CN216977812U - 一种基于多模干涉的轴向微应变光纤激光传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多模干涉的轴向微应变光纤激光传感器，特点是包括用于发出1.57μm波段的连续光的激光源、激光传导模块、光纤拉伸器、监视器和光谱仪，激光传导模块包括沿光路依次设置的半导体可饱和吸收镜、增益光纤、波分复用器、色散补偿光纤、输出耦合器、SMS器件和光纤反射镜；优点是通过观察光谱仪上调谐后的中心波长可以转换得到相应的应变量，通过监视器观察得到当前的拉力值，经过多次测量，最终得到应变量、拉力值与中心波长的一个关系曲线；当实际应用时，通过将渐变折射率多模光纤的两端分别固定在待测建筑表面上，通过观察光谱仪上显示的值并在关系对照表查找，能快速得到当前待测建筑的应变量和对应的拉力值。

Description

一种基于多模干涉的轴向微应变光纤激光传感器

技术领域

本实用新型涉及一种微应变激光传感器，尤其是一种基于多模干涉的轴向微应变光纤激光传感器。

背景技术

在工程领域中，无论是对于科学实验研究还是结构健康监测，应变是反映结构状态的一个非常重要的参数，能否准确可靠地测量结构应变对科学实验和工程安全至关重要，目前常用的应变测量方法有电测法、压电法、磁测法、振弦法、光测法和声测法等；光纤测量法是根据在不同的外界环境作用下光纤中传导的光的干涉、偏振以及反射等光学特征的变化情况，来进行测量的一种方法，光纤应变传感技术是一种极有前途的应变传感技术，光纤传感器相比于其它传感器有着无法比拟的优越性：测量精度高、分辨力高、灵敏度高、体积小、质量轻、可靠性好、抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆、频带宽、损耗低并且还能够实现分布式测量，光纤布拉格光栅作为目前较为成熟的光纤应变传感器，其制作方法是对单模光纤进行紫外光照射后采用成栅技术在光纤纤芯区刻录一段光栅，制作方法较为复杂，应变灵敏度也较低，典型值为1pm/με，同时易受到温度等参数交叉敏感的影响，在应变高灵敏度的应用环境下很难进行应用，若光源信号不稳定，那么最终的输出信号便会受到干扰甚至失真。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具有高灵敏度、易于制造、成本低廉的基于多模干涉的轴向微应变光纤激光传感器。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于多模干涉的轴向微应变光纤激光传感器，包括用于发出1.57μm波段的连续光的激光源、激光传导模块、光纤拉伸器、监视器和光谱仪，所述的激光传导模块包括沿光路依次设置的半导体可饱和吸收镜、增益光纤、波分复用器、色散补偿光纤、输出耦合器、SMS器件和光纤反射镜，所述的半导体可饱和吸收镜与所述的增益光纤的一端连接，所述的增益光纤的另一端与所述的波分复用器的一端连接，所述的波分复用器的另一端分别与所述的激光源的输出端及所述的色散补偿光纤的一端连接，所述的色散补偿光纤的另一端与所述的输出耦合器的一端连接，所述的输出耦合器的另一端通过单模输出光纤与所述的光谱仪连接，所述的输出耦合器的另一端还与所述的SMS器件的一端连接，所述的SMS器件的另一端与所述的光纤反射镜连接，所述的光纤拉伸器的两个拉伸端分别与所述的SMS器件的一侧及另一侧固定连接，所述的监视器用于显示所述的光纤拉伸器的拉力值，所述的波分复用器用于接入所述的激光源发出的1.57μm波段的连续光并发送至所述的增益光纤，所述的增益光纤用于将接收到的1.57μm波段的连续光转换为2μm波段的连续光并发送至所述的半导体可饱和吸收镜，所述的半导体可饱和吸收镜用于将接收到的2μm波段的连续光转换为2μm波段的超短脉冲并沿光路发送至所述的SMS器件，所述的输出耦合器输出至所述的SMS器件与输出至所述的单模输出光纤的输出耦合比为9:1，所述的光谱仪用于显示接收到的2μm波段的超短脉冲的中心波长，所述的SMS器件用于将2μm波段的超短脉冲经所述的光纤反射镜反射后反向输出至所述的输出耦合器，所述的SMS器件还用于对2μm波段的超短脉冲的中心波长进行调谐，所述的光纤拉伸器用于根据预设的轴向拉力拉动所述的SMS器件。

