CN112859237A - 一种基于多芯光纤传感器的复合探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多芯光纤传感器的复合探测装置，涉及传感探测领域，包括光源模块、光纤耦合模块、传感探测光纤模块、成像光纤模块、传感解调模块、光电转换模块、信号处理模块和上位机；光源模块产生宽带光信号并传输至光纤耦合模块；光纤耦合模块将宽带光信号耦合成两束宽带光信号并分别传输至传感探测光纤模块和成像光纤模块，传感探测光纤模块探测待测对象的弯曲度、温度、折射率和应力信息并通过传感解调模块发送至信号处理模块；成像光纤模块用于测量待测对象的图像信息并通过光电转换模块发送至信号处理模块，信号处理模块将接受到的两路电信号，进行信号处理后传输至上位机。本发明能够对多个不同的参量进行同时检测。
Description
技术领域
本发明涉及传感探测领域，具体涉及一种基于多芯光纤传感器的复合探测装置。
背景技术
申请号为201310710629.0的发明专利公开了一种多芯光纤、采用该多芯光纤的传感装置及其运行方法，其采用三个或以上纤芯的光纤，至少一根纤芯作为光信号纤芯，其它纤芯作为感测纤芯，光纤内测试纤芯和感测纤芯的长度不同，不同长度的纤芯在相同待测物理量的位置获取不同光信号，经过比较得到探测结果，该光纤内部纤芯呈螺旋状分布且长度不同，制作难度较大，且成本较高，该方法仅能对不同位置的同一参量进行测试，不能同时测试多个参量，测试范围较小。
申请号为CN201310258720.3的发明专利公开了一种多芯光纤的分布式传感方法，该方法采用了空分复用的方式实现多芯光纤的分布式传感，但是，其未说明如何消除温度、应变、压力等环境参量对所述传感光纤的交叉影响，或者如何同时对温度、应变、压力等环境参量进行探测。申请号为201310258720.3的发明专利公开了一种将多芯光纤错位熔接的干涉仪制备方法，该方法采用空分复用的方法，在一根光纤上实现了多通道干涉仪的集成，但该方法未说明能够探测哪些物理量，如何区分消除各物理量之间的影响，未具体说明利用多通道进行物理量探测的方法步骤，并且需要多芯耦合器将纤芯内的光信号引出，增加了干涉仪的成本与复杂度。
目前利用光纤进行传感探测的方式主要有干涉型传感器、光栅型传感器、拉曼或布里渊散射的分布式传感器等，短距离、小范围的探测采用点阵式或准分布式的传感器。然而，在实际应用过程中，诸如温度、应力、弯曲度、折射率等参量同时作用于传感器，需要传感器对多个参量进行同时探测并且结果互不干扰。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于多芯光纤传感器的复合探测装置，能够对多个不同的参量进行同时检测，且互不干扰，实现复合探测。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于多芯光纤传感器的复合探测装置，包括光源模块、光纤耦合模块、传感探测光纤模块、成像光纤模块、传感解调模块、光电转换模块、信号处理模块和上位机；
所述光源模块用于产生传感探测光纤和成像光纤模块所需的宽带光信号并传输至光纤耦合模块；
所述光纤耦合模块用于将宽带光信号耦合成两束宽带光信号：探测信号和成像信号，将探测信号传输至传感探测光纤模块，将成像信号传输至成像光纤模块；
所述传感探测光纤模块包括探测光纤，其用于探测待测对象的弯曲度、温度、折射率和应力信息并发送至传感解调模块，所述传感解调模块用于解调传感探测光纤模块发送的透射光信号并通过信号处理模块发送至上位机；
