CN204718708U - 一种基于球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器，所述系统主要由宽带光源、输入光纤、输入球形光纤、连接光纤、单模细芯光纤、输出球形光纤、输出光纤、光谱仪构成；从宽带光源发出的光经输入光纤入射到输入球形光纤，激发起对温度、应变敏感的包层模式，并与连接光纤的芯层模式发生马赫-曾特干涉，之后输出光经过单模细芯光纤，通过连接光纤入射到输入球形光纤中，最后通过输出光纤，入射到光谱仪上；当外界温度、应变改变时，至少两个干涉衰减峰的波长位置会发生移动，通过光谱仪上透射光干涉衰减峰的波长值来实现对温度、应变的双参数同时测量。该光纤传感器具有结构简单、测量方便、灵敏度高等优点。

Description

一种基于球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器

技术领域

本实用新型涉及温度、应变检测技术、光纤传感技术，利用的是球形光纤、单模细芯光纤对外界温度、应变变化的灵敏特性以及不同外界温度、应变会使透射光衰减峰的波长值发生改变的方法，具有结构简单、体积小、响应速度快、灵敏度高、安全可靠等诸多优点，它属于光纤温度、应变传感领域。

背景技术

光纤传感器与传统的电、化学传感器相比具有很多优点，特别是光纤工作频率宽，动态范围大，是一种低损耗传输线，并且由于体积小、质量轻、抗辐射性好等特点，成为替代传统传感器的商品。光纤传感器自问世以来，开始逐渐适用于电力系统、建筑、化工、海洋开发等领域，并已取得了许多实际应用成果。

当前研发和应用于温度、应变的光纤传感系统主要有布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅、保偏光纤和长周期光纤光栅、布拉格光纤光栅和腰椎放大多模光纤等，但是这些传感系统在实际应用中还需考虑许多因素，比如传感器的制作成本，使用的寿命长短，测量的精度，光检测器波长分辨率的大小等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服上述产生的问题，满足实际的工作需求，提出一种温度和应变同时测量的球形和单模细芯的光纤传感器，该系统结构简单、设计合理，成本低廉、直接实时、结果有效准确。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种温度和应变同时测量的球形和单模细芯的光纤传感器，由宽带光源、输入光纤、输入球形光纤、连接光纤、单模细芯光纤、连接光纤、输出球形光纤、输出光纤、光谱仪构成。从宽带光源发出的光经输入光纤入射到输入球形光纤后，激发起对外界温度、应变敏感的包层模式，并与连接光纤中的芯层模式发生马赫-曾特干涉，之后输出光经过单模细芯光纤，由于纤芯不匹配部分光耦合进入到包层中，将同时在细芯单模光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模，并会在细芯和单模光纤的熔接点处再次耦合进入连接光纤，通过连接光纤入射到输入球形光纤中，最后输出光通过输出光纤，入射到光谱仪上；当外界温度、应变改变时，干涉衰减峰的波长位置会发生相应改变，通过检测光谱仪上透射光干涉衰减峰的波长值来实现对外界温度、应变的同时测量。

透射谱干涉满足的条件为：

$2\mathrm{\π}[n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}\left(\mathrm{\λ}\right)-n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cLj}}(\mathrm{\λ},n_e)]\·\frac{L}{{\mathrm{\λ}}_D}=(2k+1)\mathrm{\π}$

式中为单模细芯光纤纤芯的有效折射率，为单模细芯光纤包层中第j阶模式的有效折射率，L为单模细芯光纤的长度，λ_D为干涉衰减峰对应的波长值，则λ_D可以表示为

${\mathrm{\λ}}_D=\frac{2}{2k+1}(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}\left(\mathrm{\λ}\right)-n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cl},j}(\mathrm{\λ},n_e))L$

随着外界温度、应变的改变，干涉谱中的峰值波长变化量可以表示为

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{2}{2k+1}({\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}\left(\mathrm{\λ}\right)-{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cl},j}(\mathrm{\λ},n_e))\mathrm{\ΔL}$

其中， ${\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}\left(\mathrm{\λ}\right)=n_{\mathrm{core}}{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{core}}\mathrm{\ΔT}+n_{\mathrm{core}}{p}_{\mathrm{core}}\mathrm{\Δ\ϵ}$

${\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cl},j}\left(\mathrm{\λ}\right)=n_{\mathrm{clad}}{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{clad}}\mathrm{\ΔT}+n_{\mathrm{clad}}{p}_{\mathrm{clad}}\mathrm{\Δ\ϵ}$

