CN114894245B - 一种基于空心光纤的传感器及传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空心光纤的传感器及传感装置，其中传感器包括顺次熔接的第一光纤、光纤球形结构、第二光纤以及空心光纤；其中传感装置包括宽带光源、光谱分析仪、环形器和前述的基于空心光纤的传感器；所述环形器的三个端口分别通过光纤连接宽带光源、光谱分析仪和基于空心光纤的传感器。本发明通过调整空心光纤的长度，有效增加两路反射光的光程差，以放大反射光谱的波长变化量，从而提高基于空心光纤的传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于空心光纤的传感器及传感装置，属于光纤传感技术领域。
背景技术
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。同年，在室温下半导体激光器可连续工作也被报道。从此，光纤技术进入飞速发展的黄金时期。这时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、温度、折射率、应变和磁场等物理量，其中，温度和折射率是最常见的物理量。
近几十年来，许多研究者提出了各种光纤结构来有效地测量周围的折射率和温度。例如通过采用简单的融合拼接技术制备的微球阵列可有效提高迈克尔逊传感器的温度灵敏度，使用气球形光纤马赫增德尔干涉仪传感器也能有效测量折射率和温度，使用光子晶体光纤与带有球形结构的单模光纤相熔接可构成MI传感器。然而，这些传感器不仅成本高，而且灵敏度有限、传感器尺寸在厘米量级。因此，传感器的实际应用仍是一个挑战。
针对上述问题，本专利创新的提出了一种基于空心光纤的微型MI传感装置。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种基于空心光纤的传感器及传感装置，能够提高基于空心光纤的传感器的灵敏度。
本发明解决上述问题，是通过以下技术方案实现的：
一方面，本发明提供一种基于空心光纤的传感器，包括第一光纤、至少1个光纤球形结构、第二光纤以及空心光纤；
所述空心光纤一端自由设置，空心光纤另一端熔接于第二光纤一端；
所述第二光纤熔另一端接于光纤球形结构一端，光纤球形结构另一端熔接于第一光纤。
进一步地，所述光纤球形结构数量为2,2个光纤球形结构相互熔接。
进一步地，所述第一光纤和第二光纤均为单模光纤。
进一步地，所述第一光纤、第二光纤和空心光纤的纤芯直径均为8.2μm，包层直径均为125μm。
进一步地，所述光纤球形结构的直径为200～220μm。
进一步地，所述第二光纤和空心光纤长度的约束条件：
其中，为预设的反射光光强灵敏值，/>为入射光在第二光纤纤芯中传播的光功率，/>为入射光在第二光纤包层中传播的光功率，/>为光程差，/>为入射光的波长，L 1 是第二光纤的长度，L 2 是空心光纤的长度，/>为第二光纤纤芯的有效折射率，/>为第二光纤包层的有效折射率，/>为空心光纤包层的有效折射率。
另一方面,本发明提供一种基于空心光纤的传感装置，包括宽带光源、光谱分析仪、环形器和上述的基于空心光纤的传感器；
所述环形器的三个端口分别通过光纤连接宽带光源、光谱分析仪和基于空心光纤的传感器。
进一步地，所述光纤为单模光纤。
本发明具有以下突出的有益效果：
本发明通过调整空心光纤的长度，有效增加两路反射光的光程差，以放大反射光谱的波长变化量，从而提高基于空心光纤的传感器的灵敏度。
附图说明
图1是本发明基于空心光纤的传感器的一种实施例结构示意图；
图2是本发明基于空心光纤的传感器的一种实施例结构示意图；
图3是本发明基于空心光纤的传感装置的一种实施例结构示意图；
