CN115903125A - 拼接结构的长周期光纤光栅及光纤弯曲传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拼接结构的长周期光纤光栅，其包括依次熔接的多个大周期光纤光栅；所述大周期光纤光栅包括熔接的小周期光纤光栅和第一多模光纤；所述小周期光纤光栅包括多个单模光纤和置于相邻单模光纤之间的第二多模光纤。本发明还公开了一种光纤弯曲传感器。本发明能避免温度交叉串扰，同时增加光纤弯曲传感器曲率敏感。

Description

拼接结构的长周期光纤光栅及光纤弯曲传感器

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种拼接结构的长周期光纤光栅及光纤弯曲传感器。

背景技术

在智能系统、机械工程以及建筑健康领域中，光纤弯曲传感器都是非常重要的器件。目前，光纤弯曲传感器主要使用光纤光栅作为主要的传感单元。光纤光栅分为布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅。长周期光纤光栅由于其更高的灵敏度、没有后向反射以及更多的制备方法等优势，是现在研究的主要方向。通常，测量曲率的方法都是通过波长的漂移来体现的，灵敏度大约在10-15nm*m。为了在实际应用中获得更好的精度，常常需要考虑温度对测量结果的影响。然而，由于光纤自身材料存在的热光系数，光栅谐振峰的波长会随着温度的变化也同步产生漂移，大部分温度串扰在10^-3m-1*℃。

为了克服传感器的温度串扰，同时增加曲率敏感，降低光纤的直径与涂覆降敏的材料是目前最常用的方式。但上述方法制备成本的增加，以及机械性能不可避免的降低，使得光纤弯曲传感器停留在了原理设计阶段。事实证明，如果没有革新的传感器，温度的串扰会始终伴随着光纤弯曲传感器，而革新传感器的关键就在于长周期光纤光栅。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能避免温度交叉串扰，同时增加光纤弯曲传感器曲率敏感的拼接结构的长周期光纤光栅及光纤弯曲传感器。

本发明所采用的技术方案是：

一种拼接结构的长周期光纤光栅，其包括依次熔接的多个大周期光纤光栅；

所述大周期光纤光栅包括熔接的小周期光纤光栅和第一多模光纤；

所述小周期光纤光栅包括多个单模光纤和置于相邻单模光纤之间的第二多模光纤；

第一多模光纤、第二多模光纤为同类型多模光纤。

按上述方案，大周期光纤光栅的长度为600μm，小周期纤光栅的长度为150μm。

按上述方案，多模光纤的芯径为60微米，包层为125微米。

按上述方案，单模光纤的芯径为8μm，包层为125μm。

本发明还提供一种光纤弯曲传感器，该光纤弯曲传感器采用上述拼接结构的长周期光纤光栅。

上述拼接结构的长周期光纤光栅的制作方法，包括如下步骤：

步骤一，将单模光纤与多模光纤熔接；

步骤二，对步骤一熔接的光纤光栅进行切割，将多模光纤按照小周期光纤光栅的第二多模光纤的长度进行切割，得到一个长度为L_MMF的多模光纤段；将单模光纤按照小周期光纤光栅的单模光纤的长度进行切割，得到一个长度为Λ_in-L_MMF的单模光纤段；

步骤三，重复步骤一、步骤二n次后，得到长度为n*Λ_in的单模光纤与多模光纤周期结构；将上述n个单模光纤与多模光纤周期结构依次熔接，具体为：前一个单模光纤与多模光纤周期结构的第二多模光纤与后一个单模光纤与多模光纤周期结构的的单模光纤熔接，组成光纤光栅组；

步骤四，重复步骤一、步骤二、步骤三，得到N个光纤光栅组；

步骤五，将相邻的光纤光栅组通过长度为L₀的第一单模光纤熔接，完成整个长周期光纤光栅的制作。

按上述方案，在步骤二、步骤三、步骤四、步骤五完成后，都需要与光源、光谱仪相连，实时监测光谱信号。

一种制作上述长周期光纤光栅的系统，其包括两个四维精密平台、一维位移平台、光纤切割刀、体式显微镜、光纤熔接机；

所述一维位移平台置于两个四维精密平台之间；两个四维精密平台上分别设有光纤夹具，用于固定水平放置的光纤光栅；

所述光纤切割刀置于一维位移平台上，用于对光纤光栅进行切割；一维位移平台用于带动光纤切割刀沿同一方向移动需要的距离，以使光纤光栅能够在指定的位置被切断，得到能被光纤熔接机不断连接的光纤段；

