CN220136364U - 一种多功能光纤传感器、测量装置和测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多功能光纤传感器、测量装置和测量系统，所述多功能光纤传感器包括第一单模光纤、少模光纤、无芯光纤和第二单模光纤；所述第一单模光纤的纤芯与所述少模光纤的纤芯错位连接，所述少模光纤与所述无芯光纤对接，所述无芯光纤与所述第二单模光纤对接。本实施例中的多功能光纤传感器实现了光纤传感器的多功能化，同时测量了应变和温度，并减小了温度变化对应变产生的影响，减少了测量误差，可广泛应用于光纤传感器领域。

Description

一种多功能光纤传感器、测量装置和测量系统

技术领域

本实用新型涉及光纤传感器领域，尤其涉及一种多功能光纤传感器、测量装置和测量系统。

背景技术

光纤传感技术是一种基于光学原理的测量技术，具有信号传输距离长和抗干扰性强等优点，在传感领域得到广泛应用。其中，光纤应变传感器是光纤传感技术的一项重要应用，在工程领域中，应变是一项重要参数，对工程结构的材料性能和可靠性具有重要影响。光纤应变传感器利用光纤在受力作用下的应变光学特性，通过测量光纤中传输的光信号的强度、相位、频率等参数的变化，实现应变的测量。相比于传统的电阻应变片和压阻应变片等应变测量方法，光纤应变传感器具有信号传输距离长、抗干扰性强、精度高、易于远程监测等优点，被广泛应用于航空、航天、水利、化工、交通等工程领域。

在实际应用中，温度变化会导致同样的应变产生不同的变形量，使得应变参数的测量结果产生误差。而在现有技术中，用于测量应变的光纤传感器，由于结构等原因，无法体现温度的影响，使得用于测量应变的光纤传感器的功能单一。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例的目的是提供一种多功能光纤传感器、测量装置和测量系统，实现了光纤传感器的多功能化，使光纤传感器能同时测量应变和温度，并减小了温度变化对应变测量结果产生的影响。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种多功能光纤传感器，包括第一单模光纤、少模光纤、无芯光纤和第二单模光纤；第一单模光纤的纤芯与少模光纤的纤芯错位连接，少模光纤与无芯光纤对接，无芯光纤与第二单模光纤对接。

可选地，第一单模光纤和第二单模光纤的包层的直径范围为124μm至126μm，第一单模光纤和第二单模光纤的纤芯的直径范围为8μm至9μm。

可选地，少模光纤的包层的直径范围为124μm至126μm，少模光纤的纤芯的直径范围为14μm至19μm。

可选地，少模光纤的长度为3cm至4cm。

可选地，第一单模光纤的纤芯中心与少模光纤的纤芯中心的偏移量的范围为6.1μm至11.1μm。

可选地，无芯光纤的包层的直径范围为124μm至126μm。

可选地，无芯光纤的长度为0.3cm至0.5cm。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种多功能光纤传感器测量装置，包括宽带光源、悬臂梁模块、光谱分析仪和如上所述的多功能光纤传感器，宽带光源连接多功能光纤传感器的第一单模光纤，多功能光纤传感器的第二单模光纤连接光谱分析仪，多功能光纤传感器置于悬臂梁模块的悬臂梁上，多功能光纤传感器测量装置放置在预设的恒温环境中。

可选地，宽带光源的波长范围包括C波段和L波段。

第三方面，本实用新型实施例提供了一种多功能光纤传感器测量系统，包括宽带光源、光谱分析仪和如上所述的多功能光纤传感器，宽带光源连接多功能光纤传感器的第一单模光纤，多功能光纤传感器的第二单模光纤连接光谱分析仪，多功能光纤传感器置于待测物体表面。

