CN113777345A - 气球形mzi传感器及其制作方法和基于mzi传感器的传感系统 - Google Patents
气球形mzi传感器及其制作方法和基于mzi传感器的传感系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113777345A CN113777345A CN202111077753.9A CN202111077753A CN113777345A CN 113777345 A CN113777345 A CN 113777345A CN 202111077753 A CN202111077753 A CN 202111077753A CN 113777345 A CN113777345 A CN 113777345A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical fiber
- balloon
- mzi
- shaped
- fiber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 12
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 102
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 41
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 33
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 9
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 5
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 3
- 230000004927 fusion Effects 0.000 claims description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 241001391944 Commicarpus scandens Species 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000007526 fusion splicing Methods 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/25—Preparing the ends of light guides for coupling, e.g. cutting
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/255—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding
- G02B6/2553—Splicing machines, e.g. optical fibre fusion splicer
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种气球形光纤MZI传感器，传感器包括单模光纤、光纤球形结构和毛细管，单模光纤构成传感回路且其末端为气球形结构，传感回路的输入端和输出端内置在毛细管中固定，光纤球形结构设置在传感回路的输入端。本发明还涉及一种基于气球形光纤MZI的水流速度传感系统，包括宽带光源、光谱分析仪、单模光纤、气球形光纤MZI传感器、水泵、水管、流速计和阀门，宽带光源和光谱分析仪通过单模光纤分别连接气球形光纤MZI传感器的输入端和输出端，水泵、气球形MZI和流速计通过水管顺次连接，阀门连接水管侧壁。本发明解决了现有技术中光纤容易断裂、干涉条纹可见度不高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及气球形MZI传感器及其制作方法和基于MZI传感器的传感系统，属于光纤传感技术领域。
背景技术
在1966 年，英籍华人科学家高锟首次提出光导纤维（光纤）传输光信号的理论，在这理论指导下，美国康宁公司在1970 年拉制出了第一根低损耗光纤。与此同时，光纤通信技术和光纤传感技术也应运而生。与传统的电传感器相比，光纤传感器具备独特的优点。光纤传感器由于具有耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小、灵敏度高等优点。因此被广泛的应用于各个领域的物理量传感，通常包括溶液浓度、气体浓度、湿度、酸碱度和磁场等物理量。在众多光纤传感器当中，光纤马赫增德尔干涉仪（MZI）传感器由于制作简单、稳定性好、结构紧凑和信号消光比高、插入损耗低等独特优点，发展非常迅速，已经应用在温度、折射率、应变和磁场等传感领域。在实际的应用中，流速传感器在工业、生化等众多专业领域扮演了一个非常重要的角色。近几十年来，许多研究者提出了各种光纤传感器来测量液体的流速。光纤涡流流量计首先被提出测量，接着光纤布拉格光栅（FBG）也被提出用于流速度测量。近几年，光纤迈克尔逊和法布里波罗传感器被证明可以测量流速。然而，这些传感器不仅制造过程复杂，而且在实际应用的过程中光纤容易断裂、干涉条纹可见度不高。因此，该传感器的实际应用仍是一个挑战。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供气球形MZI传感器及其制作方法和基于MZI传感器的传感系统，解决了现有技术中光纤容易断裂、干涉条纹可见度不高的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种气球形光纤MZI传感器，包括单模光纤、光纤球形结构和毛细管，单模光纤构成传感回路且传感回路为气球形结构，传感回路的输入端和输出端内置在毛细管中固定，光纤球形结构设置在传感回路的输入端。
