CN115355830B - 一种具有弯曲结构的光纤mi传感器、制作的方法及传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有弯曲结构的光纤MI传感器、制作的方法及传感系统，该光纤MI传感器包括单模光纤和设置在单模光纤末端的弧形结构；在单模光纤上还设有一弯曲结构，该弯曲结构设置在离弧形结构1‑3mm处；该弧形结构由将单模光纤末端放入光纤熔接机中进行放电得到；弯曲结构为由对单模光纤进行加热得到；该传感系统包括光源、光纤MI传感器和光谱仪；当进行位移传感时，该光纤MI传感器的弧形结构与待传感位移的对象接触；本发明在提高传感灵敏度的同时可减小传感系统体积。

Description

一种具有弯曲结构的光纤MI传感器、制作的方法及传感系统
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体为一种具有弯曲结构的光纤MI传感器、制作具有弯曲结构的光纤MI传感器的方法及传感系统。
背景技术
光纤作为光信号传输的重要通道，已经广泛应用光纤通信和传感领域。光纤传感的类型主要分为分布式光纤传感和光纤干涉仪。其中，光纤传感器已被用于测量各种物理量，如液位，温度，折射率，压力，位移等。许多研究者已经提出了各种不同类型的反射式光纤传感器，例如使用空心光纤与单模光纤相连可以构成光纤FPI传感器来实现传感，使用光纤微球阵列和一段单模光纤相连接可构成光纤MI传感器。为了提高传感性能，使用特种光纤如光子晶体光纤、保偏光纤或者多模光纤都被证实可以提高光纤FPI或MI传感器的灵敏度，但现有的特种光纤的制作方法存在制作成本高、制作工艺复杂等问题。
发明内容
发明目的：为解决现有特种光纤的制作方法存在的制作成本高、制作工艺复杂等问题，本发明提出了一种具有弯曲结构的光纤MI传感器、以及制作具有弯曲结构的光纤MI传感器的方法及采用具有弯曲结构的光纤MI传感器构建得到的传感系统。
技术方案：一种具有弯曲结构的光纤MI传感器，包括单模光纤和设置在所述单模光纤末端的弧形结构；在所述单模光纤上还设有一弯曲结构，所述弯曲结构设置在离所述弧形结构1-3mm处。
进一步的，所述弯曲结构的弯曲角度为20°~30°。
本发明还公开了一种制作具有弯曲结构的光纤MI传感器的方法，包括以下步骤：
步骤1：取一段单模光纤，去除该单模光纤任意一端的涂覆层；
步骤2：依据长度需求，将去除涂覆层的一端端面切平，形成单模光纤末端，并将单模光纤末端放入光纤熔接机中进行放电处理，放电处理完成后，在单模光纤末端上形成一弧形结构；
步骤3：在距离弧形结构1-3mm处，对该处的单模光纤进行加热，使该处的单模光纤发生形变，产生弯曲角度，形成弯曲结构；在对该处的单模光纤进行加热的过程中，通过量角器监测弯曲结构的弯曲角度变化，当弯曲结构的弯曲角度在20°~30°之间时，停止加热，得到最终的弯曲结构，由具有弯曲结构的单模光纤和设置在光纤末端的弧形结构整体构成一种具有弯曲结构的光纤MI传感器。
进一步的，步骤2中，所述的将单模光纤末端放入光纤熔接机中进行放电，具体步骤包括：
将单模光纤末端放入光纤熔接机中，在放电电流为6mA，放电时间0.5s的条件下进行首次放电处理；
首次放电结束后，将该单模光纤末端放入光纤熔接机中，在放电电流为6mA，放电时间0.5s的条件下进行二次放电处理。
本发明还公开了一种传感系统，包括用于产生光信号的光源、用于对位移进行传感并产生传感信号的光纤传感器和用于接收传感信号的光谱仪；所述的光纤传感器为上述公开的一种具有弯曲结构的光纤MI传感器；当进行位移传感时，光纤传感器的弧形结构与待传感位移的对象接触。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）本发明的光纤MI传感器，通过弯曲结构来实现光信号的激发与耦合，能有效激发高阶包层模式，且光纤末端的弧形结构有利于减小传感器的尺寸，以及有效提高传感器的灵敏度，实现对微位移的传感；
（2）本发明的光纤MI传感器仅需使用实验室常见的材料和器材就可以完成光纤MI传感器的制作以及传感系统的搭建，具有制作成本低的优点；
