CN114485987A - 一种弯曲不敏感的分布式布里渊双参量光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学技术领域，具体涉及到一种对弯曲不敏感的分布式布里渊双参量光纤传感器，该传感器的发明基于强耦合的少模光纤，其特征是：对弯曲不敏感，能够抑制弯曲引起的测量误差，从而实现温度和应变的区分测量。本发明同时提出提高光纤纤芯中二氧化锗(GeO2)的浓度，从而提高纤芯与包层之间的折射率差，并减小纤芯直径，使用低阶光模和高阶声模，通过两者之间的相互作用检测到多峰布里渊增益谱。本发明能够有效降低弯曲导致的测量误差影响，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种对弯曲不敏感的分布式布里渊双参量光纤传感器。
背景技术
随着智能传感技术的发展，光纤传感技术在工业、通信、海洋探测、岩土工程等领域体现出了巨大的研究价值。其中，分布式传感技术不仅具备普通光纤传感器的耐高温、尺寸小、灵敏度高、电绝缘和抗电磁干扰等优点，还具有获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量信息的能力，能够在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参量进行连续测量，在大尺寸设备监测和远距离测量时更具优势。
分布式光纤传感技术能够在单根光纤上实现温度或者应变测量，具有测量精度高、传感距离长和空间分辨率高的优点。然而，光纤对温度和应变均敏感，难以实现区分测量。目前，已经有基于少模光纤的分布式双参量(温度和应变)传感器的研究报道，其原理是利用少模光纤中的不同模式对于温度和应变的灵敏度系数的差异构建传感系数矩阵，从而实现温度和应变的区分测量。但是，少模光纤是弱波导结构，已经被证实对弯曲敏感{H.Wu，Optics Letters，41(7)，1514，2016；L.Shen，Photonics Research，8(2)，2020；P.Xu，Optics Letters，46(13)，3239，2021}，因而在使用少模光纤进行分布式双参量传感时容易受弯曲影响，从而产生测量误差。
本专利提出一种基于强耦合少模光纤的分布式布里渊双参量光纤传感器，该传感器被证实对弯曲不敏感，能够抑制弯曲引起的测量误差。
发明内容
本发明提出一种基于强耦合少模光纤的分布式布里渊双参量传感器，该传感器对弯曲不敏感，能够实现温度和应变的区分测量。
本发明提出提高光纤纤芯中二氧化锗(GeO2)的浓度，从而提高纤芯与包层之间的折射率差，并减小纤芯直径。本方案使用的光纤横截面与普通少模光纤横截面的对比示意图如图2所示，本专利提出强耦合少模光纤折射率差在10-2量级，远大于弱耦合光纤的10-3到10-4量级，同时本专利提出强耦合少模光纤的纤芯直径应是弱耦合光纤的五分之一以上。
本方案使用了高阶光模和高阶声模，通过两者之间的相互作用检测到多峰布里渊增益谱。实验装置如图1：由激光器1产生激光，采用光耦合器2将脉冲光分成两个光路分支。上分支经过光纤偏振控制器3以控制光的偏振态后，使用带有任意波形发生器8的马赫增德尔调制器5上进行调制，得到具有两个脉冲宽度的脉冲。经过偏振扰频器11后，使用掺铒光纤放大器12进行功率放大，以获得更高的布里渊增益，接着通过环形器15作为入射光进入下支路中的分布式多参量光纤。下支路的激光使用带有射频10的马赫增德尔调制器6后形成探测光，经去耦合器13保护电路进入分布式多参量布里渊光纤。最后，经过光纤的探测光经环形器16和光纤布拉格光栅17进行滤波后，进入光电探测器18并被示波器19搜集显示。由此，我们可以获得分布式多参量光纤的多峰布里渊增益谱，通过分析得到该光纤对温度、应变和弯曲程度的敏感性，实现双参量传感。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本研究中，我们使用掺锗含量高达98％的少模光纤制作的弯曲不敏感分布式温度和应变双参量布里渊光纤传感器。由于锗掺杂浓度较高，导致包层和纤芯之间的折射率差大于0.15，此时光纤的纤芯直径为4um，光纤支持12个矢量模式传输。我们证实了在掺锗含量98％的强耦合条件下，光纤在弯曲损耗小于0.04dB(弯曲半径为0.3cm)。我们采用包层对准方法将两片单模光纤与本方案少模光纤进行拼接，从而激发出HE11模式。基模与高阶声态模式发生耦合，激发出具有多个峰值的布里渊增益谱，如图3所示，此时泵浦光功率为400mW。图3中，可以观察到布里渊增益谱具有三个峰，峰值分别在8.103GHz、8.857GHz、9.608GHz处，这是光波的基模与声波的高阶模作用的结果；