所述成像光纤模块包括成像光纤，所述成像光纤模块用于测量待测对象的图像信息发送至光电转换模块，所述光电转换模块用于将成像光纤模块的光信号转换为电信号，再发送至信号处理模块；所述信号处理模块将接受到的两路电信号，进行信号处理后传输至上位机；
所述传感探测光纤包括顺次连接的第一单模光纤、第一三芯光纤和第二单模光纤，所述第一单模光纤的纤芯与第一三芯光纤的偏芯纤芯错位熔接，所述第二单模光纤的纤芯与第一三芯光纤的偏芯纤芯错位熔接，当第一单模光纤纤芯内的第一基模光信号通过第一单模光纤与第一三芯光纤的熔接面时，被耦合成的第一三芯光纤内的第二基模光信号和第一包层模光信号，所述第二基模光信号和第一包层模光信号通过第一三芯光纤和第二单模光纤的熔接面时，被耦合成第二单模光纤内的第三基模光信号，第二单模光纤的纤芯内还设置有一光栅；
所述成像光纤包括顺次连接的第三单模光纤、第二三芯光纤和第四单模光纤，所述第三单模光纤、第四单模光纤的纤芯均与第二三芯光纤的中轴线纤芯熔接；
所述第三单模光纤内的第四基模光信号通过第三单模光纤与第二三芯光纤的熔接面后，进入第二三芯光纤的中轴线纤芯，再通过第二三芯光纤和第四单模光纤的熔接面，进入第四单模光纤，成为第五基模光信号。
在上述技术方案的基础上，所述成像光纤模块还包括光纤准直器、振镜和空间光学透镜，光信号从所述成像探测光纤透射进入光纤准直器聚焦在振镜上，振镜将光信号反射至空间光学透镜，从空间光学透镜透射出的光信号投射在待测样品表面，待测样品反射和散射的光信号通过空间光学透镜聚焦至振镜，反射至光纤准直器，再从成像探测光纤投射，经过光纤耦合模块、光电转换模块、信号处理模块进入上位机。
在上述技术方案的基础上，所述传感探测光纤模块探测弯曲和移动的计算方法如下：将传感探测光纤模块固定于待测样品相应之处，当待测样品表面发生弯曲或移动时，第一单模光纤、第一三芯光纤和第二单模光纤的熔接面夹角表示如公式一：
R是弯曲曲率，d是在弯曲过程中第一三芯光纤的偏芯纤芯与中轴面的距离，Lcl和Lco是第一三芯光纤中第二基模光信号和第一包层模光信号在第一三芯光纤内传输的有效长度，通过转换，公式一可变形为公式二：
长度变化值ΔL可以表示成：
C是探针弯曲曲率，当第一三芯光纤的第二基模光信号和第一包层模光信号重新耦合成第三基模光信号，所得到的干涉信号的强度函数为公式三：
Ico和Icl是第二基模光信号和第一包层模光信号的强度，是第一三芯光纤内光信号在传输过程中第二基模光信号和第一包层模光信号之间的相位差，可以表示成公式四：
nco和ncl是第一三芯光纤内基模和包层模的有效折射率，是光源波长，Lcl和Lco是第一三芯光纤中基模和包层模的有效长度，此时调谐波长可以表示为：
当传感探测光纤处于弯曲环境时，因为第一三芯光纤的纤芯发生了弯曲，因此Lco会产生明显变化；假设环境温度不变时，nco和ncl恒定不变，Lcl变化值与Lco相比可忽略不计，将公式三带入公式四得到公式六：
根据公式六，相位差的变化可以表述成公式七：
根据公式得出：Δλd与第一三芯光纤中纤芯和中轴线的距离相关，同时与曲率改变量ΔC相关。
在上述技术方案的基础上，所述传感探测光纤模块探测折射率的计算方法如下：
当传感探测光纤模块所测样品的折射率发生变化时，会引起相位的变化，假设环境温度是恒定的，第一三芯光纤的第二基模光信号和第一包层模光信号的相位差可以描述为公式八：
