CN220437363U - 一种基于花生型结构的偏双芯光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于花生型结构的偏双芯光纤传感器，包括：入射光纤、第一多模光纤、第一偏双芯光纤、第二偏双芯光纤、第二多模光纤和出射光纤；所述入射光纤的任一端与所述第一多模光纤的一端连接；所述第一多模光纤的另一端与所述第一偏双芯光纤的一端连接；所述第一偏双芯光纤的另一端与所述第二偏双芯光纤的一端连接，且所述第一偏双芯光纤与所述第二偏双芯光纤之间通过花生型结构连接；所述第二偏双芯光纤的另一端与所述第二多模光纤的一端连接；所述第二多模光纤的另一端与所述出射光纤连接。本实用新型利用花生结构使光从纤芯耦合到包层，增加包层模式光强，减小基模强度，优化干涉效果。

Description

一种基于花生型结构的偏双芯光纤传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于花生型结构的偏双芯光纤传感器。

背景技术

光信息网络蓬勃发展，可集成应用于工业、医疗及建筑工程领域，例如，航天设备柔性外壳，医疗内窥成像系统及建筑结构健康监测系统等。光纤传感器件在上述诸多领域扮演了至关重要的角色。基于此，光纤曲率传感器因其良好的性能及实用度高等优点备受关注。目前，光纤曲率传感器主要有长周期光纤布喇格光栅型(LFBG)、马赫曾德干涉型和塞格纳克环形干涉型等，可满足不同应用场景的需求。其中，马赫曾德干涉型光纤干涉仪因结构紧凑灵敏度高而脱颖而出，在光纤内传感结构受外力调制时，其传输模式会同步产生相应调制效果进而致使传输光谱发生规律性变化，这种规律性变化为高精度曲率监测提供了可能。

但是现有的曲率传感器还存在一些问题，大多数传感方案无法在传感器同时发生多个方向弯曲时进行区分，以及灵敏度低且结构复杂等。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于花生型结构的偏双芯光纤传感器，该光纤传感器的曲率灵敏度较高，且可以同时实现强度调制和波长调制，在波长调制情况下其传输光谱会因弯曲方向不同显示出不同的漂移方向，基于上述特性，此传感器可以实现0°，90°，180°三个方向弯曲同时测量。

第一方面，本实用新型提供一种基于花生型结构的偏双芯光纤传感器，包括：

入射光纤、第一多模光纤、第一偏双芯光纤、第二偏双芯光纤、第二多模光纤和出射光纤；

其中，所述入射光纤的任一端与所述第一多模光纤的一端连接；所述第一多模光纤的另一端与所述第一偏双芯光纤的一端连接；所述第一偏双芯光纤与所述第二偏双芯光纤之间通过花生型结构连接；

所述第二偏双芯光纤的另一端与所述第二多模光纤的一端连接；所述第二多模光纤的另一端与所述出射光纤连接。

可选的，所述入射光纤和所述出射光纤为单模光纤，所述单模光纤包括第一纤芯和第一包层；所述单模光纤的第一纤芯的直径为9μm，所述单模光纤的第一包层的直径为125μm。

可选的，所述第一多模光纤和第二多模光纤均包括第二纤芯和第二包层；

所述第二纤芯的直径为105μm，所述第二包层的直径为125μm，且所述第二纤芯位于所述第一多模光纤和第二多模光纤的中心。

可选的，所述第一偏双芯光纤和所述第二偏双芯光纤均包括第三纤芯、偏芯和第三包层，其中，所述第三纤芯位于所述第一偏双芯光纤和所述第二偏双芯光纤的中心；所述偏芯的中心与所述第三纤芯的距离为42.3μm；

所述第三纤芯和所述偏芯的直径均为10μm，所述第三包层的直径为125μm。

可选的，所述花生型结构包括第一球形结构和第二球形结构，所述第一球形结构和第二球形结构均包括球形纤芯、球形偏芯和球形包层；其中，所述第一球形结构与所述第一偏双芯光纤为同一根光纤，所述第二球形结构与所述第二偏双芯光纤为同一根光纤。

可选的，所述第一球形结构和第二球形结构的直径均为166-169μm；所述球形纤芯的直径为13-14μm；所述球形偏芯的直径均为13-14μm

利用本实用新型提供的一种基于花生型结构的偏双芯光纤传感器，具有以下有益效果：

本实用新型提供的一种基于花生型结构的偏双芯光纤传感器，利用花生结构使光从纤芯耦合到包层，增加包层模式光强，减小基模强度，优化干涉效果。偏双芯光纤利用在包层中引入非同轴双纤芯破坏光纤内部圆形对称结构，致使其在发生不同方向弯曲时会使得光纤折射率产生变化，从而导致传输模式的有效折射率变化，可以通过监测波长变化实现弯曲测量。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种基于花生型结构的偏双芯光纤传感器示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种基于花生型结构的偏双芯光纤传感器示意图；