ΔL＝LαΔT+LΔε

上式中n_core、n_clad分别表示纤芯、包层的有效折射率，ξ_clad、ξ_clad是表示包层、纤芯有效的热光系数，ΔT、Δε分别表示外界温度、应变变化量，ΔL表示单模细芯光纤长度的变化量；α表示光纤表面二氧化硅的热膨胀系数，

将上式联立，并利用波长值变化量Δλ对温度、应变分别求导，可以得到

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\ΔT}}={\mathrm{\λ}}_D(\mathrm{\α}+\frac{{\mathrm{\ξn}}_{\mathrm{core}}-{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{clad}}{n}_{\mathrm{clad}}}{n_{\mathrm{core}}-n_{\mathrm{clad}}})$

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\Δ\ϵ}}={\mathrm{\λ}}_D(1+\frac{p_{\mathrm{core}}{n}_{\mathrm{core}}-p_{\mathrm{clad}}{n}_{\mathrm{clad}}}{n_{\mathrm{core}}-n_{\mathrm{clad}}})$

可以得出波长值变化量与温度、应变分别成不同的比例，即温度、应变的灵敏度不同，因此可以通过透射谱上的波长漂移量，并结合灵敏度系数矩阵实现对温度、应变的同时测量。

本实用新型所述输入球形光纤和输出球形光纤是利用光纤熔接机对光纤端面进行电流放电制作出来的，输入球形光纤的球形直径是188.87μm，输出球形光纤的球形直径是179.98μm。

本实用新型所述的宽带光源用作发出入射光，光谱范围为650nm-1700nm，能够包含输入球形光纤、连接光纤、单模细芯光纤和输出球形光纤构成的马赫-曾特干涉所形成的干涉衰减峰波长值。

本实用新型所述的光谱仪用作接收光源，分辨率是0.01nm，能精确测得不同温度、应变下球形和单模细芯光纤所通过的透射光衰减峰波长值。

本实用新型所述的输入光纤、连接光纤、输出光纤都是普通单模光纤，其包层直径是125μm，纤芯直径是8μm。

本实用新型所述的单模细芯光纤，其包层直径是125μm，纤芯直径，2.3μm。

本实用新型所具有的特点优势为：1.所有仪器材料都很普遍，系统结构简单；2.外界环境温度、应变变化直接实时检测，且操作简单；3.所有操作都没涉及危险药品，安全可靠。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图

图2为本实用新型的不同应变下的光谱图

图3为本实用新型的不同应变下的实验结果图

图4为本实用新型的不同温度下的光谱图

图5为本实用新型的不同温度下的实验结果图

具体实施方式

本实用新型适用的温湿度条件为：＞5℃，0-90％RH。

如图1所示，它是一种温度和应变同时测量的球形和单模细芯结构的光纤传感器。

首先要用商业熔接机将一根普通光纤制作成直径宽度分别为188.87μm的输入球形结构光纤(3)、179.98μm的输出球形结构光纤(7)。将输入光纤(2)和输出光纤(8)的末端超出电极棒180μm，设置放电参数放电时间为1300ms，放电强度为200bit，使输入(输出)光纤尖端软化，变成一个球体，最后通过手动方式分别完成连接光纤(4)、连接光纤(6)末端的连接，再将单模细芯光纤(5)与连接光纤(4)、连接光纤(6)的另外两端分别连接构成球形和单模细芯的光纤传感器。最后将输入光纤(2)、输出光纤(8)分别与宽带光源(1)和光谱仪(9)连接好，构成光纤传感系统。在实验室进行不同外界应变的仿真测量时，将球形和单模细芯的光纤传感器固定在应变测试的两个夹具中间，两个夹具中间的距离S为140mm，每次螺母向外旋转dS＝0.025mm，则每次所受的应变可以表示为一共向外依次转动6圈，既实现从0με到892.86με应变的测量。观察并记录不同应变下光谱仪(9)上透射光的衰减峰波长值变化情况，拟合计算出透射光衰减峰波长值与外界应变变化的关系，从而达到检测外界应变的目的。在实验室进行不同外界温度的仿真测量时，在球形和单模细芯的光纤传感器下放置一块加热板，加热板的温度可控范围是18℃-150℃，其精确温度值是0.1℃。通过改变加热板的温度，从27℃到76℃对光纤传感器进行加热，观察并记录不同温度下光谱仪(9)上透射光的衰减峰波长值变化情况。拟合计算出透射光衰减峰波长值与外界温度变化的关系，从而达到检测外界温度的目的。