其中，nco和ncl分别是第一三芯光纤内基模和包层模的有效折射率；此外，Lco和Lcl分别是第一三芯光纤内基模光信号和包层模光信号传输的有效长度，λ是光源波长；
当传感探测光纤水平静止放置时，Lco约等于Lcl，一旦发生干涉，相位差应满足公式九：
将公式八带入公式九得到公式十：
公式十表示当探测光纤模块的环境发生变化导致有效折射率差发生变化时，λ将会发生相应的漂移；当环境温度变化时，将公式十对温度进行求导，可得：
公式十一表明，在传感探测光纤的错芯焊接结构中，有效折射率的变化和环境温度会引起透射光信号的波长漂移，因此，基于错芯焊接结构的传感光纤模块透射光波长漂移与温度成正比。
在上述技术方案的基础上，所述传感探测光纤模块探测应力的计算方法如下：
分析传感探测光纤受到应力作用时，可将应力分为纵向应力和横向应力；纵向应力会使传感探测光纤的内部光纤有效长度Lco发生变化；横向应力会产生泊松效应影响传感探测光纤中第一三芯光纤的光纤芯径；此外，弹光效应和热光效应会影响第一三芯光纤的有效折射率，所以当传感光纤模块受应力作用时，将式十对应力进行求导可得公式十二：
公式十二表明传感光纤模块在应力作用下透射光信号的波长会发生漂移；同时，在满足布拉格条件下，反射波长由光栅的光栅周期和有效折射率neff决定；光栅的反射波长可以表示成：λB＝2neffΛ，布拉格波长漂移表达式可以表示成ΔλFBG＝λFBG[ath+εl]ΔT；
其中ath和εl分别表示热膨胀系数和热光系数，ΔT表示温度变化值；λB表示光栅的反射范围，neff表示有效折射率，Λ为光栅周期，当传感光纤模块中光栅受到振动变化时，其透射波长会发生偏移，因此可以通过波长偏移来对应力进行监测；此外，光栅的长度Δl随轴向振动而变化，因此光栅的透射波长变化量随轴向振动而变化，波长漂移可以表示公式十三：
当弯曲、温度、折射率变换以及应力作用在传感光纤模块上时，通过监测透射光信号的波长漂移，可以得到相应的探测信息。
在上述技术方案的基础上，搜索成像信号的强度大于探测信号的强度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明中基于多芯光纤传感器的复合探测装置，包括成像探测光纤和传感探测光纤，传感探测光纤具有同时探测二维方向弯曲和温度、二维方向弯曲和应力、折射率和温度、折射率和应力的特性。图像传输光纤用来感测被测样品反射光和散射光，利用后级的信号处理平台对被测样品所测区域进行图像重构，并且图像传输光纤内部的研制结构确保了光信号偏振态的稳定性。采用三芯光纤与单模光纤所研制的传感探测光纤和图像传输光纤与目前公开的利用单模光纤传输图像信息的方式相比具有稳定性高、传输信息种类多、信号偏振态稳定的特点，能够对多个不同的参量进行同时检测，且互不干扰，实现复合探测。
(2)本发明中基于多芯光纤传感器的复合探测装置，利用光纤熔接机将单模光纤纤芯和三芯光纤偏芯纤芯进行错位熔接，相比较目前公开的制作内部纤芯长度不同的多芯光纤进行前向监测技术相比，研制方法较简单，制作成本较低、探测精度较高。
附图说明
图1为本发明实施例中基于多芯光纤传感器的复合探测装置的结构框图；
图2为本发明实施例中传感探测光纤模块的结构示意图；
图3为图2弯曲时的结构示意图；
图4为成像光纤模块的结构示意图；
图5为成像光纤的结构示意图；
图6为复合探测装置的信号流程图。