其中，1、入射光纤，2、第一多模光纤，3、第一偏双芯光纤，4、花生型结构，5、第二偏双芯光纤，6、第二多模光纤，7、出射光纤，8、第一纤芯，9、第一包层，10、第二包层，11、第二纤芯，12、偏芯，13、第三包层，14、第三纤芯，15、球形包层，16、球形偏芯，17、球形纤芯。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例中术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本实用新型实施例描述的应用场景是为了更加清楚的说明本实用新型实施例的技术方案，并不构成对于本实用新型实施例提供的技术方案的限定，本领域普通技术人员可知，随着新应用场景的出现，本实用新型实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。其中，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

光纤传感器具有重量轻、体积小、无电磁干扰和灵敏度较高的优点，能满足大部分需求。但是现有的曲率传感器还存在一些问题，大多数传感方案无法在传感器同时发生多个方向弯曲时区分曲率，也存在灵敏度低且结构复杂等情况。

针对上述问题，本实用新型提供一种基于花生型结构的偏双芯光纤传感器。利用花生结构使光从纤芯耦合到包层，增加包层模式光强，减小基模强度，优化干涉效果。偏双芯光纤利用在包层中引入非同轴双纤芯破坏光纤内部圆形对称结构，致使其在发生不同方向弯曲时会使得光纤折射率产生变化，从而导致传输模式的有效折射率变化，可以通过监测波长变化实现弯曲测量。实验结果表明该传感器曲率灵敏度高且实现0°，90°，180°三个方向弯曲同时测量。

如图1所示，为本实用新型提供的一种基于花生型结构的偏双芯光纤传感器，包括：

入射光纤1、第一多模光纤2、第一偏双芯光纤3、第二偏双芯光纤5、第二多模光纤6和出射光纤7；入射光纤1的任一端与第一多模光纤2的一端连接；第一多模光纤2的另一端与第一偏双芯光纤3的一端连接；第一偏双芯光纤3的另一端与第二偏双芯光纤5的一端连接，且第一偏双芯光纤3与第二偏双芯光纤5之间通过花生型结构4连接；第二偏双芯光纤5的另一端与第二多模光纤6的一端连接；第二多模光纤6的另一端与出射光纤7连接。

其中，上述入射光纤1和出射光纤7可以但不限于为单模光纤，入射光纤1用于接受激光器发出的光，出射光纤7用于将传感器处理后的光传递给光谱仪。

如图2所示，为本实用新型实施例提供的一种基于花生型结构的偏双芯光纤传感器。上述单模光纤由第一纤芯8和第一包层9组成，单模光纤的第一纤芯8位于单模光纤中心，本实用新型实施例中单模光纤的第一纤芯直径为9μm，折射率为1.4684，单模光纤第一包层9的直径为125μm，折射率为1.4624。

上述第一、第二多模光纤均由第二纤芯11和第二包层10组成，多模光纤的第二纤芯11位于多模光纤中心，本实用新型实施例中多模光纤的第二纤芯11直径为105μm，折射率为1.4633，多模光纤第二包层10的直径为125μm，折射率为1.4472。

具体的，将入射光纤1的任一端去除涂覆层并将端面平切，将其放置在光纤熔接机(FITEL S178)，选取0.5-1cm的第一多模光纤2去除涂敷层并将端面切平，用蘸有酒精的棉花轻轻擦拭，将其放置在光纤熔接机(FITEL S178)并与电极棒对齐后进行放电熔接。本申请实施例的熔接设备可以但不限于为光纤熔接机(FITEL S178)。同理，出射光纤7也重复上述操作和第二多模光纤6进行连接。

同理将第一多模的任一端去除涂覆层并将端面平切，将其放置在光纤熔接机(FITEL S178)，第一偏双芯光纤3去除涂敷层并将端面切平，用蘸有酒精的棉花轻轻擦拭，将其放置在光纤熔接机(FITEL S178)并与电极棒对齐后进行放电熔接。

将第一偏双芯光纤3另一端去除涂覆层放置在光纤熔接机上，使得光纤端面与电极棒对齐，进行放电得到第一球形结构，而由于放电操作，第一球形结构对应的纤芯部分的结构也会发生变化，得到球形形状的纤芯、偏芯和包层，即球形纤芯17、球形偏芯16和球形包层15。放电强度和时间分别为85bit、2000ms。

