗锥制备；制备一个光纤粗锥时，熔接机上的步进机的推进距离为200μm～280μm，预熔时间在230ms～300ms。
最终在光纤上形成的光纤粗锥的长度为410μm～415μm，直径为165μm～170μm，大于普通单模光纤的直径(125μm)。
步骤3)、利用激光刻写方法在两个光纤粗锥之间的光纤中刻写光栅，从而得到双参量一体化光纤传感器。
如图2所示，具体采用飞秒激光直写方法制作的双参量一体化光纤传感器，是采用飞秒激光在光纤内刻写线条的方法制作光栅。
本申请采用的光纤为单模光纤，飞秒激光直写的环境温度为22℃～28℃，将两个光纤粗锥之间的裸纤防止在载物台上，通过显微物镜的聚焦，将强光束先聚焦在载玻片上，使光束聚焦到载物台的光纤上。单次扫描距离为140μm～160μm，扫描速度设为900μm/s～1100μm/s，光束功率为142μW～144μW，光束能量为142nJ/pulse～144nJ/pulse，得到每毫米900～1100线的光纤光栅传感结构。
本申请取光纤的纤芯直径10μm，光纤的包层直径125μm；物镜数值孔径为0.42；飞秒激光直写的环境温度为25℃，将两个光纤粗锥之间的裸纤防止在载物台上，之后载物台下移70μm，通过显微物镜的聚焦，将强光束先聚焦在载玻片上单次扫描距离为150μm，扫描速度设为1000μm/s，光束功率设为143μW，光束能量设为143nJ/pulse，得到每毫米1000线的光纤光栅传感结构。
本申请基于光纤制作传感器的方法，制备马赫增德尔传感器。在光纤上用熔接机制作出两个光纤粗锥形成耦合点，两个光纤粗锥之间的部分为传感器的感知部分。然后在光纤传感臂上通过飞秒激光刻写的方法制作光纤光栅结构。
为了确定传感器的性能，设计传感器的应变、温度双参量实验传感系统。实验标定不同应变、温度环境下传感器的特性，最后利用灵敏度矩阵方程，实现对应力和温度的同时传感监测。
具体的：针对上述双参量一体化传感器的监测系统，包括光路模块、电路模块、数据采集处理模块和显示模块；光路模块用于获取双参量一体化传感器的采集信号并通过电路模块用于将采集信号进行放大，放大后的信号传输至数据采集处理模块进行保存并与设定阈值对比，并将对比结果通过显示模块进行显示。
具体的，光路模块采用PIN光电二极管；电路模块包括依次连接的电流-电压转换放大电路、二级放大电路、低通滤波电路和无线传输模，对采集的信号放大109倍，数据采集处理模块采用PCIe8534型数采模块。
为了解决应力和温度交叉敏感的问题，搭建传感器的应变、温度实验系统。如图3所示，采用C+L型宽带光源1(C+L型宽带光源波长为1500nm-1600nm)，采用MS740A光谱分析仪(日本安立公司)监测其干涉光谱；应变测量时，利用C+L型宽带光源1发出的光经过耦合器2传输入射到双参量一体化传感器3，用光谱分析仪4测量双参量一体化传感器的反射光谱，旋动应力架旋钮，实验测量不同应力环境下传感器应变监测；温度测量时，通过在密封盒能注入高温空气的方法，基于标准温度监测设备6对温度进行显示，实现不同温度下的双参量一体化传感器的标定。
通过对实验结果进行分析与总结，发现传感器的温度应力响应为波长漂移型线性响应，且四个灵敏度系数各不相同。因此可利用四个不同的灵敏度系数，采用列出灵敏度矩阵方程的方法来解决应力、温度同时区分测量的问题。设ΔF和ΔT是应力和温度的变化量。KF1和KT1分别为马赫曾德尔传感器的应力和温度响应灵敏度系数，KF2和KT2分别为光纤光栅监测峰中心波长的应力和温度响应灵敏度系数。由此获得双参量一体化传感器应力、温度响应灵敏度矩阵。如下式：
对式(1)变形，可得到当光纤马赫曾德尔传感器和光纤光栅中心波长变化时，对应的传感点的应变和温度的变化情况，如下式：
使用时，将双参量一体化传感器安装到古建筑房梁、房檐等处，对古建筑应变、温度进行实时测量和记录。采用宽带光源将带宽和功率足够大的光输入到用周期性三角波电压信号驱动的可调谐滤波器中，实现对波长的扫描，利用滤波器进行光路滤波分散，滤波器的透射光通过耦合器分为两路，一路作为参考光路输入标准具，另一路输入到双参量一体化传感器，双参量一体化传感器干涉信号再经光电放大和无线传输模块输出到数据采集处理模块；标准具输出信号通过光电转换电路进行光电转换，使输出信号满足数据采集处理模块的要求；数据处理模块对采集到的数据进行滤波操作，以剔除误差数据，并能实现数据的实时显示与存储功能，设定应力、温度阈值，对超过安全阀值数据进行报警提醒，便于对古建筑的监测与保护。
