一種高靈敏多模光纖應(yīng)變傳感器及測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖應(yīng)變測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種高靈敏多模光纖應(yīng)變傳感器的制備。
【背景技術(shù)】
[0002]準(zhǔn)確的光纖應(yīng)變測(cè)量在光纖通信和光纖傳感系統(tǒng)中很重要。
[0003]為了滿足例如建筑大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、地震等自然災(zāi)害預(yù)警等諸多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω呔葴y(cè)量的需求，人們對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變檢測(cè)做了大量研究，使用了各種諸如電類(lèi)傳感測(cè)量技術(shù)。然而由于這種傳統(tǒng)測(cè)量方式存在著電磁干擾、化學(xué)腐蝕、潮濕環(huán)境等諸多影響，使得電類(lèi)測(cè)量方式在測(cè)量的長(zhǎng)期性、實(shí)時(shí)性、高精度性等方面存在諸多不足。光學(xué)類(lèi)傳感器由于具有體積小、集成度高、抗電磁干擾、抗腐蝕，易于復(fù)用等許多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)光纖應(yīng)變測(cè)量進(jìn)行了大量的研究。最常用的光纖應(yīng)變測(cè)量手段是使用光纖布拉格光柵(FiberBragg Grating, FBG)，其制作方法是通過(guò)相位掩膜版法，利用激光的衍射光形成干涉條紋來(lái)寫(xiě)入光纖。其工作原理是光柵上軸向施加的應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致光柵內(nèi)部柵區(qū)的周期和折射率發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)而使得光柵的耦合波長(zhǎng)發(fā)生一定的漂移，解調(diào)光柵耦合波長(zhǎng)的漂移量即可得到相應(yīng)的應(yīng)變變化量信息。光纖光柵應(yīng)變傳感器穩(wěn)定可靠，使用方便，但由于結(jié)構(gòu)因素，其靈敏度僅為I?2pm/μ ε，難以滿足高精度測(cè)量的要求。
[0004]除光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器之外，國(guó)內(nèi)外研究人員還提出了其他結(jié)構(gòu)的光纖應(yīng)變傳感器，如基于光子晶體光纖的在線馬赫澤德干涉儀結(jié)構(gòu)，應(yīng)變測(cè)量靈敏度可達(dá)2.1pm/μ ε ;提出了基于光纖空氣泡F-P結(jié)構(gòu)的光纖應(yīng)變傳感器，實(shí)現(xiàn)了 4pm/μ ε應(yīng)變測(cè)量。然而以上方法測(cè)量應(yīng)變的靈敏度均不超過(guò)1pm/μ ε。對(duì)于微小形變的測(cè)量，對(duì)解調(diào)設(shè)備的精度依賴(lài)很高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的要求。近年來(lái)，有研究人員提出了利用雙環(huán)形腔實(shí)現(xiàn)游標(biāo)效應(yīng)來(lái)提高應(yīng)變測(cè)量的靈敏度，實(shí)現(xiàn)了 40pm/μ ε的靈敏度，但測(cè)量范圍僅有10 μ ε，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜極易受到干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種高靈敏的光纖應(yīng)變傳感器及測(cè)量系統(tǒng)，其中通過(guò)采用高靈敏手征多模光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多模光纖，使得該光纖應(yīng)變傳感器具備高靈敏度，最高靈敏度能達(dá)到50pm/μ ε，測(cè)量范圍達(dá)到150 μ ε -200 μ ε，且穩(wěn)定性高，制備成本低，抗干擾能力強(qiáng)，尤其適用于應(yīng)變測(cè)量領(lǐng)域。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種手征多模光纖應(yīng)變傳感器的制備方法，其特征在于，所述手征多模光纖應(yīng)變傳感器包括第一單模光纖、由多模光纖制成的手征多模光纖、第二單模光纖，該方法包括以下步驟；
[0007](I)采用第一、第二旋纖夾具分別夾住所述多模光纖加熱部分的兩端；
[0008](2)對(duì)所述多模光纖進(jìn)行加熱的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)所述第一、第二旋纖夾具；
[0009](3)冷卻所述多模光纖獲得所述手征多模光纖；
[0010](4)采用所述手征多模光纖的兩端分別與第一、第二單模光纖熔接形成所述手征多模光纖應(yīng)變傳感器。
