一种基于游标效应的单一纤内MZI传感器的制作方法

本实用新型属于传感器领域，尤其涉及一种基于游标效应的单一纤内MZI传感器。

背景技术：

光纤传感器就是利用光纤将待测量在光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测来实现高精度测量的。近几十年来，马赫-曾德干涉仪((Mach-Zehnder interferometer，简称MZI))传感器因为具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、稳定性好、结构紧凑等优点。在物理、化学和生物传感等领域得到了广泛的关注。纤内MZI光纤传感器因为其具有体积小，机械强度高等特点，目前已经广泛应用于温度、应力、磁场、电流、电压等传感测量。而游标效应则是利用两个参量的微小差异而提高测量的精度，比如现在比较广泛应用与测量长度的游标卡尺便是通过主尺与游标之间的分度差异来提高测量的精度的，而在光纤传感领域也会将游标效应用来放大光谱位移，以提高传感器的灵敏度。

总的来说，大多数的纤内MZI传感器的工作原理就是，当光通过光分裂结构传输时，光纤纤芯内的光，一部分会被耦合到包层中，并激发一些包层模式。大部分包层中的光再通过光耦合结构，回到纤芯，与纤芯中的光重叠在一起，因为包层与纤芯之间的折射率不同，故两束光之间有一定的相位差，在两束光的汇合处，便会形成干涉现象。然而由于包层模式的衰减很大，为了减少传感器的损耗，一般会控制纤内MZI的长度。另外纤芯与包层之间的折射率差非常小，导致了纤内MZI的自由光谱范围(FSR)总是很大；对于纤内MZI来说，在光信号进入包层后可能会激发好几种包层模式，激发效率也有所不同，这将导致通过纤内 MZI后，通常会出现杂乱无章的干涉光谱，因此很难应用游标效应放大其灵敏度。但现有的基于游标效应的光纤传感器多是利用两个干涉仪级联起来，通过两干涉仪之间的微小FSR差来实现游标效应。而采取级联的形式不但会降低传感器的机械强度，还会增大传感器的体积。而且级联结构在制造过程中为了保证小的FSR，需要精确控制两个传感器的物理结构(如长度等)，对制备要求较高。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的不足，本实用新型提出一种基于游标效应的单一纤内MZI 传感器，该纤内MZI传感器利用单模光纤经熔接机放电后形成的球形结构，来实现分光与聚光的功能，构成了MZI；单个的干涉仪因为包层模间的有效折射率差异小，所以满足了游标效应中对FSR相近的必要条件；然后利用FFT(快速傅里叶变换)获得两个干涉模的差频信息，再经IFFT(快速傅里叶逆变换)即可得到游标效应所需的包络信息；通过观测包络的偏移量便可以提高传感器的灵敏度；单一纤内MZI的结构不仅提高了传感器的机械强度，还减小了传感器的体积，同时也避免了级联结构所面临的需要精确控制传感器物理结构的问题，简化了光纤传感器的制备方法。

本实用新型所采用的技术方案：

一种基于游标效应的单一纤内MZI传感器，包括宽带光源，单模传输光纤一，单模传输光纤二，双球形结构的MZI传感头，光谱仪，滤波器，电脑；所述的宽带光源的输出端与单模传输光纤一的一端相连接；单模传输光纤一的另一端再与双球形结构的MZI光纤传感头的输入端相连，所述的双球形结构的MZI光纤传感头的输出端与单模传输光纤二的一端相连，其特征在于所述的单模传输光纤一和单模传输光纤二与双球形结构的MZI光纤传感头的连接方式是通过光纤熔接机熔接实现的；所述的单模传输光纤二的另一端与光谱仪相连；所述的滤波器其特征在于能够用来滤出所选包络所在的频率的光波信号，然后通过电脑对滤出的光波信号进行分析处理，得到所需的包络信息；然后通过观测包络的漂移量，实现灵敏度的放大。

