CN114941983B - 多芯光纤干涉仪及制作方法与光纤光栅相位解调装置 - Google Patents

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Abstract

多芯光纤干涉仪及制作方法与光纤光栅相位解调装置，其中多芯光纤干涉仪为压电陶瓷管上一圈紧贴另一圈缠绕有多芯光纤，多芯光纤一端端面上镀有铝箔膜，另一端设置有扇入‑扇出耦合器；一种光纤光栅相位解调装置，宽带光源的输出端接环形器，光纤光栅传感器与环形器相连，环形器的输出端与通过耦合器与多芯光纤干涉仪的光信号输入端和光电探测器相连，多芯光纤干涉仪的电信号输入端与信号发生器相连，光电探测器的输出端通过数据采集卡与计算机相连。本发明有效克服了传统单模光纤干涉仪的稳定性差和封装难的缺点，有助于提高传感系统的可靠性。

Description

多芯光纤干涉仪及制作方法与光纤光栅相位解调装置
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及到一种光纤光栅相位解调装置及多芯光纤干涉仪制作方法。
背景技术
相位解调法是利用光波的相干性，将光纤光栅的波长信息编码通过干涉仪转换成相位信息，对干涉仪输出的光波相位信号进行解算从而得到波长变化情况的解调方法。
由于马赫-曾德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪均为双光束干涉，其两路干涉臂为两根独立的单模光纤，因此它们对外界温度、应力和震动的变化所产生的响应是不一致的，不利于干涉系统的稳定和封装。另外，对于光谱比较宽的白光光源，若要得到干涉信号，两干涉臂之间的长度差一般需要小于1mm，这种要求实际上实现起来比较困难。简言之，传统基于马赫-曾德尔干涉仪或迈克尔逊干涉仪的干涉解调方法虽具有响应速度快、分辨率高的特点，但在实际的应用中，干涉仪的两臂长的光程差很容易受到应变、温度等环境因素的干扰，为测量造成误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺点，提供一种设计合理、制作简单、稳定可靠的多芯光纤干涉仪及制作方法与灵敏度高的光纤光栅相位解调装置。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种多芯光纤干涉仪，压电陶瓷管上一圈紧贴另一圈缠绕有多芯光纤，多芯光纤一端端面上镀有铝箔膜，另一端设置有扇入-扇出耦合器。
作为一种优选的技术方案，所述多芯光纤为双芯光纤或三芯光纤或四芯光纤或七芯光纤或十九芯光纤。
一种多芯光纤干涉仪的制作方法，包括以下步骤：
S1：取一节多芯光纤I用剥纤钳去除一端涂覆层，用光纤切割刀切平，放入磁控溅射仪进行端面镀膜，形成镀膜结构；
S2：另取一段多芯光纤Ⅱ展平铺于桌面，两端分别预留熔接段，中部用记号笔在多芯光纤表面一侧沿着长度方向做标记线；
S3：将步骤S2中多芯光纤Ⅱ的一熔接段根部用环氧树脂胶固定在压电陶瓷管上，室温下固化12小时；
S4：环氧树脂胶固化完成，将压电陶瓷管固定于电动旋转位移台上；
S5：将步骤S2中多芯光纤Ⅱ做有标记的部分一圈紧贴另一圈缠绕于压电陶瓷管上，缠绕过程中保持多芯光纤Ⅱ的标记线露于外侧，防止多芯光纤Ⅱ缠绕扭转；
S6：缠绕结束，用环氧树脂胶将多芯光纤Ⅱ的缠绕末端固定在压电陶瓷管上并固化12小时；
S7：固化结束后，将多芯光纤Ⅱ的一端与扇入-扇出耦合器相熔接、另一端与步骤S1的镀膜结构相熔接。
作为一种优选的技术方案，所述步骤S1中多芯光纤I的长度为20～30cm；所述步骤S2中多芯光纤Ⅱ的长度为2～4m，多芯光纤Ⅱ的熔接段长度为20～30cm。
作为一种优选的技术方案，所述步骤S3中压电陶瓷管的直径为45～55cm。
一种光纤光栅相位解调装置，宽带光源的输出端接环形器，光纤光栅传感器与环形器相连，环形器的输出端与通过耦合器与多芯光纤干涉仪的光信号输入端和光电探测器相连，多芯光纤干涉仪的电信号输入端与信号发生器相连，光电探测器的输出端通过数据采集卡与计算机相连。
本发明的有益效果如下：
本发明的多芯光纤干涉仪中多芯光纤在一个包层中包含多个平行的纤芯，集成度高，稳定性好，本发明多芯光纤干涉仪，利用任意两个纤芯对组合作为两个干涉臂，可以通过改变多芯光纤的弯曲弧度来调节两臂之间的光程差，当多芯光纤的弯曲角度固定后，两干涉臂的光程差也随之确定。另一方面，干涉仪制作所使用的多芯光纤各纤芯具有相同的热膨胀系数和热光系数，高度集成的纤芯对环境温度变化具有一致的响应，这将导致两臂光发生相同的相变。因此，光纤光栅相位解调装置中传感器的响应不受温度变化的影响，这有效克服了传统单模光纤干涉仪的稳定性差和封装难的缺点，有助于提高传感系统的可靠性。同时，使用弱耦合多芯光纤制作干涉型器件，拓宽了多芯光纤的应用。
附图说明
图1是本发明多芯光纤干涉仪的结构示意图。
图2是本发明实施例1中七芯光纤的端面示意图。
