CN112414597A - 一种基于锥腰嵌入凸泡的超高灵敏度光纤应力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于锥腰嵌入凸泡的超高灵敏度光纤应力传感器，包括宽带光源、传感头、光纤光谱分析仪、环形器，其特征在于：所述传感头由普通单模光纤拉锥细化后，在锥腰部分利用特殊的光纤熔接技术制成凸出于原锥腰直径的气泡法布里珀罗微腔。锥腰直径为20‑50μm，锥腰长度为200‑1000μm，锥过渡区域长度为400‑700μm。嵌入锥腰的气泡法布里珀罗微腔为椭球型，纵向为长轴，直径始终大于锥腰直径；横向为短轴，直径始终小于纵向长轴；微腔壁厚为1‑10μm。本发明利用波长解调的方法，通过测量气泡法布里珀罗微腔干涉仪反射谱的谐振波长漂移量，来反演出传感器所承受的对应的应力大小，从而实现对应力的传感测量。本发明具有结构紧凑、体积小、成本低、抗电磁干扰、解调简单、超高灵敏度等优点。
Description
技术领域
本发明提供了一种基于锥腰嵌入凸泡的超高灵敏度光纤应力传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
近年来，光纤传感器凭借其尺寸小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐高温等独特的优势，在物理参数测量领域被广泛应用，例如温度、压力、折射率、流速和应力。其中，光纤应力传感器在结构健康监测、医学监测和军事领域等方面有许多应用。在众多的光纤应力传感器中，因为制造过程简单且成本低，大多基于光纤马赫曾德尔干涉仪(MZIs)和光纤布拉格光栅(FBG)的原理制作。但是，这两种结构作为传感器具有一个共同的缺点，即它们在应力测量过程中也对温度敏感。因此，需要一些补偿方法来解决应力和温度的交叉影响，这大大增加了制造成本和解调的复杂性。而空气腔法布里珀罗干涉仪(FPIs)的热灵敏度低，所以通过在光纤内部制造气腔而形成的FPI可以有效地解决这一问题。目前在光纤内部制造气腔的方法有：飞秒激光微加工、化学蚀刻、熔融塌陷光子晶体光纤(PCF)等。但是这些基于FPI的光纤应力传感器所获得的灵敏度仅与基于FBG的应力传感器灵敏度(1.2pm/με)相当。因此，探索具有高灵敏度的气腔法布里珀罗光纤应力传感器成为研究热点。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供一种基于锥腰嵌入凸泡的超高灵敏度光纤应力传感器，具有结构紧凑、体积小、成本低、抗电磁干扰、解调简单、超高灵敏度等优点。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：一种基于锥腰嵌入凸泡的超高灵敏度光纤应力传感器，包括宽带光源、传感头、光纤光谱仪、环形器，其特征在于：所述传感头由普通单模光纤拉锥细化后，在锥腰部分利用特殊的光纤熔接技术制成凸出于原锥腰直径的气泡法布里珀罗微腔。锥腰直径为20-50μm，锥腰长度为200-1000μm，锥过渡区域长度为400-700μm。嵌入锥腰的气泡法布里珀罗微腔为椭球型，纵向为长轴，直径始终大于锥腰直径；横向为短轴，直径始终小于纵向长轴；微腔壁厚为1-10μm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1.本传感头由普通单模光纤制成，成本低、结构紧凑，抗电磁干扰能力强。
2.本发明较之基于游标效应的光纤应力传感器，具有超高灵敏度的同时解调更简单快捷。
3.本应力传感器不受温度的交叉影响，无需进行温度补偿。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明进一步说明：
图1为基于锥腰嵌入凸泡的超高灵敏度光纤应力传感头结构示意图；
图2为本发明的实施应用系统示意图；
图3为本发明在不同应力作用下的干涉光谱变化图；
图4为本发明应力灵敏度线性拟合图。
图中：1(a).单模光纤包层，1(b).单模光纤纤芯，2.单模光纤锥过渡区域，3.单模光纤锥腰，4.气泡微腔，5.光纤光谱分析仪，6.宽带光源，7.环形器，8.光纤传感头。
具体实施方式
图1为本发明传感头的结构示意图，其制作方法及步骤为：第一步：直径为125μm的普通单模光纤1通过放电拉伸，形成双锥形单模光纤，其中锥过渡区域2长度为400-700μm，锥腰3直径为20-50μm，锥腰3长度为200-1000μm；第二步：将双锥形单模光纤在锥腰中间切断，得到两个单锥形单模光纤；第三步：利用飞秒激光脉冲在一个单锥形单模光纤的锥腰端面刻蚀一个微槽；第四步：将这两个锥形光纤再熔接到一起，熔接点形成气泡法布里珀罗微腔，通过控制熔接的放电量与放电时间，得到凸出于锥腰的椭球型气泡法布里珀罗微腔，其纵向为长轴，直径始终大于锥腰直径；横向为短轴，直径始终小于纵向长轴；微腔壁厚为1-10μm。
图2为本发明的实施应用系统示意图，包括宽带光源5、光纤光谱分析仪6、环形器7、传感头8。其中，宽带光源5与光纤光谱分析仪6分别连接环形器7的输入端与输出端，传感头8与环形器7的反馈端相连。
结合图1、2，具体介绍本发明的工作原理：宽带光源5通过环形器7将光入射到传感头8中形成干涉光，再通过环形器7将干涉光反馈至光纤光谱分析仪6记录传感器8的反射谱。当传感头受到应力作用时，气泡微腔的腔长发生改变，从而导致该干涉仪反射谱的谐振波长发生漂移。对传感头施加不同的应力，对应谐振波长产生不同的漂移量，从而得到应力大小与谐振波长漂移量的函数关系，完成传感器的定标。当本传感器置于待测应力环境中时，根据其反射谱的波长漂移量即可反演出应力的大小，从而实现对应力的传感。
图3为本发明在0-200με的应变范围内的干涉光谱漂移图，图4为本发明干涉谱在1550nm附近的波谷对应的波长随应变大小变化的线性拟合图，该发明的应力传感器灵敏度为101.7pm/με。
最后，以上所述的具体实施实例仅用以说明本发明的技术方案，并非限制，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于锥腰嵌入凸泡的超高灵敏度光纤应力传感器，包括宽带光源、传感头、光纤光谱分析仪、环形器，其特征在于：所述传感头由普通单模光纤拉锥细化后，在锥腰部分利用特殊的光纤熔接技术制成凸出于原锥腰直径的气泡法布里珀罗微腔。
2.根据权利要求1所述的一种基于锥腰嵌入凸泡的超高灵敏度光纤应力传感器，其特征在于：锥腰直径为20-50μm，锥腰长度为200-1000μm，锥过渡区域长度为400-700μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于锥腰嵌入凸泡的超高灵敏度光纤应力传感器，其特征在于：嵌入锥腰的气泡法布里珀罗微腔为椭球型，纵向为长轴，直径始终大于锥腰直径；横向为短轴，直径始终小于纵向长轴；微腔壁厚为1-10μm。
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