CN209147930U - 一种高分辨率单模多模单模微位移光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于航天学、微成像、结构安全等领域，具体涉及一种高分辨率单模多模单模微位移光纤传感器。所提出的传感器主要多模光纤、紫胶套、毛细管以及单模光纤构成。通过大角度弯曲多模光纤的方式，基于多模干涉和马赫曾德尔干涉仪的复合干涉在多模光纤部分可以被有效地引入进来。通过在多模光纤部分构建复合干涉的方法，传统单模多模单模光纤结构在位移传感的性能上得到了较大的提高。实验验证了此微位移传感器对于位移的测量灵敏度为0.51dB/μm，测量分辨率高达0.02微米。本专利所提出的高分辨率、高灵敏度、低损耗光纤微位移传感器在航天学、微成像、结构安全等领域都有重要的应用价值。

Description

一种高分辨率单模多模单模微位移光纤传感器

技术领域

本实用新型属于航天学、微成像、结构安全等领域，具体涉及一种高分辨率单模多模单模微位移光纤传感器。

背景技术

光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的快速发展，光纤传感技术也随之发展起来。光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志，它被广泛地应用在军事、国防、航空航天、工业生产，能源勘探、环境环保、医药卫生、建筑测量、民用电器等各个方面。光纤传感器与其它常规传感器相比具有大量而突出的优点，比如：灵敏度高、可弯曲不易损坏、抗电磁干扰、防燃防爆、扛腐蚀性、可在高温高压下工作、传感器结构简单小巧、可以承担低损耗远距离的信号传输工作等。

单模多模单模，Singlemode-multimode-singlemode，SMS光纤结构是一种全光纤器件，由于自身拥有成本低、结构小巧、实验上制备容易和灵敏度高等优点，一经提出，就得到了广泛地关注，一些基于SMS光纤结构的滤波器、光分束器、光束整合器、光纤传感器等光纤器件已经被广泛地应用到了光通信领域和光纤传感领域。尤其在光纤传感领域，SMS光纤结构在近二十年来被国内外大量研究人员进行了深入地研究。由于其结构中多模光纤拥有较大的纤芯芯径，多种模式可以被激发出来,进而可以在传输过程中发生多模干涉。基于多模干涉效应的SMS光纤结构凭借自身独特的优异性能在光纤传感领域得到了广泛地应用，至今其已经被证明可以承担多种参量的测量工作，例如：温度测量、折射率测量、位移测量、曲率测量、应力测量、湿度测量、磁场强度测量等。

SMS光纤结构首先被Denis Donlagic等人在1997年所提出，通过在两段标准单模光纤中嵌入一定长度的阶跃型多模光纤,一个简单的SMS光纤结构被成功地制备出来，此结构被证明可以准确地测量外力对结构造成的弯曲损耗。1999年Denis Donlagic等人又利用阶跃型多模光纤构成的SMS光纤结构，基于选择性发射和过滤多模中的模式成功构建了准分布式微弯传感器系统。2003年Arun Kumar等人对SMS光纤结构的传输特性进行了研究，主要分析了单模光纤与多模光纤中基模高斯光斑尺寸不匹配的情况。同年Alok Mehta等人基于多模干涉效应和多模光纤特有的self-imaging自成像现象，利用一个简单的单模多模光纤结构搭配平面镜实现了对位移的精确测量。2006年Qian Wang等人提出并设计了一个基于多模干涉效应的折射率计，通过wide-angle beam propagation method广角光束传输法的理论模拟，在理论上预测了SMS光纤结构对折射率的高分辨率测量。2008年Qian Wang等人对阶跃型多模光纤构成的SMS光纤结构在传输光谱、模场分布、耦合损耗等方面进行了综合的分析，给其他研究人员对于多模干涉设备的研究起到了很好的指导作用。2011年QiangWu等人利用弯曲的SMS 光纤结构完成了对位移的准确测量。同年Pengfei Wang等人首次提出对多模光纤部分进行拉锥，提出了一种大倏逝场型的折射率计，实现了较高的测量灵敏度。2013年Pengfei Wang等人又对SMS光纤结构中多模光纤部分进行半拉锥处理后,并在拉锥部分切断,形成尖端设备。通过在尖端部分涂覆反射材料测量反射光谱，实现了从室温到高温1089℃的测量。自此，对于SMS光纤结构的传感研究逐渐成为热点问题。

