CN216348692U - 一种非对称花生形光纤mzi温度和折射率传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非对称花生形光纤MZI温度和折射率传感系统，包括宽带光源、光谱分析仪、单模光纤和光纤MZI传感器，宽带光源通过单模光纤连接光纤MZI传感器的输入端，光谱分析仪通过单模光纤连接MZI传感器的输出端，光纤MZI传感器的输入端和输出端都具有非对称花生形结构，非对称花生结构包括两个直径不同的光纤微球。本实用新型解决了现有技术中传感器的灵敏度偏低、干涉条纹可见度不高的问题。

Description

一种非对称花生形光纤MZI温度和折射率传感系统

技术领域

本实用新型涉及一种非对称花生形光纤MZI温度和折射率传感系统，属于光纤传感技术领域。

背景技术

在1966 年，英籍华人科学家高锟首次提出光导纤维（光纤）传输光信号的理论，在这理论指导下，几年后第一根低损耗光纤由美国康宁公司研制成功。同年，在室温下半导体激光器可连续工作也被报道。从光纤诞生至今，光纤技术得到了飞速的发展。光纤传感技术作为光纤的一大重要应用方向也得到了相应的发展，与传统的电传感器相比，光纤传感器具备独特的优点，光纤传感器具有耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小、灵敏度高等优点。因此被广泛的应用于各个领域的物理量传感，通常包括折射率、温度、气体浓度、湿度、应变和磁场等物理量。在众多光纤传感器当中，光纤马赫增德尔干涉仪（MZI）传感器由于制作简单、结构稳定、紧凑等独特的优点，发展非常迅速。在实际的应用中，温度和折射率传感器在各个不同的领域都有非常广泛的应用。近几十年来，许多研究者提出了各种光纤传感器来测量温度和折射率。将光纤制作成光纤球形、锥形和S形结构可以有效的测量温度和折射率，使用多模光纤、空心光纤、光子晶体光纤等特种光纤也可以对温度和折射率进行传感。此外，将光纤弯曲成气球形状被证明是测量温度和折射率的有效方法。然而，这些传感器不仅制造过程复杂，而且在实际应用的过程中传感器的灵敏度偏低、干涉条纹可见度不高。因此，这些传感器的实际应用仍是一个挑战。

实用新型内容

为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于非对称花生形MZI的温度和折射率传感系统，解决了现有技术中传感器的灵敏度偏低、干涉条纹可见度不高的问题。

为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：

一种非对称花生形光纤MZI温度和折射率传感系统，包括宽带光源、光谱分析仪、单模光纤和光纤MZI传感器，宽带光源通过单模光纤连接光纤MZI传感器的输入端，光谱分析仪通过单模光纤连接MZI传感器的输出端，光纤MZI传感器的输入端和输出端都具有非对称花生形结构。

优选地，前述非对称花生结构包括两个直径不同的光纤微球。

优选地，前述光纤MZI传感器输入端的非对称花生结构的光纤微球为左大右小，输出端的非对称花生结构的光纤微球为左小右大。

优选地，前述非对称花生形结构中较大的光纤微球直径为200~220μm，较小的光纤微球直径为160~180μm，大、小光纤微球之间的腰部长度S为110μm~120μm。

优选地，前述光纤MZI传感器的干涉长度L为2cm。

优选地，前述单模光纤选用G.652单模光纤，纤芯直径为8.25μm，包层直径为125μm。

本实用新型所达到的有益效果：

1、在非对称花生形结构中，大光纤微球有利于光的激发和耦合，而小光纤微球有利于减小激发和耦合时的损耗。

2、其制作工艺简单、成本低、灵敏度高、可靠性强。

3、整个传感器的条纹可见度和传感灵敏度都得到了有效提高，有利于实际的温度和折射率传感应用。

附图说明

图1是本实用新型一种非对称花生形光纤MZI的温度和折射率传感系统示意图；

图2是本实用新型非对称花生形光纤MZI传感器传感原理图；

图3是本实用新型非对称花生形光纤MZI传感器的制作过程示意图。

图中附图标记的含义：1-宽带光源，2-光谱仪，3-单模光纤，4-光纤MZI传感器，5-非对称花生形结构。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

本实施例公开了一种基于非对称花生形光纤MZI的温度和折射率传感系统，如图1所示，包括宽带光源1、光谱分析仪2、单模光纤3、光纤MZI传感器4，单模光纤3用于传输光信号，其中宽带光源1和光谱分析仪2分别通过单模光纤3连接在所述光纤MZI传感器4的输入和输出端，光纤MZI传感器4用于温度和折射率传感。