实施本实用新型实施例包括以下有益效果：多功能光纤传感器的第一单模光纤与少模光纤之间的纤芯错位连接结构使入射光分成两路光进入少模光纤，少模光纤中的两路光在无心光纤中耦合，发生干涉效应，最终输出一束干涉光，干涉光的干涉强度变化和波长的偏移量体现了应变和温度的变化；多功能光纤传感器的测量装置和测量系统对输出的干涉光进行测量分析，得出了干涉光的干涉强度和波长与应变和温度的关系，从而实现了应变和温度的同时测量，即实现了光纤传感器的多功能化。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种多功能光纤传感器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种多功能光纤传感器测量装置的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种多功能光纤传感器测量系统的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种多功能光纤传感器在不同应变作用下的透射光谱图；

图5是本实用新型实施例提供的一种透射光谱的波谷干涉强度与应变关系的拟合曲线图；

图6是本实用新型实施例提供的一种多功能光纤传感器在不同温度下的干涉光谱图；

图7是本实用新型实施例提供的一种干涉光谱的波谷位置与温度关系的拟合曲线图；

图8是本实用新型实施例提供的一种干涉光谱的波谷干涉强度与温度关系的拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。

在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本实用新型实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

除非另有定义，本实用新型实施例所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实用新型实施例中所使用的术语只是为了描述本实用新型实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种多功能光纤传感器，包括第一单模光纤1、少模光纤2、无芯光纤3和第二单模光纤4；第一单模光纤1的纤芯与少模光纤2的纤芯错位连接，少模光纤2与无芯光纤3对接，无芯光纤3与第二单模光纤4对接。

具体地，第一单模光纤1、少模光纤2、无芯光纤3和第二单模光纤4之间的错位连接或对接都采用熔接的方式。

具体地，入射光从第一单模光纤1输入，到达第一单模光纤1与少模光纤2的错位熔接点时分为两路光，第一路光在少模光纤2的纤芯中传输，第二路光在少模光纤2的包层中传输；第一路光和第二路光到达无芯光纤3中时，在无芯光纤3中耦合，发生干涉效应，最终两路光耦合成一束干涉光从第二单模光纤4输出。

具体地，当多功能光纤传感器受到应变作用时，第一单模光纤1与少模光纤的错位点处会发生光能的偏移，导致纤芯与包层之间的光的干涉强度发生变化；且干涉强度与应变大小之间存在一定的线性关系。当多功能光纤传感器的温度发生变化时，输出光的干涉波长会发生一定的偏移。

可选地，第一单模光纤1和第二单模光纤4的包层的直径范围为124μm至126μm，第一单模光纤1和第二单模光纤4的纤芯的直径范围为8μm至9μm。

具体地，第一单模光纤1用于输入光，第二单模光纤4用于输出光，其中，输出光为干涉光。

具体地，第一单模光纤1和第二单模光纤4的形状根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。例如，第一单模光纤1和第二单模光纤4呈圆柱状。

具体地，第一单模光纤1和第二单模光纤4的包层和纤芯的尺寸根据实际应用需求选择，本实用新型申请不做限定。例如，本实用新型实施例中第一单模光纤1和第二单模光纤4的纤芯的直径为8.3μm。

可选地，少模光纤2的包层的直径范围为124μm至126μm，少模光纤2的纤芯的直径范围为14μm至19μm。

具体地，第一单模光纤1和第二单模光纤4的形状根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。例如，少模光纤2呈圆柱状。

具体地，少模光纤2的包层和纤芯的尺寸根据实际应用需求选择，本实用新型申请不做限定。例如，本实用新型实施例中少模光纤2的纤芯的直径为18.5μm，少模光纤2所选的纤芯直径较小，可提高光的传输效率，减小光传输的损耗。

具体地，少模光纤可使得光在传输过程中产生较大的相位变化，从而提高多功能光纤传感器的灵敏度。

可选地，少模光纤2的长度为3cm至4cm。

具体地，少模光纤2的长度根据实际应用需求选择，本实用新型申请不做限定。如，本实用新型实施例中少模光纤2的长度为4cm。

可选地，第一单模光纤1的纤芯中心与少模光纤2的纤芯中心的偏移量的范围为6.1μm至11.1μm。

具体地，第一单模光纤1的纤芯中心与少模光纤2的纤芯中心的偏移量根据实际应用需求选择，本实用新型申请不做限定。例如，本实用新型实施例中第一单模光纤1的纤芯中心与少模光纤2的纤芯中心的偏移量为7μm。