近些年，SMS光纤结构由于其简单的结构，优异的性能也被广泛地应用于高精度的微位移测量中。2011年，Qiang Wu等人应用微弯SMS光纤结构实现了较宽位移范围0-1000μm的测量，而且在900-1000μm范围内具有较高的测量灵敏度。然而，其在较低位移范围内，即0-200μm，性能却并不理想，只能实现0.009dB/μm的位移测量灵敏度。2013年J. Antonio-Lopez使用折射率匹配液构成的液体芯多模光纤并搭配石英多模光纤，利用多模干涉效应实现了对微小位移变化的探测，在0-100μm范围内，其位移测量灵敏度为25pm/μm,测量分辨率为20μm。然而此分辨率在很多高精度测量应用中并不是一个理想的值。

就像上面提到的，虽然传统SMS光纤结构具有结构简单、制备容易、价格低廉等优点。不过面对光纤传感技术的快速发展，传统SMS光纤结构已经不能满足越来越严格的测量要求，如测量精度、测量分辨率、稳定性等。为了进一步提高传统SMS光纤结构的传感性能，一些对于SMS光纤结构的后置处理方法也被国内外的研究者广泛地研究，例如：

(1)对于SMS光纤结构的多模光纤部分进行拉锥处理，增强多模光纤部分的倏逝场，使其对周围的环境变化更加的灵敏；

(2)对SMS光纤结构的多模光纤部分进行侧面抛磨处理，使多模光纤的纤芯部分暴露在环境中，进一步提高SMS光纤结构对于周围例如折射率，湿度等参量的测量灵敏度；

(3)同时也可以使用敏感材料的方法提高SMS光纤结构的传感性能，例如可以使用温敏材料，如甲醇、乙醇等，包裹在多模光纤周围，进而间接的探测周围的温度变化。也可以使用湿敏材料，如琼脂糖、明胶、PMMA等，涂覆在多模光纤表面，进一步提高多模光纤结构对于湿度测量的灵敏度。

在这里我们采取了一种更为新颖和有效地方式，即在多模光纤中构建复合干涉的方法来提高传统SMS光纤结构的传感性能。

在多模光纤中构建复合干涉的概念被我们首次提出，具有较高的创新性和前沿性。其核心研究成果将在本专利中展示。通过更加深入的研究我们相信这不仅会对多模干涉设备的研究有重要的指导作用，也会对其他领域的研究有一定程度的启发作用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高分辨率单模多模单模微位移光纤传感器。

一种高分辨率单模多模单模微位移光纤传感器，包括：多模光纤1、紫胶套2、毛细管3 以及单模光纤4，已剥除涂覆层的多模光纤1焊接在两段标准单模光纤4中间，单模光纤4 弯曲呈气球型，单模光纤4的两端合并平行套在毛细管3中并固定，紫胶套2固定在毛细管3前端单模光纤4上。本实用新型位移测量灵敏度为0.51dB/μm，对位移的分辨率达0.02μm。本实用新型所述传感器物理尺寸非常紧凑，横向长度为35.93mm。微位移测量系统由高精度位移平台、升降平台、宽带光源以及光谱分析仪构成，气球形弯曲结构的曲率半径随高精度位移平台的位移的变化而变化。本实用新型监测单一波长下传输强度的变化，有0-100μm位移范围内的高分辨率位移测量。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型中所提出的微位移传感器相比其他类型的位移传感器具有制备简单，价格低廉、分辨率高、不受电磁干扰等优点。另外，在多模光纤中构建复合干涉的方式有效地提高了传统SMS光纤结构的传感性能，这也为提高光纤传感器性能和其他相关领域提供了一个新的思路。同时，此实用新型中的传感器除了对于位移测量具有高灵敏度、高分辨率等特点外，还具有制备简单、结构小巧、价格低廉、重复性好等优点，使其在实际中的使用和批量生产提供了较大的可能性。

附图说明

图1为气球形弯曲单模多模单模光纤结构微位移传感器的原理图。

图2为弯曲半径9.60mm下传感器的透射光谱图。

图3为数据拟合结果图。

具体实施方式

本实用新型内容为通过弯曲SMS光纤的方式实现在多模光纤内建立基于多模干涉和马赫曾德尔干涉仪MZI的复合干涉进一步提高传统SMS光纤结构的位移传感性能，进而得到高灵敏度、高分辨率的光纤微位移传感器。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型中所提出的微位移传感器相比其他类型的位移传感器具有制备简单，价格低廉、分辨率高、不受电磁干扰等优点。其位移测量灵敏度为：0.51dB/μm，对位移的分辨率高达0.02μm。

