CN1657992A - 一种基于可变耦合器的光纤传感探头 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感领域，是一种基于可变耦合器的光纤传感探头。由于采取与传统光纤耦合器封装背道而驰的方法，有意扩大光纤耦合器对外界因素的灵敏程度，使得光纤耦合器耦合比(或输出端光功率)随外界因素(温度、电场、磁场、应力应变等)的变化而变化，其线性度非常好，且可变耦合器仍采取传统的熔融拉锥或无拉锥区熔融扩散法，使得探头成本较低，结构简单可靠，适合于规模化生产。

Description

一种基于可变耦合器的光纤传感探头

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别涉及温度传感、电场、磁场、应力应变传感等领域。

背景技术

熔融拉锥工艺(Fused Biconical Taper：FBT)是目前光纤耦合器的主要制作方法，它采用专门的设备将两根光纤在氢氧气或丙烷气的高温下烧熔，再按照产品所需的工作波长、带宽、分光比等光学特性，按所设定的参数将其向外拉，即完成所需光学特性的光分路器烧结过程。完成烧结过程后的光纤丝先在石英基板(substrate)上固定，以保持烧结后光纤丝的光学特性，再将光纤及基板装入外包装材料，以保护光纤丝及基板，并能满足商业使用方便性的要求。光纤耦合器的工作原理是，当传导模进入融锥区时，随着纤芯不断变细，越来越多的光功率渗入光纤包层中，实际上光功率是在由包层作为芯，纤外介质(例如空气)作为新包层的复合波导中传输的；在输出端，随着纤芯的不断变粗，光功率被两根纤芯以特定的比例“捕获”。因此，光纤耦合器对耦合区包层折射率的变化是敏感的，对耦合区应力变化更敏感。

目前光纤耦合器主要用于光功率分配，因此必须采取措施保证其光功率分配的环境稳定性，特别是环境温度稳定性。其中使用石英基板是必不可少的措施。

目前出现了一种新的制作光纤耦合器的方法，“无拉锥区熔融扩散法”，其特点是只熔融，不拉锥。其基本原理是在熔融区域内，光纤纤芯里固有的Ge²⁺的热扩散现象，导致模场直径增大，实现光纤间的光耦合。通过控制扩散时间和温度可以制造预定耦合比的不同产品。这种方法的优点是没有变细的拉锥区，因而大大改善了耦合区的应力状态，不易产生耦合区的断裂，从而提高了产品的可靠性。这种耦合器的耦合区外包层仍是原来光纤的部分包层，只是两纤芯距离靠得很近，导致光纤间光能量的耦合。但这种耦合器分光比对耦合长度的变化就很敏感了。

综上所述，光纤耦合器的耦合分光比，都对耦合区的应力较敏感。根据这个现象，人为的给耦合区加载一些随外界环境变化的应力，就可以制作出高可靠性高灵敏度的光纤传感探头。

发明内容

本发明的目的在于设计出一种成本更低、可靠性更好、结构更简单、适合于批量生产的光纤传感器，主要应用于温度、应力、应变、电场、磁场等领域的测量。

本发明的目的是这样实现的：请见图1(a)，1与2均为光纤耦合器输入光纤，5与6均为光纤耦合器输出光纤，3为光纤耦合器的锥形耦合区，10为热膨胀系数与光纤有差别的基板，该基板甚至具有电致伸缩或磁致伸缩效应。

光纤所用基材为高纯度石英玻璃，其热膨胀系数为0.55×10^-6/℃，对电磁场不敏感。石英玻璃延伸率达到5％，一般耦合区长度为20毫米，其最大伸长量可达1毫米，即1000微米，因此，锥形耦合区长度变化±50微米时还处于弹性形变范围，而不会被拉断。根据熔融拉锥制作工艺，一定分光比的1×2光纤耦合器，若耦合区长度的改变量在0～100微米变化时，其输出光纤的耦合比可以在0～100％内单调线性变化。

可见，按图1(a)方案，将耦合器两端与基板10绑定在一起(可加预拉应力)，由于10的热膨胀系数与光纤有差别，耦合器的耦合区长度将随基板伸缩而伸缩，因而耦合器输出端光功率随之线性变化，探测输出端光功率的变化，就知道环境温度的变化。

如果基板10具有电致伸缩或磁致伸缩效，只需要进行温度补偿，就可以进行电场或磁场的探测了。

另请见图1(b)，7为石英基板，热膨胀系数与与光纤一样。石英基板7上有一个热膨胀系数与光纤有差别的凸台4，该凸台甚至具有电致伸缩或磁致伸缩效应。其原理是光纤耦合器耦合比(分光比)对于耦合区的弯曲非常敏感。当凸台4在温度场变化时进行伸缩时，光纤耦合区的曲率随之变化，因此输出端耦合比随之变化，探测输出端光功率的变化，就知道环境温度的变化。

如果凸台4具有电致伸缩或磁致伸缩效，则只需要进行温度补偿，就可以进行电场或磁场的探测了。

上述光纤耦合器输入输出光纤都可以有两根以上的光纤。并且可以应用于需要测量应变的地方，此时将基板10或凸台4换成需要测量的对象，将输入输出光纤固定在测量对象上即可，必要时进行温度补偿。