具体地，第一单模光纤1的纤芯中心与少模光纤2的纤芯中心的偏移形成错位光纤连接结构；错位光纤连接结构可增加纤芯间的耦合效应，提高多功能光纤传感器的灵敏度。

可选地，无芯光纤3的包层的直径范围为124μm至126μm。

具体地，无芯光纤3只有包层结构，没有纤芯，导致第一路光和第二路光到达无芯光纤3时发生光纤纤芯失配的现象；第一路光和第二路光在无芯光纤3中耦合，产生干涉效应。

具体地，无心光纤的折射率分布均匀，具有较好的耦合特性和较高的耦合效率。

具体地，第一单模光纤1和第二单模光纤4的形状根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。例如，无芯光纤3呈圆柱状。

可选地，无芯光纤3的长度为0.3cm至0.5cm。

具体地，无芯光纤3的长度根据实际应用需求选择，本实用新型申请不做限定。例如，本实用新型实施例中无芯光纤3的长度为0.5cm。

具体地，多功能光纤传感器的制备过程包括如下步骤：

S1：使用剥线钳剥除第一单模光纤1、少模光纤2、无芯光纤3和第二单模光纤4外部的涂覆层后，用擦镜纸蘸取酒精，清洁光纤表面。

具体地，光纤的涂覆层起保护光纤的作用；用剥线钳剥除光纤的涂覆层，以露出里面的光纤，防止涂覆层在熔接时影响熔接质量。

S2：用光纤切割刀分别切割出所需对应长度的第一单模光纤1、少模光纤2、无芯光纤3和第二单模光纤4。

具体地，用光纤切割刀切割光纤时，需保证切割的每个光纤端面都保持平整，并在切割后用擦镜纸蘸取酒精，将光纤端面清洁干净，以减少光纤熔接后产生的传输损耗。

S3：在光纤熔接机上错位熔接第一单模光纤1和少模光纤2，再依次熔接少模光纤2、无芯光纤3和第二单模光纤4，形成多功能光纤传感器。

具体地，保证熔接时第一单模光纤1的纤芯中心和少模光纤2的纤芯中心的偏移量在6.1μm至11.1μm的范围内；保证少模光纤2、无芯光纤3和第二单模光纤4熔接时各光纤端面都对齐。

S4：用胶带将熔接好的多功能光纤传感器固定在整洁的亚克力板上保存。

具体地，将熔接好的多功能光纤传感器固定在整洁的亚克力板上保存，小心放置，以放置多功能光纤传感器受外界因素影响而损坏或断裂。

实施本实用新型实施例包括以下有益效果：第一单模光纤与少模光纤之间的纤芯错位连接结构可以增加纤芯间的耦合效应，从而提高了多功能光纤传感器的灵敏度；第一单模光纤与少模光纤之间的纤芯错位连接结构使入射光分成两路光进入少模光纤，少模光纤中的两路光在无心光纤中耦合，发生干涉效应，最终输出一束干涉光，干涉光的干涉强度变化和波长的偏移量体现了应变和温度的变化，从而实现了应变和温度的同时测量，即实现了光纤传感器的多功能化。

如图2所示，本实用新型实施例提供了一种多功能光纤传感器测量装置，包括宽带光源5、悬臂梁模块6、光谱分析仪8和如上所述的多功能光纤传感器7，宽带光源5连接多功能光纤传感器7的第一单模光纤，多功能光纤传感器7的第二单模光纤连接光谱分析仪8，多功能光纤传感器7置于悬臂梁模块6的悬臂梁上，多功能光纤传感器7测量装置放置在预设的恒温环境中。