传感器的结构及其测量原理：

传感器的结构如附图1所示，传感器由一段多模光纤、两段单模光纤、一段毛细管和紫外胶构成。传感器在外形上具有曲率较大的气球形状区域和两个相对直的子区域，传感器的弯曲半径和宽度分别定义为r和L。光纤在此结构中的传输过程，可以简单表达为：光线首先在单模中以基模传输，当光线传输抵达单模多模光纤截面时，由于多模光纤具有较大的纤芯直径，50μm，一系列高阶模式可以在多模光纤部分被激发，对于阶跃型多模光纤来说，所激发的模式数M可以表达为：

其中a为多模光纤纤芯半径，n_co和n_cl为多模光纤纤芯和包层的折射率，λ为自由空间波长。当光线到达气球形弯曲区域时，由于多模波导的弯曲，一部分光线会从多模光纤的纤芯耦合到包层中，从而激发包层模式。这些被激发的包层模式在多模光纤包层中传播，并且在通过弯曲区域后，包层模式的一部分能量被重新耦合到多模光纤纤芯中。进而包层模式和纤芯模式会由于光程差的不同发生干涉,从而形成一个MZI。对于一个典型的两种模式构成的 MZI，输出强度可以表达为：

其中和分别为m阶纤芯模式和n阶包层模式的强度，为初始相位差，为m阶纤芯模式和n阶包层模式之间的相位差，可以表达为：

其中L_eff为有效弯曲长度，为m阶纤芯模式和n阶包层模式间的折射率差。当外界的位移发生变化的时候，这就会改变有效弯曲长度的值，进而改变模式间的相位差，而这个相位差的变化可以通过光谱分析仪optical spectrum analyzer,OSA和光功率计optical power meter检测到。

传感器的制备包括以下步骤：

(1)使用型号为Fujikura 62S的光纤熔接机将一段长度为9.9厘米纤芯直径为50微米的已剥除涂覆层的多模光纤焊接在两段标准单模光纤SMF-28中间；

(2)然后将单模光纤两端穿入长度为1.5厘米内径为600微米的毛细管中，通过移动毛细管调节SMS光纤结构的弯曲半径；

(3)调节SMS光纤结构的弯曲半径至9.6毫米，在毛细管前端滴上适量的紫外胶，并使用高功率紫外灯对结构进行固化。

已经制备得到的传感器物理尺寸非常紧凑，横向长度只有35.93mm，进而可适用于多种测量环境中。附图2为此光纤结构在1500nm-1600nm波长范围下的透射光谱，从图中可以看到在此波长范围下，一个具有较高消光比的干涉峰可以被有效得到，其波长在1564.7nm。而此波长也被选作位移传感的检测点。

位移传感的测量过程：

使用宽带光源和光谱仪等仪器可以对制备的传感器结构进行进一步的表征工作。微位移测量系统由一个高精度位移平台translation stage、一个升降平台liftingstage、一台宽带光源 SCS、一个光谱分析仪OSA构成。通过调节高精度位移平台的位移变化，气球形弯曲结构的曲率半径会被改变，进而导致多模光纤部分光线耦合情况的变化。此实验中，位移每次改变的大小为10μm，通过连续地调节位移平台，实现了0-100μm位移范围内的变化。

本实用新型通过监测单一波长下传输强度的变化，实现了在位移范围0-100μm内的高分辨率位移测量。单一波长1564.7nm随位移变化的光谱变化情况，可以看到当位移从0增加到100μm后，其强度发生了26.94dB的变化，对应的拟合曲线展示在图3中，经过对数据的二次拟合，在0-100μm位移范围内，此传感器最大的测量灵敏度达：0.51dB/μm。

另外，在多模光纤中构建复合干涉的方式有效地提高了传统SMS光纤结构的传感性能，这也为提高光纤传感器性能和其他相关领域提供了一个新的思路。同时，此实用新型中的传感器除了对于位移测量具有高灵敏度、高分辨率等特点外，还具有制备简单、结构小巧、价格低廉、重复性好等优点，使其在实际中的使用和批量生产提供了较大的可能性。