所述的SMS器件包括依次熔接的第一单模光纤、渐变折射率多模光纤和第二单模光纤，所述的第一单模光纤的外端与所述的输出耦合器的另一端连接，所述的第二单模光纤的外端与所述的光纤反射镜连接，所述的光纤拉伸器的一个拉伸端与所述的渐变折射率多模光纤的一端固定连接，所述的光纤拉伸器的另一个拉伸端与所述的渐变折射率多模光纤的另一端固定连接，所述的第一单模光纤的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，所述的渐变折射率多模光纤的纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，长度为13.5cm，所述的第二单模光纤的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于通过光纤拉伸器对SMS器件的两侧施加预设的轴向拉力，使得由单模输出光纤输出的2μm波段的超短脉冲的中心波长可以在1916nm～1976nm范围内连续调谐，通过观察光谱仪上调谐后的中心波长可以转换得到相应的应变量，并且通过监视器观察得到当前的拉力值，经过多次选取不同预设的轴向拉力进行测量，最终得到应变量与中心波长的一个关系曲线，这条关系曲线的斜率就是应变测量灵敏度，通过观察监视器得到相应的拉力值，最后将拉力值、应变量与中心波长一一对应记入关系对照表中；当实际应用时，通过将渐变折射率多模光纤的两端分别固定在待测建筑表面上，通过观察光谱仪上显示的值并在关系对照表中查找，能快速得到当前待测建筑的应变量和对应的拉力值；

通过增益光纤将1.57μm波段的连续光转换为2μm波段的连续光，再由半导体可饱和吸收镜将接收到的2μm波段的连续光转换为2μm波段的超短脉冲并沿光路发送至SMS器件，当SMS器件的长度固定时，入射到SMS器件的渐变折射率多模光纤中的光的自成像周期随着中心波长的增加而减小，这意味着在2μm波段处可以获得更多的干涉条纹，因此使用2μm波段的超短脉冲能够获得更高的测量灵敏度、更大的测量范围和更高的传感精度；另外，波长较长的入射光在渐变折射率多模光纤中传输时可以获得更多的自成像点，因此入射光的中心波长处于2μm波段时，更容易获得高强度输出光，有效提高系统的稳定性与分辨力；整体结构结合了光纤激光器的紧凑性高和光纤传感器的抗电磁干扰能力强的优势，不仅灵敏度高、抗腐蚀能力强，还可实现在线测量，最重要的是可以反复使用，具有很强的可靠性；整个激光传感系统的应变测量范围为0～5385με，应变测量灵敏度为-11.5pm/με，拉力测量范围为0-598g，拉力测量灵敏度为-103pm/g。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为实施例中SMS器件的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

