一种不对称粗锥结构少模光纤应变传感器的制作方法

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种光纤应变传感器。

背景技术：

光纤传感器与其他传感器相比具有体积小、重量轻、灵敏度高、不受电磁干扰、耐腐蚀等特点，使得光纤传感器应用范围极广，几乎涉及了国防以及国民经济所有领域和人们的日常生活。

应变指物体由于外因或内在缺陷，其体积或形状所发生的变化。在工业、材料、航空等领域中，应变的准确检测具有举足轻重的作用。目前比较常见的光纤应变传感器主要有级联型、光纤光栅型、萨格奈克干涉型等。如童峥嵘等提出了一种基于多模-单模-多模(multimode-singlemode-multimode，msm)结构与光纤布拉格光栅(fiberbragggrating,fbg)级联同时测量温度和应变的传感器，实验结果表明，在0～650με应变范围内，msm结构干涉谱和fbg的应变灵敏度分别为-0.0013nm/με和0.0012nm/με；邵敏等在保偏光纤sagnac环内接入一个长周期光纤光栅(lpfg)，利用lpfg对保偏光纤sagnac环的透射光谱进行调制，发现波长随保偏光纤的应变变化，强度随lpfg的应变变化，因此可以探测应变施加的位置，灵敏度分别为0.01572nm/με和0.005283δβ/με；khurramnaeem等提出了一种基于不对称双芯光子晶体光纤的全光纤sagnac多参量传感器，轴向应变灵敏度为-1.91×10^-4rad/με；王栋远等在马赫-增德干涉仪中熔接一段布拉格光纤光栅，其中马赫-曾德尔干涉仪由两个花生型结构单模光纤熔接而成，实验中测得马赫-曾德尔干涉仪对曲率的灵敏度为-27.58nm/m^-1，光纤布拉格光栅在特定测量范围内对曲率的变化不敏感；xiaoyongzhong等提出了一种长周期光纤光栅应变传感器，利用二氧化碳激光器在长周期光纤光栅中充入周期性的空气孔达到提高灵敏度的目的，得出的应变灵敏度为-5.62pm/με。以上文献对传感器的应变响应特性进行了深入且有意义的研究，但是，测量的灵敏度普遍不高，而且大部分只能从横向或纵向上测量应变，不能全面地反映施加在传感器上的力的情况。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种结构紧凑、制备简单、灵敏度高的不对称粗锥结构少模光纤应变传感器。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明主要包括宽带光源、传感单元和光谱仪，所述传感单元的一端通过导入单模光纤与宽带光源连接，传感单元的另一端通过导出单模光纤与光谱仪连接。

进一步的，所述传感单元包括入射单模光纤、少模光纤和出射单模光纤；所述入射单模光纤由单模光纤包层和单模光纤纤芯组成，单模光纤包层包裹在单模光纤纤芯表面；所述少模光纤由少模光纤包层和少模光纤纤芯组成，少模光纤包层包裹在少模光纤纤芯表面；所述出射单模光纤也由单模光纤包层和单模光纤纤芯组成，出射单模光纤的单模光纤包层包裹在单模光纤纤芯表面；入射单模光纤的单模光纤纤芯一端与导入单模光纤相连，导入单模光纤另一端连接宽带光源，入射单模光纤的单模光纤纤芯另一端与少模光纤纤芯一端进行腰椎放大熔接形成小粗锥结构纤芯，在小粗锥结构纤芯表面包裹小粗锥结构包层；少模光纤纤芯的另一端与出射单模光纤的单模光纤纤芯一端进行腰椎放大熔接形成大粗锥结构纤芯，在大粗锥结构纤芯表面包裹大粗锥结构包层，且大粗锥结构纤芯的直径大于小粗锥结构纤芯的直径，大粗锥结构包层的直径大于小粗锥结构包层的直径；出射单模光纤的单模光纤纤芯另一端与导出单模光纤连接，导出单模光纤另一端连接光谱仪。

进一步的，所述入射单模光纤和出射单模光纤的单模光纤纤芯直径均为9μm、包层直径均为125μm；少模光纤的长度为59mm，少模光纤纤芯直径为20μm、少模光纤包层直径125μm。

工作过程大致如下：

两个大小不同的粗锥起到光纤耦合器的作用，粗锥之间的少模光纤起到传感臂的作用。光从入射单模光纤进入，通过第一个粗锥结构时，一部分光进入少模光纤的纤芯以基模传输，一部分进入到少模光纤的包层，激发包层中的高阶模式传输；在经过第二个粗锥结构时，少模光纤纤芯中传输的基模和包层中传输的高阶模重新耦合至出射单模光纤的纤芯。由于基模和高阶模的折射率不同，光经过一定长度的少模光纤时会产生相应的光程差，产生干涉，形成马赫-曾德尔干涉仪。