本实用新型涉及一种新型的分辨率高达0.02微米的光纤微位移传感器的制备方法。所提出的传感器主要由气球形弯曲的单模多模单模光纤结构和一段玻璃毛细管所构成。通过大角度弯曲多模光纤的方式，基于多模干涉和马赫曾德尔干涉仪的复合干涉在多模光纤部分可以被有效地引入进来。通过在多模光纤部分构建复合干涉的方法，传统单模多模单模光纤结构在位移传感的性能上得到了较大的提高。实验验证了此微位移传感器对于位移的测量灵敏度为0.51dB/μm，测量分辨率高达0.02微米。本专利所提出的高分辨率、高灵敏度、低损耗光纤微位移传感器在航天学、微成像、结构安全等领域都有重要的应用价值。

一种高分辨率气球形弯曲单模多模单模微位移光纤传感器的制备方法，包括以下内容：

1.传感器的制备：

在两段标准单模光纤部分嵌入长度为9.9厘米已剥除涂覆层的多模光纤。将单模光纤两端插入一段长度为1.5厘米，内径为600微米的玻璃毛细管中，调节单模多模单模光纤结构半径至9.6毫米，并最终使用紫外胶固定弯曲部分结构。

2.信号解析方法：

使用单波长强度监测的方式对外界位移变化进行解析。具体方法为使用功率计或者光谱分析仪测量1564.7纳米波长下光场强度的变化，并对所得到的数据和相应位移做二次拟合处理，得到拟合曲线，进而完成通过测量强度变化得到位移变化的反馈工作。

一种高分辨率单模多模单模微位移光纤传感器的制备方法，具有以下步骤：

1)用型号为Fujikura62S的光纤熔接机将一段长度为9.9厘米纤芯直径为50微米的已剥除涂覆层的多模光纤1焊接在两段标准单模光纤4SMF-28中间；

2)然后将单模光纤4两端穿入长度为1.5厘米内径为600微米的毛细管3中，通过移动毛细管3调节SMS光纤结构的弯曲半径；

3)调节SMS光纤结构的弯曲半径至9.6毫米，在毛细管3前端滴上适量的紫外胶，并使用高功率紫外灯对结构进行固化，形成紫胶套2。

一种高分辨率单模多模单模微位移光纤传感器的信号解析方法，使用单波长强度监测的方式对外界位移变化进行解析，具有以下步骤：

①使用功率计或者光谱分析仪测量1564.7纳米波长下光场强度的变化；

②根据所得到的数据和相应位移做二次拟合处理，得到拟合曲线；

③根据拟合曲线，完成通过测量强度变化得到位移变化的反馈工作。

单模光纤4的弯曲在外形上具有曲率较大的气球形状区域和两个相对直的子区域，弯曲半径和宽度分别定义为r和L，一系列高阶模式在多模光纤部分被激发，对于阶跃型多模光纤来说，所激发的模式数M按下式进行计算：

其中a为多模光纤纤芯半径，n_co和n_cl为多模光纤纤芯和包层的折射率，λ为自由空间波长；

步骤①所述输出强度表达为：

其中为m阶纤芯模式，为n阶包层模式的强度，为初始相位差，为m阶纤芯模式和n阶包层模式之间的相位差。

模式间的相位差随有效弯曲长度的变化而变化，有效弯曲长度随外界位移的变化而变化，步骤②所述位移与m阶纤芯模式和n阶包层模式之间的相位差有关，按下式进行计算：

其中L_eff为有效弯曲长度，为m阶纤芯模式和n阶包层模式间的折射率差，λ为自由空间波长，π为圆周率。

Claims (3)

1.一种高分辨率单模多模单模微位移光纤传感器，其特征在于，该传感器包括：多模光纤(1)、紫胶套(2)、毛细管(3)以及单模光纤(4)，已剥除涂覆层的多模光纤(1)焊接在两段标准单模光纤(4)中间，单模光纤(4)弯曲呈气球型，单模光纤(4)的两端合并平行套在毛细管(3)中并固定，紫胶套(2)固定在毛细管(3)前端的单模光纤上。

2.根据权利要求1所述的一种高分辨率单模多模单模微位移光纤传感器，其特征在于：所述传感器横向长度为35.93mm。

3.根据权利要求1所述的一种高分辨率单模多模单模微位移光纤传感器，其特征在于：微位移测量系统由高精度位移平台、升降平台、宽带光源以及光谱分析仪构成，气球形弯曲结构的曲率半径随高精度位移平台的位移的变化而变化。