同理，对第二偏双芯光纤5放电得到第二球形结构。将第一球形结构和第二球形结构进行放电熔接。具体的，所述第一球形结构、第二球形结构各自的球形包层15的直径均为166～169μm；所述第一球形结构、第二球形结构各自的球形纤芯17的直径均为13～14μm；所述第一球形结构、第二球形结构各自的球形偏芯16的直径均为13～14μm。

通过所述熔接设备将所述第二偏双芯光纤5的另一端与所述第二多模光纤6进行连接，得到所述花生型结构4的偏双芯传感器。

如图2所示，第一偏双芯光纤3和第二偏双芯光纤5均包括第三纤芯14、偏芯12和第三包层13，其中，第三纤芯14均位于第一偏双芯光纤3和第二偏双芯光纤5的中心；偏芯12的中心与第三纤芯14的距离为42.3μm；第三纤芯14和偏芯12的直径均为10μm，折射率均为1.467，第三包层13的直径为125μm，折射率为1.463。

目前，大多数传感方案无法在传感器同时发生多个方向弯曲时进行区分，也存在灵敏度低且结构复杂等情况。本实用新型提出一种基于花生型偏双芯光纤的马赫-曾德光纤传感器。偏双芯光纤利用在包层中引入非同轴双纤芯破坏光纤内部圆形对称结构，致使其在发生不同方向弯曲时会使得光纤折射率产生变化，从而导致传输模式的有效折射率变化，可以通过监测波长变化实现弯曲测量。理论和实验结果表明，传感器在0.211～0.699m^-1范围内发生了曲率变化时，在0°方向上其传输光谱受波长调制且最大灵敏度为14.13nm/m^-1，在90°方向上其传输光谱受强度调制且最大灵敏度为-28.07dB/m^-1，在180°方向上其传输光谱受波长调制且最大灵敏度为-16.51nm/m^-1。由此可见，该传感器具有结构新颖紧凑和灵敏度高的优势，可广泛应用于现代工业自动化领域。

Claims (6)

1.一种基于花生型结构的偏双芯光纤传感器，其特征在于，包括：

入射光纤(1)、第一多模光纤(2)、第一偏双芯光纤(3)、第二偏双芯光纤(5)、第二多模光纤(6)和出射光纤(7)；

其中，所述入射光纤(1)的任一端与所述第一多模光纤(2)的一端连接；所述第一多模光纤(2)的另一端与所述第一偏双芯光纤(3)的一端连接；所述第一偏双芯光纤(3)与所述第二偏双芯光纤(5)之间通过花生型结构(4)连接；

所述第二偏双芯光纤(5)的另一端与所述第二多模光纤(6)的一端连接；所述第二多模光纤(6)的另一端与所述出射光纤(7)连接。

2.根据权利要求1所述的基于花生型结构的偏双芯光纤传感器，其特征在于，所述入射光纤(1)和所述出射光纤(7)为单模光纤，所述单模光纤包括第一纤芯(8)和第一包层(9)；所述单模光纤的第一纤芯(8)的直径为9μm，所述单模光纤的第一包层(9)的直径为125μm。

3.根据权利要求1所述的基于花生型结构的偏双芯光纤传感器，其特征在于，所述第一多模光纤(2)和第二多模光纤(6)均包括第二纤芯(11)和第二包层(10)；

所述第二纤芯(11)的直径为105μm，所述第二包层(10)的直径为125μm，且所述第二纤芯(11)位于所述第一多模光纤(2)和第二多模光纤(6)的中心。

4.根据权利要求1所述的基于花生型结构的偏双芯光纤传感器，其特征在于，所述第一偏双芯光纤(3)和所述第二偏双芯光纤(5)均包括第三纤芯(14)、偏芯(12)和第三包层(13)，其中，所述第三纤芯(14)位于所述第一偏双芯光纤(3)和所述第二偏双芯光纤(5)的中心；所述偏芯(12)的中心与所述第三纤芯(14)的距离为42.3μm；

所述第三纤芯(14)和所述偏芯(12)的直径均为10μm，所述第三包层(13)的直径为125μm。

5.根据权利要求1所述的基于花生型结构的偏双芯光纤传感器，其特征在于，所述花生型结构(4)包括第一球形结构和第二球形结构，所述第一球形结构和第二球形结构均包括球形纤芯(17)、球形偏芯(16)和球形包层(15)；其中，所述第一球形结构与所述第一偏双芯光纤(3)为同一根光纤，所述第二球形结构与所述第二偏双芯光纤(5)为同一根光纤。

6.根据权利要求5所述的基于花生型结构的偏双芯光纤传感器，其特征在于，所述第一球形结构和第二球形结构的直径均为166-169μm；所述球形纤芯(17)的直径为13-14μm；所述球形偏芯(16)的直径均为13-14μm。