图中：1-第一单模光纤，2-第一三芯光纤，3-第二单模光纤，4-第一基模光信号，5-第二基模光信号，6-第一包层模光信号，7-第三基模光信号，8-第三单模光纤，9-第二三芯光纤，10-第四单模光纤，11-第四基模光信号，12-第四基模光信号五，13-光栅，14-成像探测光纤，15-光纤准直器，16-振镜，17-空间光学透镜。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种基于多芯光纤传感器的复合探测装置，包括光源模块、光纤耦合模块、传感探测光纤模块、成像光纤模块、传感解调模块(也称解调仪)、光电转换模块、信号处理模块和上位机。
其中，光源模块用于产生传感探测光纤和成像光纤模块所需的宽带光信号并传输至光纤耦合模块；
所述光纤耦合模块用于将宽带光信号耦合成两束宽带光信号：探测信号和成像信号，将探测信号传输至传感探测光纤模块，将成像信号传输至成像光纤模块，其中，成像信号的强度大于探测信号的强度。
所述传感探测光纤模块包括探测光纤，其用于探测待测对象的弯曲度、温度、折射率和应力信息并发送至传感解调模块，所述传感解调模块用于解调传感探测光纤模块发送的透射光信号并通过信号处理模块发送至上位机；成像光纤模块用于测量待测对象的图像信息并发送至光电转换模块，转换为电信号并发送至信号处理模块；所述光电转换模块用于将成像光纤模块的光信号转换为电信号，再发送至信号处理模块；所述信号处理模块将接受到的两路电信号，进行信号处理后传输至上位机。
参见图2所示，所述传感探测光纤包括顺次连接的第一单模光纤(1)、第一三芯光纤(2)和第二单模光纤(3)，所述第一单模光纤(1)的纤芯与第一三芯光纤(2)的偏芯纤芯错位熔接，所述第二单模光纤(3)的纤芯与第一三芯光纤(2)的偏芯纤芯错位熔接，当第一单模光纤(1)纤芯内的第一基模光信号(4)通过第一单模光纤(1)与第一三芯光纤(2)的熔接面时，被耦合成的第一三芯光纤(2)内的第二基模光信号(5)和第一包层模光信号(6)，所述第二基模光信号(5)和第一包层模光信号(6)通过第一三芯光纤(2)和第二单模光纤(3)的熔接面时，被耦合成第二单模光纤(3)内的第三基模光信号(7)，第二单模光纤(3)的纤芯内还设置有一光栅(13)。
所述成像光纤模块包括顺次连接的第三单模光纤(8)、第二三芯光纤(9)和第四单模光纤(10)，所述第三单模光纤(8)、第四单模光纤(10)的纤芯均与第二三芯光纤(9)的中轴线纤芯熔接。
所述第三单模光纤(8)内的第四基模光信号(11)通过第三单模光纤(8)与第二三芯光纤(9)的熔接面后，进入第二三芯光纤(9)的中轴线纤芯，再通过第二三芯光纤(9)和第四单模光纤(10)的熔接面，进入第四单模光纤(10)，成为第五基模光信号(12)。
其中，传感探测光纤模块和成像光纤模块的熔接方法如下：
a、将待焊接的单模光纤通过FC/PC接口连接至光源模块，将三芯光纤一端利用FC/PC接口直接与光功率计相连，利用光功率计对下一步的熔接过程进行实时监测。
b、利用光纤熔接机手动模式调节三芯光纤与第一段单模光纤在X轴、Y轴相对位置，当光功率计监测光功率值最大时表示单模光纤纤芯与三芯光纤纤芯对准。
继续调节，光功率计所显示的功率值会呈现由最大值逐渐变小，再逐渐增大，再逐渐变小的特点，在第二次显示最大值时表明单模光纤纤芯与三芯光纤偏芯纤芯完全对准。
c、继续调节，当光功率计显示数值衰减至约50％时，代表单模光纤纤芯与三芯光纤偏芯纤芯错位约4μm，此时进行焊接，并且完毕后将三芯光纤切割4cm。