进一步地，前述气球形结构的顶端距离毛细管的距离为20~25mm。
进一步地，前述光纤球形结构的数量为3个。
进一步地，前述光纤球形结构的直径为200～220μm。
进一步地，前述毛细管的内径为0.4mm，长度为1.5cm。
进一步地，前述单模光纤为G.652单模光纤，纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm。
一种基于气球形光纤MZI的水流速度传感系统，包括宽带光源、光谱分析仪、单模光纤、前述的气球形光纤MZI传感器、水泵、水管、流速计和阀门，宽带光源和光谱分析仪通过单模光纤分别连接气球形光纤MZI传感器的输入端和输出端，水泵、气球形MZI和流速计通过水管顺次连接，阀门连接水管侧壁。
一种气球形光纤MZI传感器的制作方法，包括如下步骤：
取一段长度为10～15厘米的单模光纤3，去除单模光纤一端的涂覆层，并用酒精清洗，使用光纤切割的机将其端面切平；
将切平后的单模光纤放入光纤熔接机进行多次放电，使光纤收缩成球形结构；
以同样的方法再制作一个球形结构后，将两个球形结构熔接在一起，用光纤切割刀来切割光纤使得光纤末端只有两个球形结构；
再取一个球形结构，重复上述步骤，熔接构成三个球形结构，将熔接后的光纤两端插入毛细管固定。
本发明所达到的有益效果：
1、由于球形结构的存在，可有效提高传感器的灵敏度，气球形状的光纤MZI可实现对水流速度的大范围高灵敏度传感。
2、仅使用单模光纤、光纤切割机、光纤熔接机、毛细管等常见材料和器材就可以实现传感器的制作，该制作过程中不需要飞秒激光器或光纤光栅刻写装置等昂贵设备，其制作工艺简单、成本低、灵敏度高。
附图说明
图1是本发明基于气球形光纤MZI的水流速度传感系统示意图；
图2是本发明气球形光纤MZI传感器结构示意图；
图3是本发明气球形光纤MZI传感器的制作过程示意图。
图中附图标记的含义：1-宽带光源，2-光谱仪，3-单模光纤，4-光纤MZI传感器，5-水泵，6-水管，7-流速计，8-阀门，9-球形结构，10- 毛细管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
结合图2，气球形光纤MZI传感器4包括一段单模光纤3和光纤球形结构9，单模光纤3构成传感回路且传感回路为气球形结构，传感回路的输入端和输出端内置在毛细管10中固定，光纤球形结构9设置在传感回路的输入端。气球形光纤MZI传感器4的气球顶端距离毛细管的距离L为20~25mm，输入侧的光纤球形结构9的数量为3个，单个球形结构9的直径为200～220μm，单模光纤3为G.652单模光纤，纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm。
本实施例公开了一种基于气球形光纤MZI的水流速度传感系统，如图1所示，包括宽带光源1、光谱分析仪2、单模光纤3、气球形光纤MZI传感器4、水泵5、水管6和流速计7和阀门8。单模光纤3用于光信号的传输，宽带光源1、光谱分析仪2与气球形光纤MZI传感器4之间通过单模光纤3连接，其中宽带光源1和光谱分析仪2分别连接在所述气球形光纤MZI传感器4的输入端和输出端。气球形光纤MZI传感器4用于流速传感，其中水流方向与气球形光纤MZI传感器4所构成的二维平面垂直，水管6用于连接水泵5、气球形光纤MZI传感器4和流速计7，宽带光源1用于发送光信号，光谱分析仪2用于采集传感信号的透射光谱，水泵5和水管6用于传输水流，流速计7用于实际水流速度的检测，阀门8设置于水管6侧壁用于控制水流速度。
气球形光纤MZI传感器4的制作方法如图3所示：
步骤S10，取一段长度为10～15厘米的单模光纤3，将单模光纤3某一端的涂覆层去除一段距离并用酒精清洗，根据长度需求，使用光纤切割机将其端面切平；
步骤S20，切平后将其放入光纤熔接机进行多次放电，熔融的光纤在液体表面张力作用下反复放电后收缩成球形结构9；
步骤S30，以同样的方法再制作一个球形结构9后将两个球形结构9熔接在一起，然后使用光纤切割刀来切割光纤使得光纤末端只有两个球形结构9；
步骤S40，接着再与一个球形结构9相熔接构成三个球形结构9，将熔接后的光纤两端插入毛细管10来固定传感器结构。
具体使用过程中，将宽带光源1和光谱分析仪2分别连接气球形光纤MZI传感器4的输入和输出端。将气球形光纤MZI传感器4插入水管6中，使得水流方向与气球形状所在的二维平面垂直，水管6连接水泵5和流速计7。
本实施例的工作方式为：宽带光源1产生信号光，由单模光纤3输入到气球形光纤MZI传感器4，光经过气球形光纤MZI传感器4后输出到光谱分析仪2。同时不同的水流速度使得气球形光纤MZI传感器4发生不同程度的弯曲，进而实现水流速度的传感。
