本發(fā)明涉及傳感器測量技術領域，特別涉及一種利用纖芯氣泡光纖同時測量溫度和材料應變的方法。

背景技術：

全光纖化的傳感器具有結構緊湊、使用壽命長、對測試量敏感、傳輸信道多等優(yōu)勢廣泛地應用于光纖傳感、光纖通信、光學加工等領域。通過光纖端面微加工技術或搭建具有干涉結構的全光纖傳感器，在泵浦源作用下，輸出具有梳狀譜圖樣的干涉譜曲線。細芯光纖馬赫-曾德光纖傳感器結構簡單且易于實現(xiàn)，該結構由一段細芯光纖熔接在兩段芯徑相對較粗的摻雜稀土光纖中，摻雜稀土光纖也被用作為傳感器的增益介質?，F(xiàn)有技術中，基于雙芯光纖的馬赫-曾德干涉儀，應用于溫度和應變的測量，干涉條紋襯幅比約為10dBm，條紋間隔約為2nm。光纖馬赫-曾德干涉儀具有結構簡單、條紋襯比度高、梳狀譜密集等優(yōu)勢，常被用于光纖傳感領域。

纖芯氣泡光纖在纖芯中制作中纖芯內(nèi)形成氣泡，氣泡能夠使得纖芯有效折射率發(fā)生變化，在纖芯中傳輸?shù)墓饨?jīng)過氣泡，光程發(fā)生改變，產(chǎn)生模間干涉，由于在一根光纖就能實現(xiàn)多種模式之間的干涉，簡化了光路，使結構更加緊湊，而且損耗低、不受外界干擾，具有很好的發(fā)展前景。但是，在現(xiàn)有技術中，對于氣泡光纖的應用于對單一的的溫度或材料應變的測量。

針對現(xiàn)有技術中的缺陷，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)氣泡光纖對溫度和材料應變的靈敏度與光纖光柵對溫度和材料應變均具有不同的靈敏度，可以實現(xiàn)對溫度和材料應變的同時測量。

因此，要一種能有效地對溫度和材料應變進行同時測量的一種利用纖芯氣泡光纖同時測量溫度和材料應變的方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明在一個方面提供了一種利用纖芯氣泡光纖同時測量溫度和材料應變的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

a)在兩段光纖纖芯端面進行刻槽處理；

b)將步驟a)中兩段光纖帶有刻槽的端面相互熔接，熔接的兩端面刻槽相互對應，所述熔接過程中刻槽發(fā)生膨脹，纖芯位置產(chǎn)生氣泡，得到纖芯氣泡光纖；

c)將所述纖芯氣泡光纖與光纖光柵熔接，進行溫度標定和材料應變標定；

d)采集纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波長漂移量，擬合纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波長漂移量隨溫度和材料應變變化量的關系曲線；

e)利用步驟d)的關系曲線對待測環(huán)境中的溫度和材料應變同時測量。

優(yōu)選地，所述標定方法包括如下步驟：

(1)將熔接后的纖芯氣泡光纖與光纖光柵粘貼在材料表面，置于可控溫度變化的環(huán)境中；

(2)以纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波谷作為采樣點，逐漸改變環(huán)境中溫度的大小，同時改變材料應變的大小，記錄梳狀譜移動的長度。

優(yōu)選地，所述纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波長漂移量隨溫度和材料應變變化量的關系曲線滿足如下關系：

其中Δλ₁、Δλ₂分別為纖芯氣泡光纖和光纖光柵的波長漂移量；ΔT、Δε分別為溫度和材料應變的變化量；K_T1、K_T2分別為纖芯氣泡光纖和光纖光柵的溫度靈敏度；K_ε1、K_ε2分別為纖芯氣泡光纖和光纖光柵的材料應變靈敏度；D＝K_T1K_ε2-K_T2K_ε1。

優(yōu)選地，所述溫度靈敏度和所述材料應變靈敏度通過計算靈敏度曲線的斜率得到。

本發(fā)明的另一個方面提供了一種同時測量溫度和材料應變方法的測量系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)依次連接泵浦光源、波分復用器、增益光纖、第一單模光纖、纖芯氣泡光纖、光纖光柵、第二單模光纖和光譜儀；