[0011]優(yōu)選地，所述夾持多模光纖的旋纖夾具距離為4cm-25cm，所述手征多模光纖長(zhǎng)度為3.8cm-4.8cm，纖芯直徑為80 μ m-110 μ m，包層直徑為115 μ m-140 μ m ;加熱多模光纖的溫度為700°C -1 100C，加熱區(qū)域0.5cm-4cm之間，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為10轉(zhuǎn)/分鐘-80轉(zhuǎn)/分鐘。
[0012]按照本分發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種手征多模光纖應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述手征多模光纖應(yīng)變傳感器包括第一單模光纖、由多模光纖制成的手征多模光纖、第二單模光纖；
[0013]其中所述手征多模光纖是由所述多模光纖在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)加熱得到的。
[0014]優(yōu)選地，所述手征多模光纖應(yīng)變傳感器的靈敏度可以達(dá)到50pm/ μ ε。
[0015]按照本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了一種高靈敏多模光纖應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量系統(tǒng)依次包括:寬帶光源(I)、第一單模光纖(2)、手征多模光纖(3)、第二單模光纖(4)、光譜分析儀(5)、信號(hào)處理器(6);
[0016]所述手征多模光纖(3)是由多模光纖在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)加熱得到的。
[0017]總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上制備方法與技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0018]1、將傳統(tǒng)的單模光纖-多模光纖-單模光纖的多模干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，利用扭曲的手征多模光纖放大多模干涉的光譜漂移效果，使得在相同應(yīng)變的情況下，由于形變導(dǎo)致的多模干涉形成的光譜漂移量比原來(lái)增加大大增加，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的應(yīng)變測(cè)量。
[0019]2、該測(cè)量系統(tǒng)相比其他光纖應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，避免了復(fù)雜的微納光纖的制備工藝，以及復(fù)雜的光路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，僅使用成本極低的光纖制備，不僅制備簡(jiǎn)單，而且整個(gè)系統(tǒng)在應(yīng)變測(cè)量過(guò)程中具有極佳的穩(wěn)定性和抗干擾性。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的高靈敏多模光纖應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是高靈敏手征多模光纖傳感器的制備方法示意圖。
[0022]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1_寬帶光源，2-第一單模光纖，3-手征多模光纖，4-第二單模光纖，5-光譜分析儀，6-信號(hào)處理器，7-光纖第一旋轉(zhuǎn)夾具，8-光纖第二旋轉(zhuǎn)夾具。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的高靈敏多模光纖應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)包括、寬帶光源1、第一單模光纖2、手征多模光纖3、第二單模光纖4、光譜分析儀5、信號(hào)處理器6。寬帶光源I連接第一單模光纖2，手征多模光纖3兩端分別連接第一單模光纖2和第二單模光纖4，第二單模光纖4的輸出端依次連接光譜分析儀5和信號(hào)處理器6。
[0025]具體地，寬帶光源I與單模光纖2之間以及單模光纖4與光譜分析儀5之間利用FC/APC光纖接頭通過(guò)法蘭盤(pán)對(duì)接，手征多模光纖3兩端分別與第一單模光纖2和第二單模光纖4通過(guò)熔接方式連接。
[0026]如圖2所示，手征多模光纖傳感器的制備過(guò)程包括、第一旋纖夾具7、第二旋纖夾具8。制備方法是，對(duì)多模光纖3進(jìn)行加熱，第一旋纖夾具和第二旋纖夾具分別夾持加熱區(qū)域兩邊的光纖上，加熱的同時(shí)保持一個(gè)旋纖夾具不動(dòng)，控制另一個(gè)旋纖夾具的轉(zhuǎn)速和圈數(shù)，其中另一個(gè)旋纖夾具夾持并帶動(dòng)多模光纖的旋轉(zhuǎn)或兩個(gè)旋纖夾具往相反的方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)控制兩個(gè)旋纖夾具的轉(zhuǎn)速和圈數(shù)，之后冷卻。