本实施例的工作原理为：当光通过单模光纤3传输至气球形光纤MZI传感器4的输入端球形结构9处，由于不满足光的全反射条件，一部分光会从纤芯入射到包层里面，当光继续传输至气球形光纤MZI传感器4输出端的弯曲处时，包层里面的光会耦合回纤芯，并与纤芯里面的光发生干涉，可以通过光谱分析仪2检测透射光谱，由于水流会导致气球形光纤发生弯曲从而改变透射光谱的波长，利用光谱分析仪2检测透射光谱的波长变化就能得到水流速度的变化。同时采用球形结构可有效激发高阶的包层模式，从而增强传感器的测量灵敏度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种气球形光纤MZI传感器，其特征在于，包括单模光纤（3）、光纤球形结构（9）和毛细管（10），所述单模光纤（3）构成传感回路且传感回路为气球形结构，所述传感回路的输入端和输出端内置在毛细管（10）中固定，所述光纤球形结构（9）设置在传感回路的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种气球形光纤MZI传感器，其特征在于，所述气球形结构的顶端距离毛细管（10）的距离为20~25mm。
3.根据权利要求1所述的一种气球形光纤MZI传感器，其特征在于，所述光纤球形结构（9）的数量为3个。
4.根据权利要求1所述的一种气球形光纤MZI传感器，其特征在于，所述光纤球形结构（9）的直径为200～220μm。
5.根据权利要求1所述的一种气球形光纤MZI传感器，其特征在于，所述毛细管（10）的内径为0.4mm，长度为1.5cm。
6.根据权利要求1所述的一种气球形光纤MZI传感器，其特征在于，单模光纤（3）为G.652单模光纤（3），纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm。
7.一种基于气球形光纤MZI的水流速度传感系统，其特征在于，包括宽带光源（1）、光谱分析仪（2）、单模光纤（3）、权利要求1-6中任意一项所述的气球形光纤MZI传感器（4）、水泵（5）、水管（6）、流速计（7）和阀门（8），所述宽带光源（1）和光谱分析仪（2）通过单模光纤（3）分别连接气球形光纤MZI传感器（4）的输入端和输出端，所述水泵（5）、气球形MZI（4）和流速计（7）通过水管（6）顺次连接，所述阀门（8）连接水管（6）侧壁。
8.一种气球形光纤MZI传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
取一段长度为10～15厘米的单模光纤（3），去除单模光纤（3）一端的涂覆层，并用酒精清洗，使用光纤切割的机将其端面切平；
将切平后的单模光纤（3）放入光纤熔接机进行多次放电，使光纤收缩成球形结构（9）；
以同样的方法再制作一个球形结构（9）后，将两个球形结构（9）熔接在一起，用光纤切割刀来切割光纤使得光纤末端只有两个球形结构（9）；
再取一个球形结构（9），重复上述步骤，熔接构成三个球形结构（9），将熔接后的光纤两端插入毛细管（10）固定。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111077753.9A CN113777345A (zh) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | 气球形mzi传感器及其制作方法和基于mzi传感器的传感系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111077753.9A CN113777345A (zh) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | 气球形mzi传感器及其制作方法和基于mzi传感器的传感系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113777345A true CN113777345A (zh) | 2021-12-10 |
Family
ID=78843918
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111077753.9A Pending CN113777345A (zh) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | 气球形mzi传感器及其制作方法和基于mzi传感器的传感系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113777345A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114485485A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-05-13 | 南京信息工程大学 | 基于气球形光纤干涉仪的角度传感系统及其测量方法 |
| CN114894245A (zh) * | 2022-04-18 | 2022-08-12 | 南京信息工程大学 | 一种基于空心光纤的传感器及传感装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000146996A (ja) * | 1998-11-09 | 2000-05-26 | Nuclear Development Kk | ロッド型レーザ流速計 |
| CN101937135A (zh) * | 2009-07-01 | 2011-01-05 | 中国科学院半导体研究所 | 提高mzi电光调制器速度和效率的电极结构 |
| CN106483329A (zh) * | 2016-11-14 | 2017-03-08 | 天津理工大学 | 基于干涉型光纤传感的水管流速测量装置及方法 |
| CN110470328A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-19 | 东北大学 | 一种具有低温漂可填充的光纤fp传感器及其制备方法 |