所述纖芯氣泡光纖由兩段端面帶有刻槽的光纖熔接；所述纖芯氣泡光纖與所述光纖光柵熔接在一起用于對溫度和材料應變進行同時測量。

優(yōu)選地，所述增益光纖為一段摻雜稀土元素的光纖。

本發(fā)明將纖芯氣泡光纖和光纖光柵熔接在一起，由于光纖光柵和纖芯氣泡光纖具有不同的溫度和材料應變傳感靈敏度，實現(xiàn)了同時對溫度以及材料應變進行測量。

應當理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應當用作對本發(fā)明所要求保護內(nèi)容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點將通過本發(fā)明實施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出了本發(fā)明利用纖芯氣泡光纖同時測量溫度和材料應變的流程圖；

圖2示出了本發(fā)明纖芯氣泡光纖熔接的示意圖；

圖3示出了本發(fā)明一個實施例中纖芯氣泡光纖與光纖光柵熔接對溫度和材料應變標定的示意圖；

圖4示出了本發(fā)明纖芯氣泡光纖的波長漂移示意圖；

圖5示出了本發(fā)明與光纖光柵的波長漂移示意圖。

具體實施方式

通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發(fā)明的具體細節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。在下文實施例中，對本發(fā)明的一種利用纖芯氣泡光纖同時測量溫度和材料應變的方法做詳細說明的過程中，一些相關的技術術語應當是本領域技術人員所能夠理解的。

為了清楚的說明本發(fā)明的內(nèi)容，在如下實施例中給出了本發(fā)明利用纖芯氣泡光纖同時測量溫度和材料應變的具體流程。如圖1所示本發(fā)明利用纖芯氣泡光纖同時測量溫度和材料應變的流程圖，具體地，利用纖芯氣泡光纖同時測量溫度和材料應變的方法，所述方法包括如下步驟：步驟S101：熔接纖芯氣泡光纖，在兩段光纖的端面進行刻槽處理；將所述兩段經(jīng)過刻槽的光纖帶有刻槽的端面相互熔接，熔接的兩端面刻槽相互對應，所述熔接過程中刻槽發(fā)生膨脹，纖芯位置產(chǎn)生氣泡，得到纖芯氣泡光纖；

步驟S102：溫度和材料應變標定，將所述纖芯氣泡光纖與光纖光柵熔接，進行溫度標定和材料應變標定；

步驟S103：擬合曲線，采集纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波長漂移量，擬合纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波長漂移量隨溫度和材料應變變化量的關系曲線；

步驟S104：溫度和材料應變同時測量，利用步驟S103的關系曲線對待測環(huán)境中的溫度和材料應變同時測量。

纖芯氣泡光纖的熔接

如圖2所示本發(fā)明纖芯氣泡光纖熔接的示意圖100，首先選取兩段光纖，所述光纖包括包層101和纖芯102，在兩段光纖的一個端面分別進行刻槽處理，將所述兩段光纖帶有刻槽的端面相互熔接，熔接的兩端面刻槽相互對應，所述熔接過程中刻槽發(fā)生膨脹，纖芯位置產(chǎn)生氣泡103，得到纖芯氣泡光纖；光路在纖芯氣泡光纖的纖芯102傳播過程中經(jīng)過纖芯氣泡光纖的的氣泡103處實現(xiàn)干涉。優(yōu)選地，選擇手動調節(jié)熔接機參數(shù)，將兩段光纖帶有刻槽的端面對應對齊，通過放電熔接完成兩段光纖的熔接。本實施例中，優(yōu)選相互熔接的兩段段光纖長度一致。

溫度和材料應變的標定

將熔接好的帶有氣泡的纖芯氣泡光纖與光纖光柵進行熔接。如圖3所示本發(fā)明一個實施例中纖芯氣泡光纖與光纖光柵熔接對溫度和材料應變標定的示意圖200，搭建測量系統(tǒng)，所述測量通過光纖204系統(tǒng)依次連接泵浦光源201、波分復用器202、增益光纖203、第一單模光纖205、纖芯氣泡光纖206、光纖光柵208、第二單模光209纖、光譜儀210和溫度控制器207。纖芯氣泡光纖206與光纖光柵208粘貼在材料表面，置于可以控制溫度變化的環(huán)境中。在一些實施例中，增益光纖203優(yōu)選摻雜稀土元素的光纖。