具体地，光谱分析仪8的输入端连接多功能光纤传感器7的第二单模光纤，对多功能光纤传感器7输出的干涉光进行解调。

具体地，光谱分析仪8采集多功能光纤传感器7的透射光谱信号，输出多功能光纤传感器7的透射光谱和干涉光谱。

具体地，如图2所示，多功能光纤传感器7贴附在悬臂梁模块6的悬臂梁上，通过改变悬梁臂所承受的应力来改变悬梁臂的应变大小，使得多功能光纤传感器7也产生不同的应变量，从而光谱分析仪8检测到的干涉光谱的强度发生变化，从而实现应变的检测。

具体地，如图2所示，改变悬梁臂的所承受的应力，可通过改变悬梁臂顶端所悬挂的砝码重量来改变。

具体地，改变多功能光纤传感器7所处环境的温度，使得多功能光纤传感器7产生不同的温度响应，从而光谱分析仪8检测到的干涉光谱的强度发生变化或波长发生移动，从而实现温度的检测。

具体地，可将多功能光纤传感器7放置在恒温加热板上，通过设置恒温加热板不同的温度，来实现多功能光纤传感器7所处环境的温度的变化。

可选地，宽带光源5的波长范围包括C波段和L波段。

具体地，在光纤传输中，在C波段和L波段范围内的光的传输损耗最小。

实施本实用新型实施例包括以下有益效果：悬梁臂模块和恒温加热板分别模拟多功能光纤传感器受到应变作用和温度变化的情形，光谱分析仪通过对输出的干涉光进行解调，测得了干涉光在不同预设应变和预设温度下对应的透射光谱和干涉光谱，从而体现了干涉光的干涉强度变化和波长的偏移量，从而体现出应变和温度的变化。

如图3所示，本实用新型实施例提供了一种多功能光纤传感器测量系统，包括宽带光源、光谱分析仪和如上所述的多功能光纤传感器，宽带光源连接多功能光纤传感器的第一单模光纤，多功能光纤传感器的第二单模光纤连接光谱分析仪，多功能光纤传感器置于待测物体表面。

具体地，通过测量多功能光纤传感器的透射光谱，获得不同预设应变下的透射光谱，对透射光谱进行研究分析，得出透射光谱的波谷的干涉强度与应变的关系，最终通过该关系测量得到任意应变。

具体地，通过测量多功能光纤传感器的干涉光谱，获得不同预设温度下的干涉光谱，对干涉光谱进行研究分析，得出干涉光谱的波谷波长或干涉强度与温度的关系，最终通过该关系测量得到任意温度。

具体地，通过数学运算，可将如上所述的透射光谱的干涉波谷的强度和波长，与应变大小和温度值结合起来，得到干涉波谷的强度、干涉波谷的波长、应变大小和温度值四者的关系式。

具体地，如图4和图5所示，在不同应变作用下，光谱分析仪8测得的透射光谱不同，其波谷的干涉强度也不同；其中，应变以1.43×10^-5ε的梯度变化，干涉强度随应变的增大而增大；对波谷的干涉强度与应变大小进行线性拟合，得到的拟合方程为ΔI＝62.58Δε-57.73，呈现良好的线性度；其中ΔI为干涉强度，Δε为应变大小，单位为mε；应变灵敏度达到S_K＝62.58dB/mε，即应变每变化1mε，波谷的干涉强度变化62.58dB。

具体地，如图6和图7所示，在不同温度下，光谱分析仪8测得的干涉光谱不同，其波谷的波长也不同；其中，温度以10℃的梯度变化，随着温度的升高，波谷产生红移现象，即波谷向波长短的方向移动；对波谷的波长和温度进行线性拟合，得到的拟合方程为Δλ＝0.082ΔT+1594.43，呈现良好的线性度；其中，ΔT为多功能光纤传感器7所处环境的温度，Δλ为该温度下对应的波谷波长；温度灵敏度达到了S_T1＝82pm/℃，即温度每变化1℃，波谷波长移动82pm。