d、将切割后的三芯光纤另一端与第二段单模光纤在光纤熔接机中进行错芯焊接，第二段单模光纤的另一段连接至光谱仪，通过观察光谱仪中干涉条纹对比度变化的方式进行调节：
通过光纤熔接机的调节，光谱仪上的干涉条纹对比度会出现由最小到最大，再到最小然后再逐渐变大这种周期性变化，这是由于光纤熔接机在初始状态下将三芯光纤和单模光纤中轴线纤芯完全对准，此时干涉对比度最小，当调节相对位置时，单模光纤纤芯与三芯光纤中轴面纤芯产生错位，干涉对比度增强，当错位约4μm时干涉对比度最大。
当继续调节两芯位置时，单模光纤纤芯逐渐远离三芯光纤中轴面纤芯，干涉对比度随之变小。当调节单模光纤纤芯进入三芯光纤偏芯纤芯区域，并开始错位时，干涉对比度逐渐变强，直至错位约4μm处干涉对比度再次达到最大。当单模光纤纤芯离开三芯光纤偏芯纤芯，错位距离减少时，干涉对比强度开始再次减弱，根据以上变化规律，分别将单模光纤纤芯与三芯光纤偏芯纤芯在干涉对比度最强时进行错位焊接，得到传感探测光纤模块。
采用相同的方式，选择单模光纤纤芯与三芯光纤中轴面纤芯重合时进行焊接，得到成像光纤模块。
参见图3所示，将传感探测光纤模块固定于待测样品相应之处(通常产生位移或者形变的物体上)，当待测样品表面发生弯曲或移动时，第一单模光纤(1)、第一三芯光纤(2)和第二单模光纤(3)的熔接面夹角表示如公式一：
R是弯曲曲率，d是在弯曲过程中第一三芯光纤(2)的偏芯纤芯与中轴面的距离，Lcl和Lco是第一三芯光纤(2)中第二基模光信号(5)和第一包层模光信号(6)在第一三芯光纤(2)内传输的有效长度，通过转换，公式一可变形为公式二：
长度变化值ΔL可以表示成：
C是探针弯曲曲率，当第一三芯光纤(2)的第二基模光信号(5)和第一包层模光信号(6)重新耦合成第三基模光信号(7)，所得到的干涉信号的强度函数为公式三：
Ico和Icl是第二基模光信号(5)和第一包层模光信号(6)的强度，是第一三芯光纤(2)内光信号在传输过程中第二基模光信号(5)和第一包层模光信号(6)之间的相位差，可以表示成公式四：
nco和ncl是第一三芯光纤(2)内基模和包层模的有效折射率，是光源波长，Lcl和Lco是第一三芯光纤(2)中基模和包层模的有效长度，此时调谐波长可以表示为：
当传感探测光纤处于弯曲环境时，因为第一三芯光纤(2)的纤芯发生了弯曲，因此Lco会产生明显变化。假设环境温度不变时，nco和ncl恒定不变，Lcl变化值与Lco相比可忽略不计，将公式三带入公式四得到公式六：
根据公式六，相位差的变化可以表述成公式七：
根据公式(8)得出：Δλd与第一三芯光纤(2)中纤芯和中轴线的距离相关，同时与曲率改变量ΔC相关。
当传感探测光纤模块所测样品的折射率发生变化时，会引起相位的变化，假设环境温度是恒定的，第一三芯光纤(2)的第二基模光信号(5)和第一包层模光信号(6)的相位差可以描述为公式八：
其中，nco和ncl分别是第一三芯光纤(2)内基模和包层模的有效折射率。此外，Lco和Lcl分别是第一三芯光纤(2)内基模光信号和包层模光信号传输的有效长度，λ是光源波长。
当传感探测光纤水平静止放置时，Lco约等于Lcl，一旦发生干涉，相位差应满足公式九：
将公式八带入公式九得到公式十：
公式十表示当探测光纤模块的环境发生变化导致有效折射率差发生变化时，λ将会发生相应的漂移。当环境温度变化时，将公式十对温度进行求导，可得：
公式十一表明，在传感探测光纤的错芯焊接结构中，有效折射率的变化和环境温度会引起透射光信号的波长漂移，因此，基于错芯焊接结构的传感光纤模块透射光波长漂移与温度成正比。