图中：1、宽带光源，2、第一光纤，3、环形器，4、基于空心光纤的传感器，5、光谱仪，6、光纤球形结构，7、空心光纤。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种基于空心光纤的传感器,包括第一光纤2、至少1个光纤球形结构6、第二光纤以及空心光纤7。
参考图1，空心光纤7一端自由设置，空心光纤7另一端熔接于第二光纤一端；第二光纤熔另一端接于光纤球形结构6一端，光纤球形结构6另一端熔接于第一光纤2。
本实施例的基于空心光纤的传感器的制备过程不需要飞秒激光器或光纤光栅刻写装置等昂贵设备，制作成本低且工艺简单：
应用中，具有1个光纤球形结构的传感器的制备步骤包括：
S11获取第一光纤、第二光纤和空心光纤；
S12分别将第一光纤、第二光纤和空心光纤两端端面切平；
S13将第一光纤一端的涂覆层去除，并用酒精清洗；
S14将酒精清洗后的第一光纤放入光纤熔接机，并通过多次放点，使得第一光纤一端形成光纤球形结构；
S15将第二光纤一端熔接在光纤球形结构上；
S16将空心光纤熔接在第二光纤上，获得具有空心光纤的传感器，传感器总长小于5mm，空心光纤长度小于3mm，第二光纤长度小于2mm。
应用中，具有两个光纤球形结构的传感器的制备步骤包括：
S21获取第一光纤、第二光纤和空心光纤；
S22分别将第一光纤、第二光纤和空心光纤两端端面切平；
S23将第一光纤一端的涂覆层去除，并用酒精清洗；
S24将酒精清洗后的第一光纤放入光纤熔接机，并通过多次放点，使得第一光纤一端形成光纤球形结构；
S25将第二光纤一端的涂覆层去除，并用酒精清洗；
S26将酒精清洗后的第二光纤放入光纤熔接机，并通过多次放点，使得第二光纤一端形成光纤球形结构；
S27通过光纤熔接机将第二光纤的光纤球形结构与第一光纤的光纤球形结构熔接；
S28将空心光纤一端熔接在第二光纤上，获得具有空心光纤的传感器，传感器总长小于5mm。空心光纤长度小于3mm，第二光纤长度小于2mm。
本实施例应用时，光纤球形结构6是一种有效的激发结构。当入射光传输到光纤球形结构6处时，由于光纤球形结构6改变了光纤的折射率分布，使得光纤球形结构的纤芯不满足光的全反射条件，光纤球形结构纤芯处的部分入射光折射到包层。此外，光纤球形结构包层的入射光依次传输到第二光纤和空心光纤7，并在空心光纤端面发生全反射；光纤球形结构纤芯的入射光传输到第二光纤，并在第二光纤端面发生全反射。两路反射光均回到光纤球形结构，且两路反射光之间存在光程差：
其中，为反射光光强，/>为入射光在第二光纤纤芯中传播的光功率，/>为入射光在第二光纤包层中传播的光功率，/>为光程差，/>为入射光的波长，L 1 是第二光纤的长度，L 2 是空心光纤的长度，/>为第二光纤纤芯的有效折射率，/>为第二光纤包层的有效折射率，/>为空心光纤包层的有效折射率。
本实施例实际应用时，光纤周围的折射率和温度变化会影响纤芯和包层的有效折射率，从而影响两路反射光的光程差。通过上式可知，通过比较反射光谱的波长变化，能够获得光程差的变化，从而判断光纤周围的折射率和温度的变化量。
因此，本发明通过调整第二光纤和空心光纤的长度，有效增加两路反射光的光程差，以放大反射光谱的波长变化量，从而提高基于空心光纤的传感器的灵敏度。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例详细介绍了第二光纤和空心光纤7长度的约束条件。
参考图2，本实施例的光纤球形结构6数量为2,2个光纤球形结构6相互熔接，各光纤球形结构6的直径为200～220μm。此外，第一光纤2和第二光纤均为G.652单模光纤。第一光纤2、第二光纤和空心光纤7的纤芯直径均为8.2μm，包层直径均为125μm。
第二光纤和空心光纤长度的约束条件：
其中，为预设的反射光光强灵敏值。
由于的值很小，则光程差的大小主要由/>的大小决定，即本申请通过预设的反射光光强灵敏值设置空心光纤长度，以产生较大的光程差，从而实现减小传感器尺寸的同时，提高传感器的灵敏度。