[0027]根據(jù)光纖的多模干涉理論，干涉的峰值波長(zhǎng)取決于光纖纖芯尺寸、纖芯折射率大小以及干涉區(qū)域長(zhǎng)度。在軸向應(yīng)力作用下，干涉波長(zhǎng)的漂移量又與材料應(yīng)變量的大小，泊松比以及應(yīng)變光學(xué)系數(shù)有關(guān)。通過(guò)改變材料形狀和分布增加材料的泊松比的大小和應(yīng)變光學(xué)系數(shù)，能增大傳感系統(tǒng)的應(yīng)變靈敏度。
[0028]具體地，多模光纖長(zhǎng)度選取為3.8cm-4.8cm，加熱溫度為700-1100攝氏度，第一旋纖夾具轉(zhuǎn)速為10轉(zhuǎn)/分鐘-80轉(zhuǎn)/分鐘，加熱區(qū)域0.5cm-4cm之間。
[0029]通過(guò)控制旋纖夾具的轉(zhuǎn)速以及加熱的溫度可以控制手征多模光纖測(cè)量效果。
[0030]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種手征多模光纖應(yīng)變傳感器的制備方法，其特征在于，所述手征多模光纖應(yīng)變傳感器包括第一單模光纖、由多模光纖制成的手征多模光纖、第二單模光纖，該方法包括以下步驟； (1)采用第一、第二旋纖夾具分別夾住所述多模光纖加熱部分的兩端； (2)對(duì)所述多模光纖進(jìn)行加熱的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)所述第一、第二旋纖夾具； (3)冷卻所述多模光纖獲得所述手征多模光纖； (4)采用所述手征多模光纖的兩端分別與第一、第二單模光纖熔接形成所述手征多模光纖應(yīng)變傳感器。2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，夾持多模光纖的旋纖夾具距離為4cm_25cm，所述手征多模光纖長(zhǎng)度為3.8cm-4.8cm，纖芯直徑為80 μ m-110 μ m，包層直徑為115um-140um ;加熱多模光纖的溫度為700°C _1100°C，加熱區(qū)域0.5cm_4cm之間，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為10轉(zhuǎn)/分鐘-80轉(zhuǎn)/分鐘。3.一種手征多模光纖應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述手征多模光纖應(yīng)變傳感器包括第一單模光纖、由多模光纖制成的手征多模光纖、第二單模光纖； 其中所述手征多模光纖是由所述多模光纖在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)加熱得到的。4.如權(quán)利要求1所述的光纖應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述手征多模光纖應(yīng)變傳感器的靈敏度可以達(dá)到50pm/ μ ε。5.一種高靈敏多模光纖應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量系統(tǒng)依次包括:寬帶光源(I)、第一單模光纖(2)、手征多模光纖(3)、第二單模光纖(4)、光譜分析儀(5)、信號(hào)處理器(6)； 所述手征多模光纖(3)是由多模光纖在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)加熱得到的。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種高靈敏手征多模光纖應(yīng)變傳感器及應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，屬于光纖應(yīng)變測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有的光纖應(yīng)變傳感器由單模光纖、多模光纖、單模光纖熔接而成，測(cè)量靈敏度比較低；本發(fā)明由單模光纖、扭曲的手征多模光纖、單模光纖熔接而成；手征多模光纖的制備方法為將多模光纖兩端用夾具固定，對(duì)中間區(qū)域進(jìn)行加熱并同時(shí)扭轉(zhuǎn)之后冷卻而成；應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)包括所述高靈敏多模光纖應(yīng)變傳感器、寬帶光源、光譜分析儀和信號(hào)處理器；寬帶光源連接所述高靈敏光纖應(yīng)變傳感器，傳感器輸出端連接光譜分析儀，輸出光譜通過(guò)信號(hào)處理器分析并顯示測(cè)量結(jié)果，本發(fā)明與傳統(tǒng)的光纖應(yīng)變測(cè)量方法相比，制備簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，且具有極高的靈敏度。
【IPC分類(lèi)】G01B11/16
【公開(kāi)號(hào)】CN105136056
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510583295
【發(fā)明人】劉德明, 孫遠(yuǎn), 魯平
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年9月15日