將所述纖芯氣泡光纖206與所述光纖光柵208熔接在一起，粘貼在材料211表面，置于溫度可控的環(huán)境中對溫度的變化量與材料應變的變化量進行標定，本實施例中，對材料應變的變化采取對材料211兩端施加一定的力N進行拉伸的方式，具體地，標定過程的步驟如下：

步驟1：將熔接后的纖芯氣泡光纖206與光纖光柵208粘貼在材料211表明，置于可控溫度變化的環(huán)境中；

步驟2：以纖芯氣泡光纖206與光纖光柵208的波谷作為采樣點，逐漸改變環(huán)境中溫度的大小，同時改變環(huán)境中材料211的拉伸強度，記錄梳狀譜移動的長度。

在上述標定過程中，環(huán)境中的溫度通過溫度控制器207對環(huán)境的溫度逐漸增加，同時逐漸增強環(huán)境中材料211的拉伸強度。應當理解的是，在一些實施例中，對于標定過程中環(huán)境的改變可以選擇逐漸降低環(huán)境中的溫度大小和材料的拉伸強度、增加環(huán)境中溫度的大小同時降低材料的拉伸強度、降低環(huán)境中溫度的大小同時增加材料的拉伸強度多種方式的一種或多種。

在本發(fā)明中，由于纖芯氣泡光纖和光纖光柵具有不同的溫度和材料應變傳感靈敏度，纖芯氣泡光纖與光纖光柵在溫度和材料應變改變的情況下產(chǎn)生不同的的波長漂移量。

本實施例中，通過對溫度和材料應變改變的情況下采集到纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波長漂移量，進而擬合用于測量溫度和材料應變同時變化的曲線。本實施例的下文中，具體說明曲線擬合的方法。

曲線的擬合

在本實施例上述過程中，對溫度和材料應變的改變進行記錄，得到溫度的變化量ΔT；材料應變的變化量Δh。如圖4所示本發(fā)明纖芯氣泡光纖的波長漂移示意圖，如圖5所示本發(fā)明光纖光柵的波長漂移示意圖，采集記錄的梳狀譜移動的長度，得到纖芯氣泡光纖的波長漂移量Δλ₁；光纖光柵的波長漂移量Δλ₂。

計算靈敏度曲線的斜率，得到纖芯氣泡光纖和光纖光柵的溫度靈敏度K_T1、K_T2；纖芯氣泡光纖和光纖光柵的材料應變靈敏度K_ε1、K_ε2。經(jīng)過矩陣計算得到纖芯氣泡光纖和光纖光柵的波長漂移量滿足如下關系：

對上述公式(1)得到關系進行矩陣轉置計算得到：

其中，其中Δλ₁、Δλ₂分別為纖芯氣泡光纖和光纖光柵的波長漂移量；ΔT、Δε分別為溫度和材料應變的變化量；K_T1、K_T2分別為纖芯氣泡光纖和光纖光柵的溫度靈敏度；K_ε1、K_ε2分別為纖芯氣泡光纖和光纖光柵的材料應變靈敏度；D＝K_T1K_ε2-K_T2K_ε1。

溫度和材料應變的同時測量

本實施例以溫度和材料應變均變化的環(huán)境中說明本發(fā)明的溫度和材料應變的同時測量。將所述測量系統(tǒng)的纖芯氣泡光纖與光纖光柵置于溫度和材料應變同時變化的環(huán)境中，以纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波谷作為采樣點，記錄纖芯氣泡光纖與光纖光柵的梳狀譜移動的長度，從而得到纖芯氣泡光纖與光纖光柵的波長漂移量。這里以纖芯氣泡光纖波長漂移量Δλ₁為例，光纖光柵傳感器波長漂移量Δλ₂為例。

由公式直接讀取溫度和材料應變的變化量，從而實現(xiàn)溫度和材料應變的同時測量。

在本發(fā)明中，由于纖芯氣泡光纖和光纖光柵具有不同的溫度和材料應變傳感靈敏度，纖芯氣泡光纖與光纖光柵在溫度和材料應變改變的情況下產(chǎn)生不同的的波長漂移量，實現(xiàn)同時對溫度以及材料應變進行測量。

結合這里披露的本發(fā)明的說明和實踐，本發(fā)明的其他實施例對于本領域技術人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權利要求所限定。