Claims (8)
1.一种双参量一体化传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、在光纤上取1-5cm长度去除涂覆层和包层，将去除涂覆层和包层的裸纤部分采用酒精搽拭干净；
步骤2)、将除杂后的光纤置于光纤熔接机的固定夹槽内，去掉初始复位程序，添加预应力，然后将防风盖按要求盖好后启动熔接机，在手动熔接模式下的挤压熔接，在同一段裸纤上采用熔接机对除杂后的裸纤进行挤压熔接形成两个间隔的光纤粗锥；
步骤3)、利用激光刻写方法在两个光纤粗锥之间的光纤中刻写光栅，从而得到双参量一体化光纤传感器。
2.根据权利要求1所述的一种双参量一体化传感器制备方法，其特征在于，在裸纤上采用熔接机进行挤压熔接，保持其中一端步进机不动，使另一端步进机移动，完成一个光纤粗锥，然后保持另一个步进机不动，使其中一端步进机移动，完成另一个光纤粗锥制备。
3.根据权利要求1所述的一种双参量一体化传感器制备方法，其特征在于，制备一个光纤粗锥时，熔接机上的步进机的推进距离为200μm～280μm，预熔时间在230ms～300ms。
4.根据权利要求1所述的一种双参量一体化传感器制备方法，其特征在于，采用飞秒激光直写方法在光纤内刻写线条形成光栅结构。
5.根据权利要求4所述的一种双参量一体化传感器制备方法，其特征在于，飞秒激光直写方法具体参数为：飞秒激光直写的环境温度为22℃～28℃，单次扫描距离为140μm～160μm，扫描速度设为900μm/s～1100μm/s，光束功率为142μW～144μW，光束能量为142nJ/pulse～144nJ/pulse，得到每毫米900～1100线的光纤光栅传感结构。
6.一种基于权利要求1所述一种双参量一体化传感器制备方法制备得到的双参量一体化传感器，其特征在于，光纤上有两个间距为1-5cm的光纤粗锥，光纤粗锥的长度为410μm～415μm，光纤粗锥直径为165μm～170μm。
7.一种基于权利要求1制备的双参量一体化传感器的监测系统，其特征在于，包括光路模块、电路模块、数据采集处理模块和显示模块；光路模块用于获取双参量一体化传感器的采集信号并通过电路模块用于将采集信号进行放大，放大后的信号传输至数据采集处理模块进行保存并与设定阈值对比，并将对比结果通过显示模块进行显示。
8.根据权利要求7所述的监测系统，其特征在于，光路模块采用PIN光电二极管；电路模块包括依次连接的电流-电压转换放大电路、二级放大电路、低通滤波电路和无线传输模，对采集的信号放大109倍，数据采集处理模块采用PCIe8534型数采模块。
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| CN208568590U (zh) * | 2018-08-01 | 2019-03-01 | 广州特种承压设备检测研究院 | 一种折射率传感器及其构成的折射率检测系统 |
-
2020
- 2020-08-28 CN CN202010888331.9A patent/CN112179535B/zh active Active
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|---|
| 基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制;赵娜等;《光谱学与光谱分析》;20140630;第34卷(第6期);第1722-1725页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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