所述体式显微镜置于光纤切割刀旁，用于在光纤光栅制作过程中检测每个光纤段的长度参数；

所述光纤熔接机用于对光纤光栅熔接。

更进一步的方案是，所述系统还包括光源、光谱仪。

本发明的有益效果在于：

利用超结构排布的优势，增加大周期内小周期的数量，增强传感器对弯曲的响应；

利用振幅解调的方式避免了温度对波长解调的影响，在光纤传感领域中有重要的应用前景；

利用多模光纤光栅对弯曲有高响应作用，通过采用多个多模光纤光栅来增加传感器对弯曲的灵敏度；

本发明对于温度的敏感性仅存在于波长方面，避免在测量弯曲对振幅的影响时温度对测量结果的交叉串扰；

长周期光纤光栅的制备技术简单、制作装置的复杂度低，因此更加适用于实际应用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是拼接结构的长周期光纤光栅的结构示意图；

图2是制作长周期光纤光栅的系统的结构示意图；

图3是不同的小周期数量的超结构长周期光纤光栅传输光谱图；

图4是在不同曲率下，所对应的光谱信号变化图；

图中：1、大周期光纤光栅，2、小周期光纤光栅，3、第一多模光纤，4、单模光纤，5、第二多模光纤，6、四维精密平台，7、一维位移平台，8、光纤切割刀，9、体式显微镜，10、光纤熔接机，11、光纤夹具。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参见图1，一种拼接结构的长周期光纤光栅，其包括依次熔接的8个大周期光纤光栅。大周期光纤光栅1包括熔接的小周期光纤光栅2和第一多模光纤3。小周期光纤光栅2包括3个单模光纤4和置于相邻单模光纤4之间的第二多模光纤5。

实施例中，大周期光纤光栅1的长度为600μm，小周期纤光栅2的长度为150μm。第一多模光纤3、第二多模光纤5为同类型多模光纤，芯径为60微米，包层为125微米。单模光纤4的芯径为8μm，包层为125μm，长度为100μm。

宽带的白光从入口进入，在出口处行程具有衰减带的光谱。

定义两个相邻的加工区域之间的间隔为一个大周期Λ。一个大周期内一对多模光纤加单模光纤间隔为一个小周期Λ_in，其中第二多模光纤长度L_MMF，单模光纤为Λ_in-L_MMF。大周期内剩余的长度空间L₀使用第一多模光纤进行填充，Λ＝n*Λ_in+L₀，其中n为正整数。

实施例2

一种光纤弯曲传感器，该光纤弯曲传感器采用实施例1中的拼接结构的长周期光纤光栅。

实施例3

实施例1中的拼接结构的长周期光纤光栅的制作方法，包括如下步骤：

步骤一，将单模光纤与多模光纤熔接；

步骤二，对步骤一熔接的光纤光栅进行切割，将多模光纤按照小周期光纤光栅的第二多模光纤的长度进行切割，得到一个长度为L_MMF的多模光纤段；将单模光纤按照小周期光纤光栅的单模光纤的长度进行切割，得到一个长度为Λ_in-L_MMF的单模光纤段；

步骤三，重复步骤一、步骤二n次后，得到长度为n*Λ_in的单模光纤与多模光纤周期结构；将上述n个单模光纤与多模光纤周期结构依次熔接，具体为：前一个单模光纤与多模光纤周期结构的第二多模光纤与后一个单模光纤与多模光纤周期结构的的单模光纤熔接，组成光纤光栅组；

步骤四，重复步骤一、步骤二、步骤三，得到N个光纤光栅组；

步骤五，将相邻的光纤光栅组通过长度为L₀的第一单模光纤熔接，完成整个长周期光纤光栅的制作。

按上述方案，在步骤二、步骤三、步骤四、步骤五完成后，都需要与光源、光谱仪相连，实时监测光谱信号。

实施例4

参见图2，一种制作实施例1的长周期光纤光栅的系统，其包括两个四维精密平台6、一维位移平台7、光纤切割刀8、体式显微镜9、光纤熔接机10。一维位移平台7置于两个四维精密平台6之间；两个四维精密平台6上分别设有光纤夹具11，用于固定水平放置的光纤光栅。光纤切割刀8置于一维位移平台7上，用于对光纤光栅进行切割；一维位移平台7用于带动光纤切割刀8沿同一方向移动需要的距离，以使光纤光栅能够在指定的位置被切断，得到能被光纤熔接机10不断连接的光纤段。体式显微镜9置于光纤切割刀8旁，用于在光纤光栅制作过程中检测每个光纤段的长度参数。

四维精密平台6的精度为1μm、形成10mm的XYZθ定位。四维精密平台6在切割光纤时施加轻微的应力保持光纤水平不弯曲。一维位移平台7为精度为1μm，行程50mm的X向位移平台。光纤切割刀8的切割精度小于3°。体式显微镜9用于监控光纤切割刀8的位置，使得一维位移平台7带动的光纤切割刀8能够在准确的位置切断光纤，得到准确的单模光纤、多模光纤段。