图3是本发明光纤光栅相位解调装置的结构示意图。
图4是实验1解调所得灵敏度频率响应图。
图5是使用不同芯对组合构建的多芯光纤干涉仪所得干涉谱图。
图6是实验2解调所得时域图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
在图1、2中，本实施例的多芯光纤干涉仪为压电陶瓷管2上一圈紧贴另一圈缠绕有多芯光纤3，压电陶瓷管2的直径为50cm，多芯光纤3为七芯光纤，其包层直径为150μm，芯-芯间距为42μm，多芯光纤3一端熔接有镀膜结构，镀膜结构4为光纤端面上镀有铝箔膜，另一端熔接有扇入-扇出耦合器1。本实施例的多芯光纤3干涉仪利用任意两个纤芯对组合作为两个干涉臂，可以通过改变多芯光纤3的弯曲弧度来调节两臂之间的光程差。当多芯光纤3的弯曲角度固定后，两干涉臂的光程差也随之确定。另一方面，干涉仪制作所使用的多芯光纤3各纤芯具有相同的热膨胀系数和热光系数，高度集成的纤芯对环境温度变化具有一致的响应，这将导致两臂光发生相同的相变。
本实施例的多芯光纤3干涉仪的制作方法，包括以下步骤：
S1：取一节长度为20～30cm的七芯光纤I用剥纤钳去除一端涂覆层，用光纤切割刀切平，放入磁控溅射仪进行端面镀膜，形成镀膜结构4；
S2：另取长度为2～4m的七芯光纤Ⅱ展平铺于桌面，两端分别预留长度为20～25cm的熔接段，中部用记号笔在多芯光纤3表面一侧沿着长度方向做标记线；
S3：将步骤S2中七芯光纤Ⅱ的一熔接段根部用环氧树脂胶固定在压电陶瓷管2上，室温下固化12小时；
S4：环氧树脂胶固化完成，将压电陶瓷管2固定于电动旋转位移台上；
S5：将步骤S2中七芯光纤Ⅱ做有标记的部分一圈紧贴另一圈缠绕于压电陶瓷管2上，缠绕过程中保持七芯光纤Ⅱ的标记线露于外侧，防止七芯光纤Ⅱ缠绕扭转；
S6：缠绕结束，用环氧树脂胶将七芯光纤Ⅱ的缠绕末端固定在压电陶瓷管2上并固化12小时；
S7：固化结束后，将七芯光纤Ⅱ的一端与扇入-扇出耦合器相熔接、另一端与步骤S1的镀膜结构4相熔接。
在图3中，本实施例的光纤光栅相位解调装置为宽带光源的输出端接环形器，光纤光栅传感器与环形器相连，环形器的输出端与通过耦合器与多芯光纤干涉仪的光信号输入端和光电探测器相连，耦合器为2×2耦合器，多芯光纤干涉仪的电信号输入端与信号发生器相连，光电探测器的输出端通过数据采集卡与计算机相连。
宽带光源发射出的光通过环形器入射到光纤光栅传感器，经光纤光栅传感器反射回来的光通过2×2耦合器及多芯光纤干涉仪的扇入-扇出耦合器1入射到多芯光纤干涉仪的两个纤芯中。信号发生器驱动压电陶瓷使多芯光纤干涉仪的镀膜结构4产生强烈的菲涅尔反射。2×2耦合器的另一个输出端接光电探测器，光电探测器接收的信号由数据采集卡采集输入到计算机进行解调。
实施例2
本实施例多芯光纤干涉仪的多芯光纤为双芯光纤或三芯光纤或四芯光纤或十九芯光纤。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
本实施例多芯光纤干涉仪的制作方法与实施例1相同。
本实施例的光纤光栅相位解调装置与实施例1相同。
实验1
为了验证本发明的有益效果，发明人用实施例1的光纤光栅相位解调装置进行灵敏度响应实验，将光纤光栅相位解调装置中的光纤光栅传感器放置在振动台上，控制输入正弦波的频率从20～180Hz，步长为10Hz，测量每组频率下的灵敏度响应，加速度依次从0.1～0.5m/s2，步长为0.1m/s2。实验结果如图4所示，20～130Hz为共振区，150Hz以后为衰减区，频率响应范围为0～130Hz，解调灵敏度提高至50rad/g以上。可以看出，使用集成化更高的多芯光纤干涉仪代替传统解调系统中的马赫曾德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪，使解调系统能够有效消除环境噪声的干扰(例如，温度变化)、消除相位延迟问题以及能够抑制偏振衰落，从而使得解调系统更稳定，解调结果更实时、更准确，解调灵敏度更高。
实验2
用实施例1的多芯光纤干涉仪测试选用不同芯对组合的解调效果
由于七芯光纤的芯线分布对称，实验选取角偏移量为60°(纤芯Ⅱ和纤芯Ⅲ)、120°(纤芯Ⅱ和纤芯Ⅳ)、180°(纤芯Ⅱ和纤芯Ⅴ)以及一个外纤芯与中心纤芯(纤芯I和纤芯Ⅱ)相结合的芯对进行研究纤芯对的选择对解调效果的影响，得到不同芯对组合所得干涉谱图如图5。
为了测试选择不同芯对组合所构建的多芯光纤涉仪对解调结果的影响，在此以角偏移量为120°的芯对组合构建的多芯光纤干涉仪接入解调系统为例，振动台振动频率固定在140Hz，依次记录加速度为0.1m/s2、0.3m/s2及0.5m/s2下的最大相位漂移量。实验结果如图6所示。容易看出，每个加速度下的振动信号都能实现正确解调，且解调效果相对理想。同样地，我们也测试了其他的纤芯对组合，均能取得良好的解调结果。实验表明，解调结果并不依赖于多芯光纤干涉仪纤芯对的选择。