本发明，一种基于可变耦合器的光纤传感探头，由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.本发明采取与传统光纤耦合器封装背道而驰的方法，有意扩大光纤耦合器对外界因素的灵敏程度，使得光纤耦合器耦合比(或输出端光功率)随外界因素(温度、电场、磁场、应力应变等)的变化而变化，其线性度非常好，且探头成本较低，结构简单，适合于规模化生产。

2.本发明的可变耦合器采取传统的熔融拉锥或无拉锥区熔融扩散法，工艺成熟，投入少，回报高。

附图说明

通过以下对本发明一种基于可变耦合器的光纤传感探头若干实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1发明方案

图2实施例一是光纤耦合器锥形耦合区进行金属化处理进行温度检测的情形；

图3实施例二是光纤耦合器固定在纯铝基板上进行温度检测的情形；

图4实施例三是光纤耦合器固定在被测对象上进行应力应变检测的情形；

图5实施例4是改变光纤耦合器耦合区弯曲状态进行光纤传感的情形。

具体实施方式

请参见图2所示，这是本发明一种基于可变耦合器的光纤传感探头的一种实施例。其中11为光纤耦合区金属化层，包括厚度10微米镍层，外套纯铝管(内表面也镀镍，壁厚1毫米)，中间用焊锡填充。纯铝的热膨胀系数为23×10^-6/℃，长度30毫米的纯铝基板，温度变化200摄氏度，自由状态下其长度变化138微米，由于光纤的挤压，其变化长度实际上稍小于138微米。光纤1、2、5、6均采取普通单模光纤。50摄氏度时该耦合器分光比为50∶50，当温度在-50～150摄氏度之间变化时，耦合区长度将随之改变，耦合比在0～100％之间变化。探测输出端5或6的光功率变化，可以测量耦合区的温度变化。

请参见图3所示，这是本发明一种基于可变耦合器的光纤传感探头的另一种实施例。其原理与实施例一相同，只是光纤耦合区不再采取金属化的方法，如图，17为纯铝基板，耐高温环氧胶8与9将耦合区两端固定在17上，在-50摄氏度时，耦合器分光比为5∶95，随着17的热膨胀，锥形耦合区3的长度将线性增加，耦合器分光比将线性单调地变化，探测输出端5或6的光功率变化，可以测量耦合区的温度变化。

请参见图4所示，这是本发明一种基于可变耦合器的光纤传感探头的又一实施例。21为被测量对象，固定销22与23将耦合器固定在21上，当21发生应变时，耦合区3的长度随之改变，光纤耦合器耦合比随之发生改变，探测输出端5或6的光功率变化，可以测量21的应变量的大小。

请参见图5所示，这是本发明一种基于可变耦合器的光纤传感探头的又一实施例。其中24为石英基板，石英柱12、13与纯铝柱14将耦合器固定在石英基板24上。12、13、14的高度均为2毫米，每增加1摄氏度，14的高度将比12和13的高度多增加49纳米，因此耦合区曲率半径将增加，引起耦合比相应的变化。探测输出端5或6的光功率变化，可以测量耦合区的温度变化。

上述实施例中的热膨胀驱动元件都可以换成电致伸缩元件，以测量电场强度大小；或者换成磁致伸缩元件，以测量磁场强度大小。

上述实施例只是对这种光纤耦合器分光比增敏的一种应用，实际上其应用远不只上面所述情形。例如，该结构还可以应用于加速度传感，在对耦合器耦合区进行保护处理后，还可以埋入混凝土中检测建筑、桥梁、大坝的应变与温度分布。

总之，本发明提出了与传统光纤耦合器相反的封装方法，大大增加耦合器耦合分光比对环境因素的灵敏度，利用该方法做成的光纤温度传感探头，具有可靠性高，成本低，重复性与稳定性好等特点。

Claims (8)

1.一种基于可变光纤耦合器的光纤传感探头，其特征在于光纤耦合器的耦合区或耦合区两端与其他载体绑定在一起，耦合区在载体的作用下发生轴向或径向应变，从而导致耦合器耦合比发生变化，所述载体包括：热膨胀材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、受力应变物体等。

2.如权利要求1所述的一种装置，其特征在于光纤耦合器的耦合区或耦合区两端所绑定的载体，在热场或电场或磁场或力的作用下沿耦合区轴向发生伸长或收缩，强制耦合区沿轴向发生相应的应变，导致耦合器耦合比率发生变化。

3.如权利要求1所述的一种装置，其特征在于耦合区所绑定的载体，在热场或电场或磁场或力的作用下沿耦合区径向发生伸长或收缩，迫使耦合区发生弯曲应变，导致耦合器耦合比率发生变化。

4.如权利要求2或3所述的一种装置，其特征在于耦合器输出光纤为两根或两根以上。

5.如权利要求2或3所述的一种装置，其特征在于所绑定载体的热膨胀系数不等于光纤材料的热膨胀系数。

6.如权利要求2或3所述的一种装置，其特征在于所绑定的载体具有电致伸缩效应。

7.如权利要求2或3所述的一种装置，其特征在于所绑定的载体具有磁致伸缩效应。

8.如权利要求2或3所述的一种装置，其特征在于所绑定的载体因受内力或外力作用发生应变。

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