一种基于多模干涉的轴向微应变光纤激光传感器，包括用于发出1.57μm波段的连续光的激光源4、激光传导模块、光纤拉伸器7、监视器11和光谱仪9，激光传导模块包括沿光路依次设置的半导体可饱和吸收镜1、增益光纤2、波分复用器3、色散补偿光纤5、输出耦合器6、SMS器件8和光纤反射镜10，半导体可饱和吸收镜1与增益光纤2的一端连接，增益光纤2的另一端与波分复用器3的一端连接，波分复用器3的另一端分别与激光源4的输出端及色散补偿光纤5的一端连接，色散补偿光纤5的另一端与输出耦合器6的一端连接，输出耦合器6的另一端通过单模输出光纤12与光谱仪9连接，输出耦合器6的另一端还与SMS器件8的一端连接，SMS器件8的另一端与光纤反射镜10连接，光纤拉伸器7的两个拉伸端分别与SMS器件8的一侧及另一侧固定连接，监视器11用于显示光纤拉伸器7的拉力值，波分复用器3用于接入激光源4发出的1.57μm波段的连续光并发送至增益光纤2，增益光纤2用于将接收到的1.57μm波段的连续光转换为2μm波段的连续光并发送至半导体可饱和吸收镜1，半导体可饱和吸收镜1用于将接收到的2μm波段的连续光转换为2μm波段的超短脉冲并沿光路发送至SMS器件8，输出耦合器6输出至SMS器件8与输出至单模输出光纤12的输出耦合比为9:1，光谱仪9用于显示接收到的2μm波段的超短脉冲的中心波长，SMS器件8用于将2μm波段的超短脉冲经光纤反射镜10反射后反向输出至输出耦合器6，SMS器件8还用于对2μm波段的超短脉冲的中心波长进行调谐，光纤拉伸器7用于根据预设的轴向拉力拉动SMS器件8。

SMS器件8包括依次熔接的第一单模光纤S1、渐变折射率多模光纤M1和第二单模光纤S2，第一单模光纤S1的外端与输出耦合器6的另一端连接，第二单模光纤S2的外端与光纤反射镜10连接，光纤拉伸器7的一个拉伸端与渐变折射率多模光纤M1的一端固定连接，光纤拉伸器7的另一个拉伸端与渐变折射率多模光纤M1的另一端固定连接，第一单模光纤S1的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，渐变折射率多模光纤M1的纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，长度为13.5cm，第二单模光纤S2的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm。

以上实施例的工作原理如下：

首先选用长度为0.2m的增益光纤2实现对激光源4发出的1.57μm波段的连续光的充分吸收，并且有效放大2μm波段的光，由于增益光纤2所实现的2μm波段的连续光的纵模相位是没有规律的，因此通过半导体可饱和吸收镜1的可饱和吸收效应，使杂乱的多脉冲被调制成有规律的超短脉冲串，半导体可饱和吸收镜1中的可饱和吸收体在强光下被漂白，可以使大部分腔内能量通过光路后到达光纤反射镜10，然后再次反射回激光腔中，由于半导体可饱和吸收镜1吸收掉了脉冲前沿部分，脉冲宽度在反射过程中会逐渐变窄，最终实现超短脉冲的输出；

为了实现输出波长可连续调谐的功能，首先探索第一单模光纤S1、第二单模光纤S2与渐变折射率多模光纤M1之间的熔接参数，降低两种不同芯径的光纤之间的熔接损耗，将两段单模光纤分别熔接在渐变折射率多模光纤M1的两端，最终实现插入损耗<0.2dB的SMS器件8；通过光纤拉伸器7对渐变折射率多模光纤M1施加不同的轴向拉力，渐变折射率多模光纤M1在不同的拉伸长度下，SMS器件8的透射峰的位置也会发生相应的偏移，因此能够实现由单模输出光纤12输出的2μm波段的超短脉冲的中心波长在1916nm～1976nm范围内连续调谐，通过观察光谱仪9上输出光谱的位置得到当前的中心波长，并且通过监视器11可以得到当前光纤拉伸器的拉力值，可以确定当前测量的应变量、中心波长与拉力值对应的关系，具体原理为：使用光纤拉伸器7对渐变折射率多模光纤M1进行拉伸，光纤拉伸器7上有拉伸长度的刻度，渐变折射率多模光纤M1在拉伸过程中又会引起单模输出光纤12输出的2μm波段的超短脉冲的中心波长的变化，从而可以将对渐变折射率多模光纤M1的拉力与单模输出光纤12输出的2μm波段的超短脉冲的中心波长的关系表征出来，定义中心波长为λ₀，λ₀＝p(n_M×D_M ²/L_M)×[(L_M+ΔL)/L_M]，其中，p为渐变折射率多模光纤M1中的自成像点的数量，n_M为渐变折射率多模光纤M1的折射率，D_M为渐变折射率多模光纤M1的模场直径，L_M是渐变折射率多模光纤M1的自然长度，ΔL是渐变折射率多模光纤M1的长度变化量，定义应变量为ε，ε＝ΔL/L_M，经过多次选值测量后得到应变量与中心波长的一个关系曲线，这条关系曲线的斜率就是应变测量灵敏度，同时，通过观察监视器11得到相应的拉力值，最后将拉力值、应变量与中心波长一一对应记入关系对照表中；

