CN205719020U - 一种温度与应变同时测量的保偏光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种温度与应变同时测量的保偏光纤传感器，所述系统主要由宽带光源、输入光纤、输入花生形光纤、保偏光纤、输出花生形光纤、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花生形光纤后，激发起对外界温度、应变敏感的包层模式，传输光同时在保偏光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模。当传输光通过输出花生形光纤时，纤芯模和包层模耦合发生马赫‑曾特干涉。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
技术领域
本实用新型涉及温度检测技术、应力检测技术、光纤传感技术，利用的是球形结构和保偏光纤光纤对外界温度和应力变化的灵敏特性以及不同外界温度和应力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、直接实时等诸多优点，它属于光纤温度和应变传感领域。
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、桥梁、生物传感等领域，并已取得了许多实际应用成果。
当前研发和应用于温度、应变的光纤传感器主要有分布式光纤传感器、光纤光栅传感器、光子晶体传感器等，但是这些传感器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，波长解调器的成本等问题。
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花生形和保偏光纤的光纤传感器，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：一种温度与应变同时测量的保偏光纤传感器，由宽带光源、输入光纤、输入花生形光纤、保偏光纤、 输出花生形光纤、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花生形光纤后，激发起对外界温度、应变敏感的包层模式，传输光同时在保偏光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模。当传输光通过输出花生形光纤时，纤芯模和包层模耦合发生马赫-曾特干涉。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。
其中干涉光谱中波谷的特征波长变化与外界环境温度满足：
其中m为整数，α表示热膨胀系数，Δneff表示纤芯模和第j阶包层模之间的有效折射率，并满足和分别表示纤芯、包层的有效热光系数。
干涉光谱中波谷的特征波长变化与外界应变满足：
其中。分别表示纤芯、包层的有效弹光系数。
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花生形光纤和输出花生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，输入花生形光纤的两球形直径分别是188.68μm和189.86μm，输出花生形光的两球形直径分别是197.98μm和197.25μm。
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， 能够包含输入花生形光纤、保偏光纤和输出花生形光纤构成的马赫-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、应变下保偏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。
本实用新型所述的保偏光纤，其包层直径是125μm，纤芯直径8.5μm。
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：＞15℃，0-90％RH。
如图1所示，它是一种温度与应变同时测量的保偏光纤传感器。
首先将输入光纤(2)、输出光纤(6)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，用同样方法制作两个球体并通过手动方式分别与输入光纤(2)、输出光纤(6)的末端连接得到输入花生形光纤(3)、输出花生形光纤(5)，再 将保偏光纤(4)与输入花生形光纤(3)、输出花生形光纤(5)分别连接构成花生形的保偏光纤传感器。最后将输入光纤(2)、输出光纤(6)分别与宽带光源(1)和光谱仪(7)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，将保偏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1071.43με应变的测量。观察并记录不同应变下光谱仪(7)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，在保偏光纤传感器下放置一块加热板，加热板的温度可控范围是25℃-150℃，其精确温度值是0.1℃。通过改变加热板的温度，从45℃到75℃对光纤传感器进行加热，观察并记录不同温度下光谱仪(7)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，发生明显的蓝移现象。
如图3所示，为不同外界应变的仿真测量实验结果图，表示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。透射光衰减峰的波长值与外界不同应变量呈良好的线性关系，图3中dip1的拟合系数约为0.9834，其灵敏度值为0.79pm/με；dip2的拟合系数约为0.9841，其灵敏度值为2.22pm/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。透射光衰减峰的波长值与外界 温度呈良好的线性关系，图5中dip1拟合系数为0.9611，其灵敏度值为19.56pm/℃，dip2拟合系数为0.9927，其灵敏度值为31.74pm/℃。
当应变和温度同时改变的时候，保偏光纤的透射干涉光波长的变化为
式中Δλ1、Δλ2分别为保偏光纤的透射干涉光波长的变化量，kT1、kT2和kε1、kε2分别为保偏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
式中D＝kT1kε2-kT2kε1，将保偏光纤的温度、应变灵敏度系数分别代入得到
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、花生形结构光纤、保偏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)
1.一种温度与应变同时测量的保偏光纤传感器，其特征是：由宽带光源(1)、输入光纤(2)、输入花生形光纤(3)、保偏光纤(4)、输出花生形光纤(5)、输出光纤(6)、光谱仪(7)构成；从宽带光源(1)发出的光经输入光纤(2)入射到输入花生形光纤(3)后，激发起对外界温度、应变敏感的包层模式，传输光同时在保偏光纤(4)的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模；当传输光通过输出花生形光纤(5)时，纤芯模和包层模耦合发生马赫-曾特干涉；最后输出光通过输出光纤(6)，入射到光谱仪(7)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(7)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。
2.根据权利要求1所述的一种温度与应变同时测量的保偏光纤传感器，其特征是：所述输入花生形光纤(3)和输出花生形光纤(5)是利用光纤熔接机对光纤端面进行电流放电制作出来的，输入花生形光纤(3)的两球形直径分别是188.68μm和189.86μm，输出花生形光纤(5)的两球形直径分别是197.98μm和197.25μm。
3.根据权利要求1所述的一种温度与应变同时测量的保偏光纤传感器，其特征是：所述宽带光源(1)的光谱范围为650nm-1700nm，能够包含由输入花生形光纤(3)、保偏光纤(4)和输出花生形光纤(5)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所述的一种温度与应变同时测量的保偏光纤传感器，其特征是：所述光谱仪(7)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所述的一种温度与应变同时测量的保偏光纤传感器，其特征是：输入光纤(2)、输出光纤(6)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所述的一种温度与应变同时测量的保偏光纤传感器，其特征是：保偏光纤(5)，其包层直径是125μm，纤芯直径是8.5μm。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112146799A (zh) * | 2020-09-07 | 2020-12-29 | 桂林电子科技大学 | 一种扭转和湿度一体化测量的光纤传感装置 |
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- 2016-04-27 CN CN201620379742.4U patent/CN205719020U/zh not_active Expired - Fee Related
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