分析传感探测光纤受到应力作用时，可将应力分为纵向应力和横向应力。纵向应力会使传感探测光纤的内部光纤有效长度Lco发生变化；横向应力会产生泊松效应影响传感探测光纤中第一三芯光纤(2)的光纤芯径。此外，弹光效应和热光效应会影响第一三芯光纤(2)的有效折射率，所以当传感光纤模块受应力作用时，将式十对应力进行求导可得公式十二：
公式十二表明传感光纤模块在应力作用下透射光信号的波长会发生漂移。同时，在满足布拉格条件下，反射波长由光栅(13)的光栅周期和有效折射率neff决定。光栅(13)的反射波长可以表示成：λB＝2neffΛ，布拉格波长漂移表达式可以表示成ΔλFBG＝λFBG[ath+εl]ΔT。
其中ath和εl分别表示热膨胀系数和热光系数，ΔT表示温度变化值。在本发明实施例中，λB表示光栅(13)的反射范围，neff表示有效折射率，Λ光栅(13)周期，当传感光纤模块中光栅(13)受到振动变化时，其透射波长会发生偏移，因此可以通过波长偏移来对应力进行监测。此外，光栅(13)的长度Δl随轴向振动而变化，因此光栅(13)的透射波长变化量随轴向振动而变化，波长漂移可以表示公式十三：
当弯曲、温度、折射率变换以及应力作用在传感光纤模块上时，通过监测透射光信号的波长漂移，可以得到相应的探测信息。
参见图4所示，成像光纤模块的工作原理如下：
光源模块产生宽带光信号，光纤耦合模块将光源输出的宽带光信号耦合成两束宽带光信号，分别传输至传感探测光纤模块和成像光纤模块，光信号经过传感探测光纤模块和成像光纤模块后分别传输至传感解调模块，经过解调后传入光电转换模块进行光电转换得到相应的电信号，电信号经过信号处理模块处理后传输至上位机。
具体的：光源模块输出宽带光信号，通过一单模光纤传输至光纤耦合模块的P1端，光纤耦合模块将宽带光信号耦合成两束，分别从P3和P4输出，从P3输出的宽带光信号通过隔离器进入传感探测光纤，透射出的宽带光信号通过一单模光纤传输至解调仪，解调仪将解调后的电信号传输给信号处理模块；从P4输出的宽带光信号通过一单模光纤传输至成像光纤模块，成像光纤模块将探测的带有待测样品信息的光信号反射至耦合器的P4端，从P2端输出，从P2输出的带有样品信息的光信号通过一单模光纤传输至光电转换模块的PD1端，从PD2端输出经过光电转换的电信号，由信号处理模块进行采样处理，传输至上位机进行接收、显示、存储和分析。
本实施例中，成像光纤模块包括成像探测光纤14、光纤准直器15、振镜16和空间光学透镜17，光信号从成像探测光纤透射进入光纤准直器聚焦在振镜上，振镜将光信号反射至空间光学透镜，从空间光学透镜透射出的光信号投射在待测样品表面，待测样品反射和散射的光信号通过空间光学透镜聚焦至振镜，反射至光纤准直器，再次从成像探测光纤投射。
光纤准直器将宽带光信号聚焦在振镜上，振镜将宽带光信号反射至空间光学透镜聚焦在待测样品，待测样品的反射光和散射光经过空间光学透镜聚焦至振镜，反射至光纤准直器，再次通过成像光纤模块，经过耦合器的P4端传输至P2端，再通过光电转换模块、信号处理模块进入上位机。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种基于多芯光纤传感器的复合探测装置，其特征在于：包括光源模块、光纤耦合模块、传感探测光纤模块、成像光纤模块、传感解调模块、光电转换模块、信号处理模块和上位机；