（3）本发明的光纤MI传感器的制作方法，无需光纤的熔接操作，只需使用单模光纤即可完成制作，具有制作简单、成本低、体积小等优点，有利于狭小场景下的微位移传感应用。
附图说明
图1为一种具有弯曲结构的光纤MI传感器的结构示意图；
图2为一种具有弯曲结构的光纤MI传感器的制作过程示意图；其中，图2中的（a）为将已去除了涂覆层的一端的端面进行切平的示意图，图2中的（b）为对切平的一端进行放电的示意图，图2中的（c）为对单模光纤进行加热最终得到的具有弯曲结构的单模光纤的示意图；
图3为一种传感系统的框架示意图；
图4为使用本发明的传感系统进行微位移传感的场景示意图；
图5为使用本发明的传感系统进行微位移传感的实验结果图，其中，图5中的(a)为不同位移下的光谱图，图5中的(b)为微位移与光谱波长的关系示意图。
具体实施方式
现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。
实施例1：
本实施例的光纤MI传感器为具有弯曲结构的光纤MI传感器，其主要结构参见图2，主要包括：单模光纤1和位于该单模光纤1末端的弧形结构2。在该单模光纤1上还设有一弯曲结构3，该弯曲结构3设置在离弧形结构2距离L处，可参见图1；该弯曲结构3的弯曲角度为20°-30°，且弯曲结构3的中点与弧形结构2的前端的距离L为1-3mm。单模光纤1和弧形结构2有利于减小传感器的尺寸，简化传感器的制作过程。
本实施例的光纤MI传感器由以下制作步骤得到：
步骤1：取长度为10～20 cm的单模光纤，将该单模光纤某一端的涂覆层去除，涂覆 层去除后用酒精对其清洗。本实施例中使用的单模光纤包括但不限于以下规格：G.652单模 光纤，纤芯11直径为8.25
Figure 546787DEST_PATH_IMAGE001
，包层12直径为125
Figure 221482DEST_PATH_IMAGE001
。
步骤2：如图2中的（a）所示，根据长度需求，使用光纤切割机将已去除了涂覆层的一端的端面进行切平，切平后，将该端面放入光纤熔接机中，在放电电流为6mA，放电时间0.5s的条件下放电两次，形成弧形结构2，如图2中的（b）所示。
步骤3：在距离弧形结构2-3mm处使用液化石油气的火焰对单模光纤进行加热，加热温度在1500摄氏度左右，经加热的单模光纤由于重力的作用会发生弯曲，加热时间不同所形成的角度大小也不一样，因此，本实施例在加热过程中，使用量角器监测弯曲结构的弯曲角度的变化，当弯曲结构的弯曲角度在20-30度之间时，停止加热，从而形成具有弯曲结构的单模光纤1，如图2中的（c）所示。
当光信号被传输至单模光纤1的弯曲结构3处时，单模光纤1的弯曲结构3处作为光的激发与耦合结构，一部分光会从纤芯11入射到包层12里面，光在纤芯11和包层12里面传输，当光信号到达弧形结构2处时，进行反射，纤芯11与包层12的光能量会重新分配使得光谱具有一个理想的消光比，接着反射光重新返回到单模光纤1的弯曲结构3处，此时包层12中的光耦合回纤芯11。由于纤芯11和包层12之间存在有效折射率之差，并且会产生光程差，所以当光重新耦合回纤芯11时会产生干涉现象。因此可以通过光谱仪来采集本实施例的光纤MI传感器的反射光信号，当单模光纤1的弯曲结构3的弯曲角度发生变化时，反射光信号的光谱波长也会随之发生变化，利用此规律，可通过检测反射光信号的光谱波长变化，来实现对微位移的传感。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上，制作得到一种具有弯曲结构的光纤MI传感器的微 位移传感系统，如图3所示，该微位移传感系统主要包括：光源、光谱仪、环形器和光纤传感 器。其中，光源、光纤传感器和光谱仪通过单模光纤分别顺次连接在环形器的三个端口。其 中，单模光纤主要作用为实现光信号的传输和各仪器间的连接，本实施例中使用的单模光 纤包括但不限于以下规格：G.652单模光纤，纤芯直径为8.25
Figure 744867DEST_PATH_IMAGE001
，包层直径为125
Figure 174712DEST_PATH_IMAGE001