(2)在温度特性研究中，本方案首先测量室温24℃下的传感器前三个布里渊峰的频移，接着将光纤置于水浴恒温箱中，装置见专利附图1(a)，分别记录恒温水浴箱温度为32℃、40℃、48℃、55℃、64℃、70℃、78℃、85℃时对应的布里渊频移。将所记录的数据进行进一步的拟合分析，可以得到不同峰值对应的温度系数，分析结果如图4(a)，前三个峰值的温度系数分别为0.21845MHz/℃、0.31845MHz/℃和0.4169MHz/℃，不同的峰值对应的温度系数有较大差异。在应变特性研究中，在6000με内进行应变测试，实验装置可见专利附图1(b)。结果如图4(b)所示，通过数据拟合可以得到前三个峰值的应变系数分别为0.02391MHz/με、0.02505MHz/με、0.03003MHz/με。由此，可以构建温度和应变的系数矩阵，进行温度应变双参量传感；
(3)在弯曲特性研究中，在0.3-2.6cm弯曲半径下测量光纤的弯曲损耗，结果如图5(a)所示，在不同的弯曲半径下，本方案提出的高掺锗光纤产生的弯曲损耗均小于0.04dB(每个半径缠绕10圈)，说明该光纤在弯曲条件下光信号对弯曲不敏感。同时，对其布里渊增益谱进行研究，结果图5(b)所示，可以发现不同的弯曲半径下布里渊增益谱基本相同，布里渊频移基本不发生变化，说明高掺锗光纤的布里渊频移对弯曲也不敏感。因此，本方案提出的传感器能够抑制少模光纤在同时测量温度和应变时弯曲产生的误差，是一种弯曲不敏感的分布式布里渊双参量光纤传感器；
附图说明：
图1是使用强耦合少模光纤进行温度和应变双参量测量和弯曲影响测量的实验装置图；
图2为强耦合少模光纤与普通少模光纤结构对比；
图3为高掺锗光纤的布里渊增益谱；
图4为高掺锗光纤三个布里渊增益谱的温度系数和应变系数；
图5高掺锗光纤在0.3-2.6cm弯曲半径下的损耗和高掺锗光纤在0.6-2.6cm弯曲半径下的布里渊增益谱
具体实施方式：
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
激光器1(Laser)与耦合器2的输入端相连，分为两个分支。耦合器2输出端与上分支的偏振控制器3的输入端相连，偏振控制器3的输出端连接马赫增德尔调制器5的第一输入端。马赫增德尔调制器5连接直流电7和任意波形发生器8，输出端连接偏振扰频器11，偏振扰频器11将脉冲的偏振态随机化，另一端则连接掺铒光纤放大器12的输入端，掺铒光纤放大器12的输出端连接环形器15的第一输入端使脉冲进入下分支。
下分支的偏振控制器4输入端与耦合器2输出端相连，输出端则连接马赫增德尔调制器6的第一输入端。马赫增德尔6连接直流电9和射频10，将脉冲调制为载波被抑制双边带波探测光，输出端连接去耦合器13的输入端。去耦合器13的输出端与分布式多参量光纤14相连，同时分布式多参量布里渊光纤14的输出端与环形器15的第二输入端相接。环形器16的第一输入端与环形器15输出端相连，第二输入端则连接光纤布拉格光栅17对探测光进行滤波。环形器16的输出端连接光电探测器18的输入端，光电探测器18的输出端与示波器19的输入端相连。
通过分别改变温度和应变可以得到两个布里渊峰的温度系数和应变系数，利用公式：
其中ΔvB，i和ΔvB，j分别为两个布里渊峰值的频移，
分别为第一个布里渊峰值的温度系数和应变系数，
分别为第二个布里渊峰值的温度系数和布里渊系数，利用此公式可以计算出温度变化ΔT和应变变化Δε，从而实现双参量传感。
Claims (5)
1.本发明提出一种基于强耦合光纤的分布式布里渊双参量传感器，该传感器对弯曲不敏感，能够实现温度和应变的区分测量，抑制弯曲产生的测量误差。
2.基于权利要求1所述的强耦合光纤是高掺锗少模光纤，其折射率差在10-2量级，远大于弱耦合光纤的10-3到10-4量级，同时本专利提出强耦合少模光纤的纤芯直径是弱耦合光纤的五分之一以上。
3.基于权利要求1所述的强耦合光纤通过提高光纤纤芯中二氧化锗(GeO2)的浓度，从而提高纤芯与包层之间的折射率差，并减小纤芯直径。
4.基于权利要求1所述光纤产生的弯曲损耗均小于0.04dB(每个半径缠绕10圈)，说明该光纤在弯曲条件下光信号对弯曲不敏感。同时，对其布里渊增益谱进行研究，发现不同的弯曲半径下布里渊增益谱基本相同，布里渊频移基本不发生变化，说明高掺锗光纤的布里渊频移对弯曲也不敏感。
5.基于权利要求1所述光纤利用光声模态相互耦合得到的多峰布里渊增益谱实现了温度和应变的双参量测量。
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| CN117308805A (zh) * | 2023-09-28 | 2023-12-29 | 南京航空航天大学 | 基于涂覆光纤前向布里渊散射的三参量传感方法和系统 |
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