当实际应用时，通过将渐变折射率多模光纤M1的两段分别固定在待测建筑表面上，通过观察光谱仪上显示的值并在关系对照表中查找，能快速得到当前待测建筑的应变量和对应的拉力值，整个激光传感器的应变测量范围为0～5385με，应变测量灵敏度为-11.5pm/με，拉力测量范围为0-598g，拉力测量灵敏度为-103pm/g。

Claims (2)

1.一种基于多模干涉的轴向微应变光纤激光传感器，其特征在于包括用于发出1.57μm波段的连续光的激光源、激光传导模块、光纤拉伸器、监视器和光谱仪，所述的激光传导模块包括沿光路依次设置的半导体可饱和吸收镜、增益光纤、波分复用器、色散补偿光纤、输出耦合器、SMS器件和光纤反射镜，所述的半导体可饱和吸收镜与所述的增益光纤的一端连接，所述的增益光纤的另一端与所述的波分复用器的一端连接，所述的波分复用器的另一端分别与所述的激光源的输出端及所述的色散补偿光纤的一端连接，所述的色散补偿光纤的另一端与所述的输出耦合器的一端连接，所述的输出耦合器的另一端通过单模输出光纤与所述的光谱仪连接，所述的输出耦合器的另一端还与所述的SMS器件的一端连接，所述的SMS器件的另一端与所述的光纤反射镜连接，所述的光纤拉伸器的两个拉伸端分别与所述的SMS器件的一侧及另一侧固定连接，所述的监视器用于显示所述的光纤拉伸器的拉力值，所述的波分复用器用于接入所述的激光源发出的1.57μm波段的连续光并发送至所述的增益光纤，所述的增益光纤用于将接收到的1.57μm波段的连续光转换为2μm波段的连续光并发送至所述的半导体可饱和吸收镜，所述的半导体可饱和吸收镜用于将接收到的2μm波段的连续光转换为2μm波段的超短脉冲并沿光路发送至所述的SMS器件，所述的输出耦合器输出至所述的SMS器件与输出至所述的单模输出光纤的输出耦合比为9:1，所述的光谱仪用于显示接收到的2μm波段的超短脉冲的中心波长，所述的SMS器件用于将2μm波段的超短脉冲经所述的光纤反射镜反射后反向输出至所述的输出耦合器，所述的SMS器件还用于对2μm波段的超短脉冲的中心波长进行调谐，所述的光纤拉伸器用于根据预设的轴向拉力拉动所述的SMS器件。

2.根据权利要求1所述的一种基于多模干涉的轴向微应变光纤激光传感器，其特征在于所述的SMS器件包括依次熔接的第一单模光纤、渐变折射率多模光纤和第二单模光纤，所述的第一单模光纤的外端与所述的输出耦合器的另一端连接，所述的第二单模光纤的外端与所述的光纤反射镜连接，所述的光纤拉伸器的一个拉伸端与所述的渐变折射率多模光纤的一端固定连接，所述的光纤拉伸器的另一个拉伸端与所述的渐变折射率多模光纤的另一端固定连接，所述的第一单模光纤的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，所述的渐变折射率多模光纤的纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，长度为13.5cm，所述的第二单模光纤的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm。

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