如图2所示，不同外界应变的仿真测量实验光谱图，随着外界应变的增大，发生明显的红移现象，其中选择了两个衰减峰进行后续的对不同温度和应变的拟合。

如图3所示，为不同外界应变的仿真测量实验结果图，分别表示两个透射光衰减峰的波长值与外界不同应变值的拟合线性关系图。两个透射光衰减峰dip1、dip2的波长值与外界不同应变量呈良好的线性关系，其中dip1的拟合系数约为0.99671，其灵敏度值为4.14pm/με，dip2的拟合系数约为0.9877，其灵敏度值为3.74pm/με。

如图4所示，不同外界温度的仿真测量实验光谱图，随着外界温度的增大，发生明显的红移现象。

如图5所示，为不同外界温度的仿真测量实验结果图，表示对如图2所示一样的两个透射光衰减峰的波长值与外界不同温度值的拟合线性关系图。两个透射光衰减峰dip1、dip2的波长值与外界不同温度呈良好的线性关系，其中dip1的拟合系数约为0.99758，其灵敏度值为73.81pm/℃，dip2的拟合系数约为98321，其灵敏度值为43.88pm/℃。

当应变和温度同时改变的时候，球形和单模细芯光纤的透射干涉光波长的变化为

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_1\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{k}_{T1}& k_{\mathrm{\ϵ}1}\\ k_{T2}& k_{\mathrm{\ϵ}2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔT}\\ \mathrm{\Δ\ϵ}\end{array}\right]$

式中Δλ₁、Δλ₂分别为球形和单模细芯光纤的透射干涉光波长的变化量，k_T1、k_T2和k_ε1、k_ε2分别为球形和单模细芯光纤的温度和应变灵敏度，ΔT、Δε分别为温度和应变的变化量。通过装置，可以得到

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔT}\\ \mathrm{\Δ\ϵ}\end{array}\right]=\frac{1}{D}\left[\begin{array}{cc}{k}_{\mathrm{\ϵ}2}& {-k}_{\mathrm{\ϵ}1}\\ -k_{T2}& k_{T1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_1\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_2\end{array}\right]$

式中D＝k_T1k_ε2-k_T2k_ε1，将球形和单模细芯光纤的温度、应变灵敏度系数分别代入得到

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔT}\\ \mathrm{\Δ\ϵ}\end{array}\right]=\frac{1}{94.3865}\left[\begin{array}{cc}3.74& -4.14\\ -43.88& 73.81\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_1\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_2\end{array}\right]$

本领域技术人员清楚地知道，根据本实用新型的方法，可以实现在某些特定环境下对温度、应变的检测，例如化工、发电厂、变电站等环境温度、应变系统的检测等，宽带光源、球形结构光纤、单模细芯光纤和光谱仪等可以进行新的统一搭配，装置结构可以进行优化设计，本实用新型的保护范围并不局限于以上实施例。

Claims (6)

1.一种基于球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器，其特征是：由宽带光源(1)、输入光纤(2)、输入球形光纤(3)、连接光纤(4)、单模细芯光纤(5)、连接光纤(6)、输出球形光纤(7)、输出光纤(8)、光谱仪(9)构成；从宽带光源(1)发出的光经输入光纤(2)入射到输入球形光纤(3)后，激发起对外界温度、应变敏感的包层模式，并与连接光纤(4)中的芯层模式发生马赫-曾特干涉，之后输出光经过单模细芯光纤(5)，通过连接光纤(6)入射到输出球形光纤(7)中，最后输出光通过输出光纤(8)，入射到光谱仪(9)上；当外界温度、应变改变时，干涉衰减峰的波长位置会发生相应改变，通过检测光谱仪(9)上透射光干涉衰减峰的波长值来实现对外界温度、应变的双参数同时测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器，其特征是：所述输入球形光纤(3)和输出球形光纤(7)是利用光纤熔接机对光纤端面进行电流放电制作出来的，输入球形光纤(3)的球形直径是188.87μm，输出球形光纤(7)的球形直径是179.98μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器，其特征是：所述宽带光源(1)的光谱范围为650nm-1700nm，能够包含由输入球形光纤(3)、连接光纤(4)、单模细芯光纤(5)、连接光纤(6)和输出球形光纤(7)构成的马赫-曾特干涉所形成的干涉衰减峰波长值。

4.根据权利要求1所述的一种基于球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器，其特征是：所述光谱仪(9)能测得不同温度、应变下干涉衰减峰波长值，波长分辨率是0.01nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器，其特征是：输入光纤(2)、连接光纤(4)、连接光纤(6)、输出光纤(8)都是普通单模光纤，其包层直径是125μm，纤芯直径是8μm。

6.根据权利要求1所述的一种基于球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器，其特征是：单模细芯光纤(5)，其包层直径是125μm，纤芯直径是2.3μm。