具体地，如图6和图8所示，在不同温度下，光谱分析仪8测得的干涉光谱不同，其波谷的干涉强度也不同；其中，温度以10℃的梯度变化，随着温度的升高，干涉强度逐渐减小；对波谷的干涉强度和温度进行线性拟合，得到的拟合方程为ΔI＝-0.028ΔT-50.07，呈现良好的线性度；其中，ΔT为多功能光纤传感器7所处环境的温度，ΔI为对应温度下波谷的干涉强度；温度灵敏度达到了S_T2＝-0.028dB/℃。

具体地，多功能光纤传感器7的温度灵敏度S_T2为-0.028dB/℃，温度在波谷的干涉强度上所体现的灵敏度不高，故在测量应变时，当温度在小范围内变化，可忽略温度对应变测量结果的影响；当温度变化范围较大时，通过数学运算，将如上所述的透射光谱的干涉波谷的强度和波长，与应变大小和温度值结合起来，得到干涉波谷的强度、干涉波谷的波长、应变大小和温度值四者的关系式，实现温度和应变的同时测量，并修正温度对应变的影响。

具体地，如上所述的数学运算为现有算法。

实施本实用新型实施例包括以下有益效果：通过对不同预设应变和预设温度下测得的透射光谱和干涉光谱进行研究分析，得出干涉强度与应变大小的关系式和干涉波谷波长与温度的关系式，实现了多功能光纤传感器对应变和温度的同时测量；还得出了干涉波谷的强度、干涉波谷的波长、应变大小和温度值四者的关系式，使得在温度出现大范围变化时，可修正温度对应变测量结果的影响，减小测量误差。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种多功能光纤传感器，其特征在于，包括第一单模光纤、少模光纤、无芯光纤和第二单模光纤；所述第一单模光纤的纤芯与所述少模光纤的纤芯错位连接，所述少模光纤与所述无芯光纤对接，所述无芯光纤与所述第二单模光纤对接。

2.根据权利要求1所述的多功能光纤传感器，其特征在于，所述第一单模光纤和所述第二单模光纤的包层的直径范围为124μm至126μm，所述第一单模光纤和所述第二单模光纤的纤芯的直径范围为8μm至9μm。

3.根据权利要求1所述的多功能光纤传感器，其特征在于，所述少模光纤的包层的直径范围为124μm至126μm，所述少模光纤的纤芯的直径范围为14μm至19μm。

4.根据权利要求3所述的多功能光纤传感器，其特征在于，所述少模光纤的长度为3cm至4cm。

5.根据权利要求1所述的多功能光纤传感器，其特征在于，所述第一单模光纤的纤芯中心与所述少模光纤的纤芯中心的偏移量的范围为6.1μm至11.1μm。

6.根据权利要求1所述的多功能光纤传感器，其特征在于，所述无芯光纤的包层的直径范围为124μm至126μm。

7.根据权利要求6所述的多功能光纤传感器，其特征在于，所述无芯光纤的长度为0.3cm至0.5cm。

8.一种多功能光纤传感器测量装置，其特征在于，包括宽带光源、悬臂梁模块、光谱分析仪和如权利要求1-7任一项所述的多功能光纤传感器，宽带光源连接多功能光纤传感器的第一单模光纤，多功能光纤传感器的第二单模光纤连接光谱分析仪，多功能光纤传感器置于悬臂梁模块的悬臂梁上，多功能光纤传感器测量装置放置在预设的恒温环境中。

9.根据权利要求8所述的多功能光纤传感器测量装置，其特征在于，所述宽带光源的波长范围包括C波段和L波段。

10.一种多功能光纤传感器测量系统，其特征在于，包括宽带光源、光谱分析仪和如权利要求1-7任一项所述的多功能光纤传感器，所述光源连接所述多功能光纤传感器的第一单模光纤，所述多功能光纤传感器的第二单模光纤连接所述谱分析仪，所述多功能光纤传感器置于待测物体表面。