所述光源模块用于产生传感探测光纤和成像光纤模块所需的宽带光信号并传输至光纤耦合模块；
所述光纤耦合模块用于将宽带光信号耦合成两束宽带光信号：探测信号和成像信号，将探测信号传输至传感探测光纤模块，将成像信号传输至成像光纤模块；
所述传感探测光纤模块包括探测光纤，其用于探测待测对象的弯曲度、温度、折射率和应力信息并发送至传感解调模块，所述传感解调模块用于解调传感探测光纤模块发送的透射光信号并通过信号处理模块发送至上位机；
所述成像光纤模块包括成像光纤(14)，所述成像光纤模块用于测量待测对象的图像信息发送至光电转换模块，所述光电转换模块用于将成像光纤模块的光信号转换为电信号，再发送至信号处理模块；所述信号处理模块将接受到的两路电信号，进行信号处理后传输至上位机；
所述传感探测光纤包括顺次连接的第一单模光纤(1)、第一三芯光纤(2)和第二单模光纤(3)，所述第一单模光纤(1)的纤芯与第一三芯光纤(2)的偏芯纤芯错位熔接，所述第二单模光纤(3)的纤芯与第一三芯光纤(2)的偏芯纤芯错位熔接，当第一单模光纤(1)纤芯内的第一基模光信号(4)通过第一单模光纤(1)与第一三芯光纤(2)的熔接面时，被耦合成的第一三芯光纤(2)内的第二基模光信号(5)和第一包层模光信号(6)，所述第二基模光信号(5)和第一包层模光信号(6)通过第一三芯光纤(2)和第二单模光纤(3)的熔接面时，被耦合成第二单模光纤(3)内的第三基模光信号(7)，第二单模光纤(3)的纤芯内还设置有一光栅(13)；
所述成像光纤包括顺次连接的第三单模光纤(8)、第二三芯光纤(9)和第四单模光纤(10)，所述第三单模光纤(8)、第四单模光纤(10)的纤芯均与第二三芯光纤(9)的中轴线纤芯熔接；
所述第三单模光纤(8)内的第四基模光信号(11)通过第三单模光纤(8)与第二三芯光纤(9)的熔接面后，进入第二三芯光纤(9)的中轴线纤芯，再通过第二三芯光纤(9)和第四单模光纤(10)的熔接面，进入第四单模光纤(10)，成为第五基模光信号(12)。
2.如权利要求1所述的一种基于多芯光纤传感器的复合探测装置，其特征在于：所述成像光纤模块还包括光纤准直器(15)、振镜(16)和空间光学透镜(17)，光信号从所述成像探测光纤(14)透射进入光纤准直器(15)聚焦在振镜(16)上，振镜(16)将光信号反射至空间光学透镜(17)，从空间光学透镜透(17)射出的光信号投射在待测样品表面，待测样品反射和散射的光信号通过空间光学透镜(17)聚焦至振镜(16)，反射至光纤准直器(15)，再从成像探测光纤(14)投射，经过光纤耦合模块、光电转换模块、信号处理模块进入上位机。
3.如权利要求1所述的一种基于多芯光纤传感器的复合探测装置，其特征在于：所述传感探测光纤模块探测弯曲和移动的计算方法如下：将传感探测光纤模块固定于待测样品相应之处，当待测样品表面发生弯曲或移动时，第一单模光纤(1)、第一三芯光纤(2)和第二单模光纤(3)的熔接面夹角表示如公式一：
R是弯曲曲率，d是在弯曲过程中第一三芯光纤(2)的偏芯纤芯与中轴面的距离，Lcl和Lco是第一三芯光纤(2)中第二基模光信号(5)和第一包层模光信号(6)在第一三芯光纤(2)内传输的有效长度，通过转换，公式一可变形为公式二：
长度变化值ΔL可以表示成：
C是探针弯曲曲率，当第一三芯光纤(2)的第二基模光信号(5)和第一包层模光信号(6)重新耦合成第三基模光信号(7)，所得到的干涉信号的强度函数为公式三：