发生干涉的两模式在光纤中的传播满足双光束干涉原理，两光束干涉后的光强和干涉前的光强存在如下关系：

式中i为干涉后的总光强。i1和i2分别为通过少模光纤的基模和高阶模的光强，为基模和包层模式的相位差。的表达式为：

式中，δneff为纤芯基模和包层模之间有效折射率的差值。由于纤芯和包层的材料不同，当外界应变变化时，有效折射率的变化不同，由此导致光程差的变化，进而导致干涉后光强的变化。因此，通过检测光强的变化，就可实现曲率的测量。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、结构紧凑、制备简单，只需将一段少模光纤无错位腰椎放大熔接在两段单模光纤之间即可。

2、既可测横向的拉力，又可测纵向的曲率，更全面地反映光纤外部的受力情况。

3、利用纤芯中不同模式之间的干涉，基于马赫-曾德尔干涉原理实现外界环境信息的检测，灵敏度高，有着很广阔的应用前景，在光纤传感方面有巨大的应用潜力。

附图说明

图1为本发明的示意简图。

图2为本发明传感单元的结构示意简图。

图3为本发明传感单元的传输光谱图。

图4为本发明在不同拉力下的传输光谱图。

图5为本发明在144.93με～1014.51με拉力范围内传输谱线与拉力变化之间的关系图。

图6为本发明传感器测量曲率实验装置示意图。

图7为本发明在不同曲率下的传输光谱图。

图8为本发明在0m^-1～0.42m^-1曲率范围内传输谱线与曲率变化之间的关系图。附图标号：1-宽带光源、2-传感单元、3-光谱仪、4-导出单模光纤、5-实验平台固定端、6-实验平台移动端、7-导入单模光纤、8-入射单模光纤、9-入射单模光纤与少模光纤形成的粗锥、10-少模光纤、11-出射单模光纤与少模光纤形成的粗锥、12-出射单模光纤、13-单模光纤包层、14-单模光纤纤芯、15-大粗锥结构包层、16-大粗锥结构纤芯、17-少模光纤包层、18-少模光纤纤芯、19-小粗锥结构包层、20-小粗锥结构纤芯、21-曲率实验装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，传感单元2的一端通过导入单模光纤7与宽带光源1连接，该传感单元2的另一端通过导出单模光纤4与光谱仪3连接，传感单元2设在拉力实验平上，拉力实验平台包括实验平台固定端5和实验平台移动端6，实验中调节实验平台5的位置来调整光纤所受拉力，从光谱仪3记录对应拉力下的传输光谱，如图4所示。

如图2所示，所述传感单元2包括入射单模光纤8、少模光纤10和出射单模光纤12，入射单模光纤8的一端与光源1连接，入射单模光纤8的另一端与少模光纤10连接，并在熔接点放电6次，形成小粗锥结构9，少模光纤另一端与出射单模光纤12的一端无错位熔接，同样在熔接点处增加熔接的放电次数，放电8次，形成大粗锥结构11。出射单模光纤12的另一端与光谱仪3连接，所述入射和出射的单模光纤的纤芯直径为9μm，包层直径125μm；少模光纤的长度为59mm、纤芯直径为20μm、包层直径125μm。

在传感器制备的过程中，采用古河fitels178型光纤熔接机，波长范围为1520-1610nm的ase3700型宽带光源以及aq6375型光学光谱仪。在切割光纤时，尽量保证光纤端面的平整度和洁净度，并采用手动熔接的方式进行fmf与smf之间的熔接，由于熔接机采用的是推进熔接的方式，故在光纤对准时，要将两段光纤留有一定空隙以保证光纤熔接端面的切合度和平整度。进行多次放电操作时注意不要电流过大使粗锥结构出现向上或向下整体弯曲的情况，因此将熔接电流设置为120ma。如图3所示为少模光纤的长度为59mm的传输光谱。从图3中可以得到，在传感单元中产生了明显的马赫-曾德尔干涉现象，形成了比较好的干涉条纹。

如图6所示，传感单元2的一端通过导入单模光纤7与宽带光源1连接，该传感单元2的另一端通过导出单模光纤4与光谱仪3连接，传感单元2放置在拉力实验平台上，固定两个平台之间的距离，通过调整曲率实验装置21向下压的距离来控制传感器所受曲率大小，并从光谱仪3记录对应不同曲率下的传输光谱，如图7所示。

从图5、图8中可以得到，传感器对应的拉力以及曲率灵敏度分别为0.00748db/με和14.08462db/m^-1，可以看出本发明的传感器对横向拉力和纵向曲率都十分敏感。在具体检测待测物体的应变时，从光谱分析仪读出不同谷值光强的变化量，即可得出应变的变化量。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。