所述的双球形结构的MZI光纤传感头，其特征在于，所述的双球形结构的MZI光纤传感头由三部分构成，分别是一端带有球形结构的单模光纤一，第二单模光纤，一端带有球形结构的单模光纤二；其中一端带有球形结构的单模光纤一和一端带有球形结构的单模光纤二是通过将两根单模光纤至于光纤熔接机中，利用手动操作调整两单模光纤的端面的位置，两端面距离0.5-1mm，且处于放电的中心位置，然后进行放电处理实现的；其中可以通过调节光纤熔接机的电流大小和放电时间来调整球形结构的大小和形状；然后再将第二单模光纤的两端分别与一端带有球形结构的单模光纤一和2熔接；其中的第二单模光纤，其特征在于其长度为4-5cm。

本实用新型的有益效果为：

1.单一纤内MZI结构，结构紧凑简单，增强了光纤传感器的机械强度；对比于级联结构的光纤传感器，简化了制备方法，减小了传感器的体积；同时也避免了为产生游标效应而需精确控制传感器物理结构的问题，减小了制备难度；

2.利用游标效应来放大光谱位移，较之传统的单一纤内MZI传感器，提高了光纤传感器的灵敏度。

附图说明

下面结合附图及具体方式对本实用新型作进一步说明。

图1是一种基于游标效应的单一纤内MZI传感器的结构剖面示意图。

图2是单一纤内MZI传感器的测试系统示意图。

图1-2中：1为宽带光源；2为单模传输光纤一；3为双球形结构的MZI传感头；4为单模传输光纤二；5为光谱仪；6为电脑；7为滤波器；8为一端带有球形结构的单模光纤一； 9为第二单模光纤；10为一端带有球形结构的单模光纤二。

具体实施方式

图1是单一纤内MZI传感器的测试系统示意图；包括1宽带光源，2单模传输光纤一， 3单模传输光纤二，4双球形结构的MZI传感头，5光谱仪，6电脑，7滤波器；图2是双球形结构的MZI传感头的示意图；8为一端带有球形结构的单模光纤一，9为第二单模光纤， 10为一端带有球形结构的单模光纤二。

本实验新型的工作方式为：宽带光源产生信号光，通过单模传输光纤一传输进入双球形结构的MZI传感头，然后再经单模传输光纤二传输，进入光谱仪，得到干涉光谱图。在图2中可以看到，当信号光经过双球形结构的MZI传感时，在一端带有球形结构的单模光纤一的末端形成了分光结构，纤芯中的光经过球形结构时，一部分光会进入到第二单模光纤的包层中，并会激发几种不同的包层模式，激发效率也不相同；在第二单模光纤包层与纤芯传输的光经过一端带有球形结构的单模光纤二的球形区域时，包层中的一部分光会耦合进纤芯中，与纤芯中的光叠加到一起；由于单模光纤的包层模式之间有效折射率差异小，因此满足游标效应中对FSR相近的必要条件，故可以利用游标效应来提高传感器的灵敏度；但是又因为包层中多种模式参与了干涉，激发效率又有所差异，故得到的干涉光谱比较杂乱，无法直接获得游标效应所需的包络信息；故要使用电脑对其干涉光普进行分析，利用FFT变换可以获得两个干涉模的差频信息，然后利用滤波器，将包络所在的频率所对应光波信号滤出来，再使用电脑，对所获得的光波信号进行IFFT，即可以得到游标效应所需的包络信息。该测量系统可以用来测量多种物理量，如温度，应力，气体等，传感头外部的环境发生改变，对不同包层模式的影响是不同的，故总能达到游标效应的条件和干涉条件，然后通过上述方法获得不同测量条件下的包络信息，通过观测包络的漂移量便可提高传感器的灵敏度。

以上所述及图中所示的仅是本实验新型的优选实施方式。本领域的普通技术人员在不脱离本实验新型的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本实用新型的保护范围。