Ico和Icl是第二基模光信号(5)和第一包层模光信号(6)的强度，是第一三芯光纤(2)内光信号在传输过程中第二基模光信号(5)和第一包层模光信号(6)之间的相位差，可以表示成公式四：
nco和ncl是第一三芯光纤(2)内基模和包层模的有效折射率，是光源波长，Lcl和Lco是第一三芯光纤(2)中基模和包层模的有效长度，此时调谐波长可以表示为：
当传感探测光纤处于弯曲环境时，因为第一三芯光纤(2)的纤芯发生了弯曲，因此Lco会产生明显变化；假设环境温度不变时，nco和ncl恒定不变，Lcl变化值与Lco相比可忽略不计，将公式三带入公式四得到公式六：
根据公式六，相位差的变化可以表述成公式七：
根据公式(8)得出：Δλd与第一三芯光纤(2)中纤芯和中轴线的距离相关，同时与曲率改变量ΔC相关。
4.如权利要求3所述的一种基于多芯光纤传感器的复合探测装置，其特征在于：所述传感探测光纤模块探测折射率的计算方法如下：
当传感探测光纤模块所测样品的折射率发生变化时，会引起相位的变化，假设环境温度是恒定的，第一三芯光纤(2)的第二基模光信号(5)和第一包层模光信号(6)的相位差可以描述为公式八：
其中，nco和ncl分别是第一三芯光纤(2)内基模和包层模的有效折射率；此外，Lco和Lcl分别是第一三芯光纤(2)内基模光信号和包层模光信号传输的有效长度，λ是光源波长；
当传感探测光纤水平静止放置时，Lco约等于Lcl，一旦发生干涉，相位差应满足公式九：
将公式八带入公式九得到公式十：
公式十表示当探测光纤模块的环境发生变化导致有效折射率差发生变化时，λ将会发生相应的漂移；当环境温度变化时，将公式十对温度进行求导，可得：
公式十一表明，在传感探测光纤的错芯焊接结构中，有效折射率的变化和环境温度会引起透射光信号的波长漂移，因此，基于错芯焊接结构的传感光纤模块透射光波长漂移与温度成正比。
5.如权利要求4所述的一种基于多芯光纤传感器的复合探测装置，其特征在于：所述传感探测光纤模块探测应力的计算方法如下：
分析传感探测光纤受到应力作用时，可将应力分为纵向应力和横向应力；纵向应力会使传感探测光纤的内部光纤有效长度Lco发生变化；横向应力会产生泊松效应影响传感探测光纤中第一三芯光纤(2)的光纤芯径；此外，弹光效应和热光效应会影响第一三芯光纤(2)的有效折射率，所以当传感光纤模块受应力作用时，将式十对应力进行求导可得公式十二：
公式十二表明传感光纤模块在应力作用下透射光信号的波长会发生漂移；同时，在满足布拉格条件下，反射波长由光栅(13)的光栅周期和有效折射率neff决定；光栅(13)的反射波长可以表示成：λB＝2neffΛ，布拉格波长漂移表达式可以表示成ΔλFBG＝λFBG[ath+εl]ΔT；
其中ath和εl分别表示热膨胀系数和热光系数，ΔT表示温度变化值；λB表示光栅(13)的反射范围，neff表示有效折射率，Λ为光栅(13)周期，当传感光纤模块中光栅(13)受到振动变化时，其透射波长会发生偏移，因此可以通过波长偏移来对应力进行监测；此外，光栅(13)的长度Δl随轴向振动而变化，因此光栅(13)的透射波长变化量随轴向振动而变化，波长漂移可以表示公式十三：
当弯曲、温度、折射率变换以及应力作用在传感光纤模块上时，通过监测透射光信号的波长漂移，可以得到相应的探测信息。
6.如权利要求1所述的一种基于多芯光纤传感器的复合探测装置，其特征在于：搜索成像信号的强度大于探测信号的强度。
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