实施例3
本实施例介绍了一种基于空心光纤的传感装置，包括宽带光源1、光谱分析仪5、环形器3和实施例1或2记载的基于空心光纤的传感器4。
参考图3，环形器3的三个端口分别通过光纤连接宽带光源1、光谱分析仪5和基于空心光纤的传感器4，应用中光纤为G.652单模光纤，G.652单模光纤纤芯直径为8.2μm，G.652单模光纤包层直径为125μm。
应用中，宽带光源1产生信号光，信号光由单模光纤经过环形器3输入到基于空心光纤的传感器4，信号光到达基于空心光纤的传感器4的端面后产生反射光，反射光经过环形器3输出到光谱分析仪5，光谱分析仪5检测反射光谱。因此，利用光谱分析仪4检测反射光谱的波长变化就能得到温度和折射率的变化。空心光纤7的存在可有效增加光程差从而减小传感器的尺寸并提高传感灵敏度。
本实施例应用时，一路入射光在空心光纤端面发生全反射；另一路入射光在第二光纤端面发生全反射。当两路反射光回到光纤球形结构6时，光纤球形结构包层中的反射光耦合回光纤球形结构的纤芯，并与光纤球形结构纤芯中的反射光发生干涉，且当是/>的(2k+1)倍时会发生相消干涉。
Claims (8)
1. 一种基于空心光纤的传感器, 其特征在于，包括第一光纤（2）、至少1个光纤球形结构（6）、第二光纤以及空心光纤（7）；
所述空心光纤（7）一端自由设置，空心光纤（7）另一端熔接于第二光纤一端；
所述第二光纤熔另一端接于光纤球形结构（6）一端，光纤球形结构（6）另一端熔接于第一光纤（2）；
通过预设的反射光光强灵敏值设置空心光纤长度，以产生较大的光程差，从而实现减小传感器尺寸的同时，提高传感器的灵敏度；
空心光纤长度的约束条件：
，
，
其中，为预设的反射光光强灵敏值，/>为入射光在第二光纤纤芯中传播的光功率，/>为入射光在第二光纤包层中传播的光功率，/>为光程差，/>为入射光的波长，L 1 是第二光纤的长度，L 2 是空心光纤的长度，/>为第二光纤纤芯的有效折射率，/>为第二光纤包层的有效折射率，/>为空心光纤包层的有效折射率。
2. 根据权利要求1所述的基于空心光纤的传感器, 其特征在于，所述光纤球形结构（6）数量为2,2个光纤球形结构（6）相互熔接。
3. 根据权利要求1所述的基于空心光纤的传感器, 其特征在于，所述第一光纤（2）和第二光纤均为单模光纤。
4. 根据权利要求1所述的基于空心光纤的传感器, 其特征在于，所述第一光纤（2）、第二光纤和空心光纤（7）的纤芯直径均为8.2μm，包层直径均为125μm。
5. 根据权利要求1所述的基于空心光纤的传感器, 其特征在于，所述光纤球形结构（6）的直径为200～220μm。
6. 根据权利要求1所述的基于空心光纤的传感器, 其特征在于，所述第二光纤和空心光纤（7）长度的约束条件：
，
，
其中，为预设的反射光光强灵敏值，/>为入射光在第二光纤纤芯中传播的光功率，/>为入射光在第二光纤包层中传播的光功率，/>是入射光在第二光纤的纤芯和包层中传播的光程差，/>为入射光的波长，L 1 是第二光纤的长度，L 2 是空心光纤的长度，/>为第二光纤纤芯的有效折射率，/>为第二光纤包层的有效折射率，/>为空心光纤包层的有效折射率。
7.一种基于空心光纤的传感装置，其特征在于，包括宽带光源（1）、光谱分析仪（5）、环形器（3）和权利要求1-6任一项所述的基于空心光纤的传感器（4）；
所述环形器（3）的三个端口分别通过光纤连接宽带光源（1）、光谱分析仪（5）和基于空心光纤的传感器（4）。
8.根据权利要求7所述的基于空心光纤的传感装置，其特征在于，所述光纤为单模光纤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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