结合图2、图3，光纤MZI传感器4包括一段单模光纤3和非对称花生形结构5，光纤MZI传感器4的干涉长度L为2cm，输入侧的非对称花生形结构5为左大右小，输出端的非对称花生形结构5为左小右大。在非对称花生形结构中，较大的光纤微球直径为200~220μm，较小的光纤微球直径为160~180μm，大、小光纤微球之间的腰部长度S为110μm~120μm。整个系统中所使用的单模光纤3优选G.652单模光纤，纤芯直径为8.25μm，包层直径为125μm。

非对称花生形光纤MZI传感器4的制作过程如图3所示：

步骤S10：取一段单模光纤3并将其某一端的涂覆层去除一段距离并用酒精清洗，根据长度需求，使用光纤切割机将其端面切平；

步骤S20：然后将切平的一段放入光纤熔接机进行放电，熔融的光纤在液体表面张力作用下反复放电后收缩成光纤微球结构；

步骤S30：以同样的方法再制作一个光纤微球结构，控制熔接机的放电功率和时间可以得到不同大小的光纤微球结构。接着将两个大小不同的光纤微球熔接在一起形成非对称花生形结构5；

步骤S40：最后以同样的方法再制作一个非对称花生形结构5并将两个非对称花生形结构通过单模光纤3连接形成光纤MZI传感器4。

实际使用过程中，将宽带光源1和光谱分析仪2分别连接光纤MZI传感器4的输入和输出端，然后根据实验需求将光纤MZI传感器4放入不同温度或不同折射率的溶液中进行传感。

本实施例的工作方式为：宽带光源1产生信号光，由单模光纤3输入到光纤MZI传感器4，光经过光纤MZI传感器4后输出到光谱分析仪2。外界的温度和折射率会改变输出光谱的波长变化，所以通过检测光谱波长可实现对温度和折射率的传感。

本实施例的原理如图2所示：当光由宽带光源1发出并通过单模光纤3传输至光纤MZI传感器4的输入端的非对称花生形结构处5时，由于在纤芯中不满足光的全反射条件，一部分的光会被激发到包层中去。此时光同时在纤芯和包层中传输，当光传输至输出端的非对称花生形结构处5时，包层里面的光通过耦合重新回到纤芯中从而发生光的干涉现象。由于外界温度和折射率的改变会导致包层和纤芯的相对折射率之差的改变，从而导致光谱波长的变化。因此可以通过测量光谱波长的变化来对温度和折射率进行传感。采用非对称花生形结构5可有效激发高阶的包层模式并减小光激发和耦合时的损耗，从而增强传感器的测量灵敏度和干涉光谱的条纹对比度。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种非对称花生形光纤MZI温度和折射率传感系统，其特征在于，包括宽带光源（1）、光谱分析仪（2）、单模光纤（3）和光纤MZI传感器（4），所述宽带光源（1）通过单模光纤（3）连接光纤MZI传感器（4）的输入端，所述光谱分析仪（2）通过单模光纤（3）连接光纤MZI传感器（4）的输出端，所述光纤MZI传感器（4）的输入端和输出端都具有非对称花生形结构（5）。

2.根据权利要求1所述的一种非对称花生形光纤MZI温度和折射率传感系统，其特征在于，所述非对称花生形结构（5）包括两个直径不同的光纤微球。

3.根据权利要求2所述的一种非对称花生形光纤MZI温度和折射率传感系统，其特征在于，所述光纤MZI传感器（4）输入端的非对称花生形结构（5）的光纤微球为左大右小，输出端的非对称花生形结构（5）的光纤微球为左小右大。

4.根据权利要求2或3所述的一种非对称花生形光纤MZI温度和折射率传感系统，其特征在于，所述非对称花生形结构（5）中较大的光纤微球直径为200~220μm，较小的光纤微球直径为160~180μm，大、小光纤微球之间的腰部长度S为110μm~120μm。

5.根据权利要求1所述的一种非对称花生形光纤MZI温度和折射率传感系统，其特征在于，所述光纤MZI传感器（4）的干涉长度L为2cm。

6.根据权利要求1所述的一种非对称花生形光纤MZI温度和折射率传感系统，其特征在于，所述单模光纤（3）选用G.652单模光纤，纤芯直径为8.25μm，包层直径为125μm。

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