一种具有温度不敏感特性的高灵敏度光纤曲率传感结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有温度不敏感特性的高灵敏度光纤曲率传感结构，属于光纤传感器技术领域。
【背景技术】
[0002]在工业、制造业和建筑业等许多领域中，如机械手臂、建筑结构健康监测、桥梁建设、机械零件加工、微机电系统等，曲率是一个非常重要的参数。但由于在实际中很难被直接测量，而是通过结构的应变等信息来间接地推算出曲率信息，所以使得曲率的直接测量成为一个难题。传统上有多种方法可获得结构的弯曲形变大小，但大都受到一定条件的制约，比如形变后无法恢复，不适用于埋入式测量等。因此，光纤曲率传感器以其具有体积小，质量轻，易弯曲且适用于埋入式分布测量的优点应运而生。目前用于曲率测量的光纤传感器，一般采用光纤光栅、长周期光纤光栅的波长位移检测技术，将曲率变化转化为应变的变化来进行测量，这些方法系统复杂，造价昂贵，受外界环境(如温度等)的影响较大，会出现交叉敏感的问题。
[0003]近几年来，模间干涉光纤传感技术作为一种新型的光纤传感技术由于具有高灵敏度，制作工序简单，成本低的优点而越来越得到国内外学者的广泛关注，利用模间干涉的原理测量曲率的方法得到迅速发展。2011年，Yuan Gong等人提出将单模光纤-多模光纤-单模光纤结构的模间干涉光纤传感器结构贴在可弯曲的金属横梁上来测量横梁的曲率(文献1.Y.Gong, T.Zhao, Y.J.Rao，and Y.ffu.“All-fiber curvature sensor basedon multimode interference.，，IEEE Photonics Technology Letters, 2011，23 (11):679-68.) o同年，葡萄牙的Susana Silva提出一种温度和应变不敏感的模间干涉光纤曲率传感器(文献2.S.Silva, 0.Frazao, J.Viegas, L.A.Ferreira, F.M.Araujo, F.Xavier Malcata， and J.L.Santos.αTemperature and strain-1ndependent curvaturesensor based on a singlemode/multimode fiber optic structure.” MeasurementScience & Technology, 2011，22 (8): 85201-85206.)，通过同时检测透射谱中两个明显波谷来消除温度交叉敏感的影响。在测量曲率方面，多芯光纤的应用在光纤曲率传感器中占有一席之地。通过检测多芯光纤内多个芯模间的干涉相位的改变可以获得曲率信息。较早时期的多芯光纤干涉仪是相位调制型的，比如英国赫瑞瓦特大学的M.J.Gander等人搭建四芯光纤反射式空间光路系统，光经过物镜聚焦后耦合进四芯光纤，出射光光斑打在远场处，形成干涉光斑，改变光纤弯曲的角度并用CCD阵列记录光斑的变化，经过信号处理后可提取出干涉相位的变化(文献3.M.J.Gander, D.Macrae, E.A.C.Gall1t, R.McBride, J.D.C.Jones, P.M.Blanchard, J.G.Burnett, A.H.Greenaway, andΜ.N.1nc1.“Two-axis bend measurement using multicore optical fibre.” OpticsCommunicat1ns, 2000，182 (1-3): 115 - 121.) o但是空间光路体积庞大，易受外界干扰，解调系统过于复杂。随着解调技术的发展，波长解调摒弃了复杂的CCD解调系统，多芯光纤波长解调干涉仪成为一种更适用于传感的新型传感结构。Chunying Guan在2015年发表的一篇文章中提出一种基于五芯光纤的应变和曲率传感器(文献4.C.Guan, X.Zhong,G.Mao, T.Yuan, J.Yang, and L.Yuan.“In-line Mach - Zehnder interferometricsensor based on a linear five-core fiber.，， IEEE Photonics Technology Letters,2015，27(6): 635-638.)，五个纤芯一字型排列形成非中心对称结构，曲率灵敏度可达10.37 nm/m1。这种方法虽然运用了无芯光纤，但各纤芯能量分布不均，边缘纤芯模能量微弱，并不能很好的应用于传感，获得高灵敏度。
【发明内容】
[0004](—)要解决的技术问题
本发明的目的在于克服已有光纤曲率传感器容易受温度影响的不足，提出一种结构简单、易于制备且能实现高灵敏度测量的模间干涉曲率传感结构。
[0005](二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提出一种具有温度不敏感特性的高灵敏度光纤曲率传感结构，研究了这种新型光纤曲率传感结构的曲率和温度特性。该结构以三芯光纤为中心敏感元件，在两端的单模光纤与三芯光纤之间熔接两段多模光纤作为桥梁，以获得高质量的干涉光谱，同时抑制包层模式的干扰。实验中，宽谱光源1发出宽谱光，宽谱光经由单模跳线3入射进多模一三芯一多模光纤结构5之后光信号被调制，三芯光纤内芯模间发生干涉，产生的干涉光谱由光谱分析仪2探测。用两个三维位移调整台7作为光纤曲率的给进单元，一对夹持器4将光纤夹紧，通过调整三个方向的螺旋测微器6使光纤与实验台8平行且与水平位移给进方向保持一致，当位移调整台在水平方向产生位移时，光纤随之弯曲，曲率改变。将该结构放置于恒温箱中即可改变其温度。通过搭建该实验装置进行测量证实了该结构具有低灵敏度的温度响应，高灵敏度的曲率响应以及高质量的干涉光谱。
[0006]上述方案中，所述的三芯光纤模间干涉曲率传感结构可以由光纤切刀和光纤熔接机制作完成。单模光纤与多模光纤端面切平之后由自动熔接功能完成，多模光纤与三芯光纤端面切平之后由手动熔接功能完成，熔接参数为:放电强度100 ;放电时间3000ms ;Z方向推进距离15 μπι ;方向退回距离Ομ??。
[0007]上述方案中，所述的三芯光纤模间干涉曲率传感结构，多模光纤与三芯光纤长度分别为2mm和12cm，多模光纤米用无芯多模光纤，直径125 μ m，三芯光纤外包层直径是与之相匹配的125 μ m，三个纤芯均为单模纤芯，模场直径为10.34 μ m0
[0008]上述方案中，所述的三芯光纤模间干涉曲率传感结构中，三芯光纤的三个纤芯是以包层圆心为中心呈等边三角形排列的，纤芯间的圆心距大于20μπι。
[0009]上述方案中，所述的三芯光纤模间干涉曲率传感结构中，三芯光纤的三个纤芯具有一定折射率差且它们的热光系数非常相近。
[0010]上述方案中，所述实验装置是由波长范围在1525nm~1565nm的放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emiss1n