Claims (4)

1.一种多芯光纤干涉仪的制作方法，其特征在于，所述多芯光纤干涉仪为压电陶瓷管上一圈紧贴另一圈缠绕有多芯光纤，使多芯光纤产生弯曲度，并利用多芯光纤中任意两个纤芯对组合作为两个干涉臂，多芯光纤一端端面上镀有铝箔膜，另一端设置有扇入-扇出耦合器；
该多芯光纤干涉仪制作方法，包括以下步骤：
S1：取一节多芯光纤Ⅰ用剥纤钳去除一端涂覆层，用光纤切割刀切平，放入磁控溅射仪进行端面镀膜，形成镀膜结构；
S2：另取一段多芯光纤Ⅱ展平铺于桌面，两端分别预留熔接段，中部用记号笔在多芯光纤表面一侧沿着长度方向做标记线；
S3：将步骤S2中多芯光纤Ⅱ的一熔接段根部用环氧树脂胶固定在压电陶瓷管上，室温下固化12小时；
S4：环氧树脂胶固化完成，将压电陶瓷管固定于电动旋转位移台上；
S5：将步骤S2中多芯光纤Ⅱ做有标记的部分一圈紧贴另一圈缠绕于压电陶瓷管上，缠绕过程中保持多芯光纤Ⅱ的标记线露于外侧，防止多芯光纤Ⅱ缠绕扭转；
S6：缠绕结束，用环氧树脂胶将多芯光纤Ⅱ的缠绕末端固定在压电陶瓷管上并固化12小时；
S7：固化结束后，将多芯光纤Ⅱ的一端与扇入-扇出耦合器相熔接、另一端与步骤S1的镀膜结构相熔接。
2.根据权利要求1所述多芯光纤干涉仪的制作方法，其特征在于，所述步骤S1中多芯光纤Ⅰ的长度为20～30cm；所述步骤S2中多芯光纤Ⅱ的长度为2～4m，多芯光纤Ⅱ的熔接段长度为20～30cm。
3.根据权利要求1所述多芯光纤干涉仪的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中压电陶瓷管的直径为45～55cm。
4.根据权利要求1所述多芯光纤干涉仪的光纤光栅相位解调装置，其特征在于：宽带光源的输出端接环形器，光纤光栅传感器与环形器相连，环形器的输出端与通过耦合器与多芯光纤干涉仪的光信号输入端和光电探测器相连，多芯光纤干涉仪的电信号输入端与信号发生器相连，光电探测器的输出端通过数据采集卡与计算机相连。
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