。其中， 光源用于光信号的发生，光谱仪用于传感信号的接收，本实施例的光纤传感器为实施例1公 开的一种具有弯曲结构的光纤MI传感器，用于进行微位移传感。此处的微位移传感包括当 检测的物体的位移发生变化时，能知晓其具体的位移量。
光源产生光信号，由单模光纤输入至环形器并经过环形器输出至光纤传感器，光信号到达光纤传感器后反射的光信号经过环形器输出到光谱仪。
为了模拟外界位移，在本实施例中，待检测微位移的对象为竖直挡板4，将光纤传感器固定在位移平台5上，光纤传感器的末端与固定的竖直挡板4接触，通过调节位移平台5，来模拟光纤传感器与竖直挡板4之间的位移变化。具体的，当位移平台5移动时，竖直挡板4对光纤传感器的挤压产生变化，使得到达光纤传感器后反射的光信号产生不同程度的波长偏移，从而实现微位移传感。
现结合图4对本实施例的工作原理说明如下：
如图4所示，本实施例的微位移传感系统的初始状态为光纤传感器刚好接触到竖直挡板4时的状态，当待检测微位移的对象竖直挡板4的位移变化△D时，光纤传感器末端距离位移平台5的垂直距离S也会相应的改变。由于光纤传感器受到挤压，改变了光纤传感器的弯曲结构3的弯曲角度，从而导致透射光谱的波长发生偏移。因此通过光谱仪采集反射光信号并检测反射光谱波长的变化就能实现对微位移的传感，光谱波长随着位移的增大而增大。
如图5中的（a）所示，随着微位移的增加，光谱出现红移，在图5的（a）中，虚线表示了红移程度；在经过微位移传感实验后可以得到拟合函数，拟合函数表示了微位移和光谱波长的关系，如图5中的（b）可知，微位移与光谱波长呈线性关系：
Figure 88441DEST_PATH_IMAGE002
（1）
式中，
Figure 363564DEST_PATH_IMAGE003
表示光谱波长，
Figure 7035DEST_PATH_IMAGE004
表示微位移。该拟合函数的拟合度
Figure 781350DEST_PATH_IMAGE005
。
在后续实际使用过程中，通过获取光谱波长即可得到准确的位移量。
通过拟合实验数据，得到光纤传感器的微位移响应敏感度，本实施例的传感系统 的微位移灵敏度为148.6
Figure 510271DEST_PATH_IMAGE006
，最大测量范围为60
Figure 589086DEST_PATH_IMAGE001
。

Claims (3)

1.一种制作具有弯曲结构的光纤MI传感器的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：取一段单模光纤，去除该单模光纤任意一端的涂覆层；
步骤2：依据长度需求，将去除涂覆层的一端端面切平，形成单模光纤末端，并将单模光纤末端放入光纤熔接机中进行放电处理，放电处理完成后，在单模光纤末端上形成一弧形结构；
步骤3：在距离弧形结构1-3mm处，对该处的单模光纤进行加热，使该处的单模光纤发生形变，产生弯曲角度，形成弯曲结构；在对该处的单模光纤进行加热的过程中，通过量角器监测弯曲结构的弯曲角度变化，当弯曲结构的弯曲角度在20°～30°之间时，停止加热，得到最终的弯曲结构，由具有弯曲结构的单模光纤和设置在光纤末端的弧形结构整体构成一种具有弯曲结构的光纤MI传感器。
2.根据权利要求1所述的一种制作具有弯曲结构的光纤MI传感器的方法，其特征在于：步骤2中，所述的将单模光纤末端放入光纤熔接机中进行放电，具体步骤包括：
将单模光纤末端放入光纤熔接机中，在放电电流为6mA，放电时间0.5s的条件下进行首次放电处理；
首次放电结束后，将该单模光纤末端放入光纤熔接机中，在放电电流为6mA，放电时间0.5s的条件下进行二次放电处理。
3.一种传感系统，其特征在于：包括用于产生光信号的光源、用于对位移进行传感并产生传感信号的光纤传感器和用于接收传感信号的光谱仪；
所述的光纤传感器采用权利要求1至2任意一项所述的一种制作具有弯曲结构的光纤MI传感器的方法制作得到；
当进行位移传感时，光纤传感器的弧形结构与待传感位移的对象接触。
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