本实施例中，长周期光纤光栅的系统还包括光源、光谱仪，光纤光栅两端分别与光源和光谱仪连接。在长周期光纤光栅制作中，宽带光源出光，光纤光谱仪实时监测光纤光栅的光谱信号，通过实时监测光纤光栅是否达到了光栅所需标准，判断光栅的质量是否合格。

本发明通过简单的制作工艺，制作出具有超结构周期的光纤光栅，避免了现有技术在设计上无法将多模光纤与一般通信单模光纤相结合的问题。本发明所提供的光纤光栅机械强度高、可重复性好，且工艺更加简单。

不同的小周期数量的超结构长周期光纤光栅传输光谱图，如图3所示。实验得出，当长周期光纤光栅的周期数增加时，损耗峰逐渐向下加深。大周期内部小周期的数量n＝3，且周期数量在N＝8时，出现了明显的损耗峰。

如图4所示，在不同曲率下，所对应的光谱信号变化图。损耗峰的振幅与曲率存在一定的映射关系。实验证明，实施例1的长周期光纤光栅的弯曲灵敏度为17.289dB*m。进一步的实验证明，长周期光纤光栅的温度交叉串扰为4.772*10^-4m-1/℃，相交于传统长周期光纤光栅的弯曲灵敏度有一个数量级的提升。

本发明将曲率对于波长的温度敏感性转换到对于幅值的敏感性，突破现有增强灵敏度和降低温度敏感性的方案，在桥梁、机器人等领域中有重要的应用前景。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种拼接结构的长周期光纤光栅，其特征在于：包括依次熔接的多个大周期光纤光栅；

所述大周期光纤光栅包括熔接的小周期光纤光栅和第一多模光纤；

所述小周期光纤光栅包括多个单模光纤和置于相邻单模光纤之间的第二多模光纤；

第一多模光纤、第二多模光纤为同类型多模光纤。

2.根据权利要求1所述的拼接结构的长周期光纤光栅，其特征在于：大周期光纤光栅的长度为600μm，小周期纤光栅的长度为150μm。

3.根据权利要求1所述的拼接结构的长周期光纤光栅，其特征在于：多模光纤的芯径为60微米，包层为125微米。

4.根据权利要求1所述的拼接结构的长周期光纤光栅，其特征在于：单模光纤的芯径为8μm，包层为125μm。

5.一种光纤弯曲传感器，其特征在于：所述光纤弯曲传感器采用权利要求1-5中任一所述的拼接结构的长周期光纤光栅。

6.权利要求1-5中任一所述的拼接结构的长周期光纤光栅的制作方法，其特征在于：

步骤一，将单模光纤与多模光纤熔接；

步骤二，对步骤一熔接的光纤光栅进行切割，将多模光纤按照小周期光纤光栅的第二多模光纤的长度进行切割，得到一个长度为L_MMF的多模光纤段；将单模光纤按照小周期光纤光栅的单模光纤的长度进行切割，得到一个长度为Λ_in-L_MMF的单模光纤段；

步骤三，重复步骤一、步骤二n次后，得到长度为n*Λ_in的单模光纤与多模光纤周期结构；将上述n个单模光纤与多模光纤周期结构依次熔接，具体为：前一个单模光纤与多模光纤周期结构的第二多模光纤与后一个单模光纤与多模光纤周期结构的的单模光纤熔接，组成光纤光栅组；

步骤四，重复步骤一、步骤二、步骤三，得到N个光纤光栅组；

步骤五，将相邻的光纤光栅组通过长度为L₀的第一单模光纤熔接，完成整个长周期光纤光栅的制作。

7.根据权利要求6所述的拼接结构的长周期光纤光栅的制作方法，其特征在于：

在步骤二、步骤三、步骤四、步骤五完成后，都需要与光源、光谱仪相连，实时监测光谱信号。

8.一种制作权利要求1-5中任一所述的拼接结构的长周期光纤光栅的系统，其特征在于：包括两个四维精密平台、一维位移平台、光纤切割刀、体式显微镜、光纤熔接机；

所述一维位移平台置于两个四维精密平台之间；两个四维精密平台上分别设有光纤夹具；

所述光纤切割刀置于一维位移平台上，用于对光纤光栅进行切割；

所述体式显微镜置于光纤切割刀旁，用于对光纤光栅进行长度测量；

所述光纤熔接机用于对光纤光栅熔接。

9.根据权利要求8所述的制作拼接结构的长周期光纤光栅的系统，其特征在于：所述系统还包括光源、光谱仪。

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