| CN113324570A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-08-31 | 南京信息工程大学 | 一种基于气球形光纤mzi的传感装置及气球形光纤mzi传感器制作方法 |
-
2021
- 2021-09-15 CN CN202111077753.9A patent/CN113777345A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000146996A (ja) * | 1998-11-09 | 2000-05-26 | Nuclear Development Kk | ロッド型レーザ流速計 |
| CN101937135A (zh) * | 2009-07-01 | 2011-01-05 | 中国科学院半导体研究所 | 提高mzi电光调制器速度和效率的电极结构 |
| CN106483329A (zh) * | 2016-11-14 | 2017-03-08 | 天津理工大学 | 基于干涉型光纤传感的水管流速测量装置及方法 |
| CN110470328A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-19 | 东北大学 | 一种具有低温漂可填充的光纤fp传感器及其制备方法 |
| CN113324570A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-08-31 | 南京信息工程大学 | 一种基于气球形光纤mzi的传感装置及气球形光纤mzi传感器制作方法 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114485485A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-05-13 | 南京信息工程大学 | 基于气球形光纤干涉仪的角度传感系统及其测量方法 |
| CN114485485B (zh) * | 2022-01-28 | 2023-07-25 | 南京信息工程大学 | 基于气球形光纤干涉仪的角度传感系统及其测量方法 |
| CN114894245A (zh) * | 2022-04-18 | 2022-08-12 | 南京信息工程大学 | 一种基于空心光纤的传感器及传感装置 |
| CN114894245B (zh) * | 2022-04-18 | 2023-12-01 | 南京信息工程大学 | 一种基于空心光纤的传感器及传感装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113324570B (zh) | 一种基于气球形光纤mzi的传感装置及气球形光纤mzi传感器制作方法 | |
| CN100437036C (zh) | 同时测量液体温度和折射率的光纤传感装置 | |
| CN205691170U (zh) | 一种气压和温度同时测量的光纤传感器 | |
| CN105277135B (zh) | 一种具有温度不敏感特性的高灵敏度光纤曲率传感结构 | |
| CN100367016C (zh) | 光纤温度测量仪及其测量方法 | |
| CN107515054B (zh) | 一种基于迈克尔逊干涉仪的光纤温度和折射率测量传感装置 | |
| CN103439765B (zh) | 一种全光纤型多径干涉仪 | |
| CN209147930U (zh) | 一种高分辨率单模多模单模微位移光纤传感器 | |
| CN113777345A (zh) | 气球形mzi传感器及其制作方法和基于mzi传感器的传感系统 | |
| CN203432906U (zh) | 一种拉锥结构的折射率光纤传感探头 | |
| CN210221338U (zh) | 一种基于并联游标效应的光纤高温传感器 | |
| CN109781300A (zh) | 一种基于光纤的同时测量温度和曲率的装置和方法 | |
| CN204964060U (zh) | 一种基于微纳光纤Mach-Zehnder干涉的温度传感装置 | |
| CN109632133A (zh) | 一种基于光纤的温度测量装置及方法 | |
| CN202041222U (zh) | 一种壁中波导长周期光纤光栅传感器 | |
| CN110118539B (zh) | 一种克服温度干扰的光纤倾角传感器及方法 | |
| CN202041465U (zh) | 一种毛细管光纤折射率传感器 | |
| CN206208755U (zh) | 基于光子晶体光纤的探头式折射率传感装置 | |
| CN114111857A (zh) | 一种基于游标效应的光纤fpi级联mi传感装置 | |
| CN102494816B (zh) | 一种基于光子晶体光纤的压力传感方法及传感器 | |
| CN111025477A (zh) | 一种单模光纤与毛细管光纤耦合器及其制备方法 | |
| CN207408624U (zh) | 一种混合型光纤耦合器 | |
| CN107608030A (zh) | 一种混合型光纤耦合器及其制备方法 | |
| CN217688546U (zh) | 光纤气体传感器及光纤气体检测装置 | |
| CN103134776A (zh) | 基于d型保偏光纤的液体折射率绝对测量传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211210 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |