一種用於溫度和曲率雙參量測量的光纖傳感器的製造方法
2023-04-28 08:46:06 4
一種用於溫度和曲率雙參量測量的光纖傳感器的製造方法
【專利摘要】一種用於溫度和曲率雙參量測量的光纖傳感器，由入射端單模光纖、錐形結構、中間段單模光纖、多模光纖和出射端單模光纖串聯組成，其中入射端單模光纖、中間段單模光纖和輸出端單模光纖均為標準單模光纖；錐形結構是標準單模光纖利用光纖熔接機放電拉伸製作而成。本發明的優點是：該光纖傳感器製作工藝簡單、易於實施；錐形結構光纖結構緊湊，可代替昂貴複雜的光學器件，具有傳感結構的小型化、一體化，成本低的特點。本發明的光纖傳感器輸出信號包含不同模式間幹涉形成的幹涉峰，利用兩種幹涉峰對溫度和曲率的不同敏感特性，結合雙波長矩陣即可實現溫度和曲率的雙參量同時測量，有廣闊的應用空間。
【專利說明】 一種用於溫度和曲率雙參量測量的光纖傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖傳感技術，特別是一種用於溫度和曲率雙參量測量的光纖傳感器。
【背景技術】
[0002]光纖傳感器根據被測物理量對光調製方法的不同，可以分為強度型傳感器、波長型傳感器、相位型傳感器和光纖偏振型傳感器四大類。幹涉型光纖傳感器通過檢測由調製光信號的相位變化引起的輸出效果的變化而獲得外界信息的改變量，從而實現傳感的目的。幹涉型光纖傳感器以其很高的解析度和檢測靈敏度，自被提出就受到了研究人員的密切關注。
[0003]曲率是光纖傳感【技術領域】中重要的物理量，在很多工業生產及民用領域常常需要對曲率進行探測。在實際傳感探測應用中，不可避免的存在溫度和曲率的交叉敏感。在目前已報導的曲率傳感器中，大多無法對溫度和曲率對傳感信號的具體影響加以區分，而可以實現溫度和曲率雙參量同時測量的光纖傳感結構中，常用到化學腐蝕、刻寫並級聯光纖光柵、應用保偏光纖或光子晶體光纖等方法，這些方案不僅操作複雜，且成本較高。以上問題均限制了光纖曲率傳感器在實際生產中的大規模使用。
[0004]因此，需要提出一種傳感結構簡單，製作工藝簡便，且成本低廉的方案解決溫度和曲率交叉敏感的問題。
【發明內容】
[0005]本發明是針對上述存在問題，提供一種用於溫度和曲率雙參量測量的光纖傳感器，該光纖傳感器基於拉錐單模-多模-單模光纖結構，用不同模式間幹涉形成幹涉峰的靈敏性差異，實現溫度和曲率的雙參量測量，該光纖傳感器結構簡單、工藝簡便、成本低廉，可操作性強。
[0006]本發明的技術方案:
一種用於溫度和曲率雙參量測量的光纖傳感器，所述光纖傳感器基於拉錐單模-多模-單模光纖結構，由入射端單模光纖、錐形結構、中間段單模光纖、多模光纖和出射端單模光纖串聯組成，其中入射端單模光纖、中間段單模光纖和輸出端單模光纖均為標準單模光纖；錐形結構包括兩個過渡區即漸縮區和漸擴區和一個錐腰部分，在過渡區光纖直徑沿徑向逐漸減小或逐漸增大，在錐腰部分光纖直徑最小且保持不變，錐形結構是標準單模光纖利用光纖熔接機放電拉伸製作而成，放電量大小範圍為165-185bit,放電時間為1150-1350ms ;中間段單模光纖的長度為20_40mm ;多模光纖為階躍型多模光纖，長度為10-20mm,芯徑為 60-105 μ m。
[0007]本發明的工作原理:
本發明的光纖傳感器工作原理為入射光在錐形結構2的分光作用下，由輸入端單模光纖I進入中間段單模光纖3，激勵起中間段單模光纖3的纖芯模和各階包層模，傳輸至中間段單模光纖3和多模光纖4的熔接點時，滿足相位匹配條件的模式之間產生幹涉，幹涉光經多模光纖4的耦合作用進入多模光纖4傳輸，並激勵起多模光纖4的各階纖芯模，在多模光纖4和輸出端單模光纖5的熔接點處，滿足相位匹配條件的模式之間產生幹涉，後經輸出端單模光纖5輸出。經輸出端單模光纖5輸出的信號中包含不同模式間幹涉形成的幹涉峰，隨著外界溫度及曲率的變化，不同幹涉峰特徵波長有著不同的漂移量，結合雙波長矩陣方程，即可同時得到外界溫度及曲率的變化量。
[0008]本發明的優點和有益效果:
該光纖傳感器，可以看作是在傳統SMS光纖傳感器的基礎上對輸入端單模光纖進行拉錐處理而成，製作工藝簡單，只需使用光纖熔接機對標準單模光纖進行放電拉錐及普通光纖間的熔接；錐形結構作為一種新穎的光學器件，結構緊湊，製作簡單，可代替昂貴複雜的光學器件，並實現好的效果，具有傳感結構的小型化、一體化，成本低的特點。本發明的光纖傳感器輸出信號包含不同模式間幹涉形成的幹涉峰，利用兩種幹涉峰對溫度和曲率的不同敏感特性，結合雙波長矩陣即可實現溫度和曲率的雙參量同時測量，解決傳統幹涉型光纖傳感器交叉敏感，測量參量單一的問題，在實際的工業生產中有廣闊的應用空間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是本光纖傳感器的結構示意圖。
[0010]圖2是標準單模光纖在熔接機上放電拉伸形成的錐形結構照片。
[0011]圖3是本光纖傳感器的輸出透射譜。
[0012]圖中:1.入射端單模光纖、2.錐形結構、3.中間段單模光纖、4.多模光纖、5.出射端單模光纖、6.寬帶光源、7.光譜分析儀。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
實施例
[0014]一種用於溫度和曲率雙參量測量的光纖傳感器，所述光纖傳感器基於拉錐單模-多模-單模光纖結構，如圖1所示，由入射端單模光纖1、錐形結構2、中間段單模光纖3、多模光纖4和出射端單模光纖5串聯組成，其中入射端單模光纖1、中間段單模光纖3和輸出端單模光纖5均為標準單模光纖；錐形結構包括兩個過渡區即漸縮區和漸擴區和一個錐腰部分，在過渡區光纖直徑沿徑向逐漸減小或逐漸增大，在錐腰部分光纖直徑最小且保持不變，錐形結構光纖是標準單模光纖利用光纖熔接機放電拉伸製作而成，圖2是標準單模光纖在熔接機上放電拉伸形成的錐形結構照片，放電量大小為175bit，放電時間為1350ms,錐形結構的錐區長度為634 μ m，錐腰直徑為61 μ m ;中間段單模光纖3的長度為20mm ;多模光纖4為階躍型多模光纖,長度為1mm,芯徑為105 μ m ；入射端單模光纖I外接寬帶光源6，出射端單模光纖5外接光譜分析儀7。
[0015]該光纖傳感器的光路傳輸順序為:寬帶光源6輸出的寬帶光信號由輸入端單模光纖I輸入，經錐形結構2分光進入中間段單模光纖3，激勵起其纖芯模和包層的各階模式，在中間段單模光纖3和多模光纖4的熔接點處，滿足相位匹配條件的模式間發生幹涉，後經多模光纖4耦合併傳輸，激勵起纖芯基模及其各高階模式，在多模光纖4和輸出端單模光纖5的熔接點處，滿足相位匹配條件的模式間發生幹涉，最後經輸出端單模光纖5輸出，由光譜分析儀7觀測透射光譜隨外界溫度和曲率的變化。
[0016]圖3為該光纖傳感器的輸出信號譜。在觀測範圍內由不同模式間幹涉形成兩個幹涉谷，即dipl和dip2，根據不同幹涉谷對外界溫度和曲率的靈敏度差異，實現雙參量的測量。
[0017]該光纖傳感器利用不同模式間幹涉形成的幹涉峰，解決了溫度和曲率的交叉敏感問題，且具有體積小，容易製作，成本低廉等優點，在實際生產中有廣闊的應用空間。
【權利要求】
1.一種用於溫度和曲率雙參量測量的光纖傳感器，其特徵在於:所述光纖傳感器基於拉錐單模-多模-單模光纖結構，由入射端單模光纖、錐形結構、中間段單模光纖、多模光纖和出射端單模光纖串聯組成，其中入射端單模光纖、中間段單模光纖和輸出端單模光纖均為標準單模光纖；錐形結構包括兩個過渡區即漸縮區和漸擴區和一個錐腰部分，在過渡區光纖直徑沿徑向逐漸減小或逐漸增大，在錐腰部分光纖直徑最小且保持不變，錐形結構是標準單模光纖利用光纖熔接機放電拉伸製作而成,放電量大小範圍為165-185bit,放電時間為1150-1350ms ;中間段單模光纖的長度為20_40mm ;多模光纖為階躍型多模光纖,長度為 10-20mm，芯徑為 60-105 μ m。
【文檔編號】G01K11/32GK104266668SQ201410555938
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】童崢嶸, 欒盼盼, 曹曄 申請人:天津理工大學