一種強(qiáng)度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提出了一種強(qiáng)度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，該應(yīng)力傳感器引入了光纖束腰擴(kuò) 大和長周期光纖光柵(Long-period fiber grating，LPG)技術(shù)，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖應(yīng)力傳感器被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測建筑房屋、橋梁和大壩等設(shè)施的健康情況。目 前已市場化的光纖應(yīng)力傳感器主要是基于布拉格光纖光柵(Fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)的 應(yīng)力傳感器，但這一類傳感器系統(tǒng)需要光譜分析儀或者調(diào)制解調(diào)器顯示波長的漂移量，這 就會(huì)增加整個(gè)傳感系統(tǒng)的成本。強(qiáng)度調(diào)制型的光纖傳感器完全可以依靠功率計(jì)將被測應(yīng)力 變化量直接轉(zhuǎn)化為可以實(shí)時(shí)顯示的電信號，簡單方便且成本低廉。本發(fā)明提出的基于M-Z干 涉的強(qiáng)度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，完全可以通過檢測輸出光強(qiáng)的變化以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力變化的 監(jiān)測。
[0003] 長周期光纖光柵在光纖傳感領(lǐng)域的廣泛使用主要是得益于其較低的插入損耗、緊 湊的結(jié)構(gòu)和對周圍環(huán)境敏感等優(yōu)良特性。光纖傳感器中引入長周期光纖光柵后，共振峰的 譜寬更窄，使對傳輸光譜的測量精度大幅提高，結(jié)果也將更加準(zhǔn)確。
[0004] 馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器通過采用干涉測量法產(chǎn)生相位調(diào)制以便獲得較高 的靈敏度和分辨率，該原理也被廣泛應(yīng)用于各種光纖傳感器中來監(jiān)測各類待測量，其發(fā)展 前景相當(dāng)廣闊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種強(qiáng)度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，采用放大的光纖束腰和 長周期光纖光柵構(gòu)成的馬赫_曾德爾干涉儀(Mach-zehnder interferometer，MZI)作為傳 感部位，該裝置能夠?qū)⒆饔糜诠饫w傳感器上的軸向應(yīng)力變化量轉(zhuǎn)化為探測信號相應(yīng)的透射 光強(qiáng)度的改變量。具有結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，操作簡便、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] 本發(fā)明提供了一種強(qiáng)度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，其特征在于：由寬帶光源（1)、腰 椎放大光纖(2)、長周期光纖光柵(3)和光譜分析儀(4)組成，其中腰椎放大光纖(2)和長周 期光纖光柵(3)組成了光纖傳感頭，該光纖傳感頭長度為10~50_;腰椎放大光纖(2)左端 與寬帶光源（1)連接，腰椎放大光纖（2)右端與長周期光纖光柵（3)連接，長周期光纖光柵 (3)右端與光譜分析儀(4)連接。
[0008] 所述的一種強(qiáng)度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，其特征在于:放大的光纖束腰(2)長度為 1 20 ~1 50um，官徑為 1 50 ~1 80unin
[0009] 所述的一種強(qiáng)度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，其特征在于:長周期光纖光柵(3)的長度 為20~25mm，周期為600ym。
[0010] 本發(fā)明的工作原理是：
[0011] 入射光在經(jīng)過腰椎放大光纖(2)時(shí)，部分在光纖纖芯中傳播的光會(huì)被耦合到光纖 包層中，激發(fā)出在包層中傳播的包層模，剩余的光將作為纖芯模繼續(xù)沿纖芯向前傳播;LPG 可以將包層中傳播的包層模重新耦合到纖芯中，從而與纖芯模形成MZLMZI兩個(gè)干涉臂的 物理長度相同，但由于包層和纖芯的有效折射率不一樣，從而形成光程差。纖芯模和包層模 滿足的相位匹配條件表達(dá)式為：
[0013]
表示纖芯有效折射率和第i個(gè)包層模的有效折射率，λ為入 射光波長，d為腰椎放大光纖(2)和長周期光纖光柵(3)之間的距離，表示纖芯有效折 射率和第i個(gè)包層模的有效折射率的差值。
[0014] MZI干涉條紋對比度變化的表達(dá)式可以表示為：
[001 6] K表示條紋對比度，Icxxre表示纖芯模能量，:^:^表示包層模能量。當(dāng)應(yīng)力作用于傳感 器上時(shí)，腰椎放大光纖(2)將發(fā)生彈性形變，其直徑將變小，則腰椎放大光纖(2)將入射光耦 合進(jìn)包層的能力將降低，從而1。1^將減小，1。_將增大，K將變小，從而干涉強(qiáng)度將會(huì)減小，這 就實(shí)現(xiàn)了將施加在傳感光纖上的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)化為輸出光強(qiáng)的變化。
[0017]本發(fā)明的有益效果是：當(dāng)應(yīng)力施加在傳感光纖上時(shí)，由于腰椎放大光纖(2)的彈性 形變，引起干涉強(qiáng)度的變化，最終實(shí)現(xiàn)了將施加在傳感光纖上的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)化為輸出光強(qiáng) 的變化。該傳感器在測試應(yīng)力時(shí)，可以用功率計(jì)代替光譜分析儀(4)，這就大大降低了傳感 系統(tǒng)的成本，而且更加簡單輕便，靈敏度也較高。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明的一種強(qiáng)度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器特征裝置示意圖；
[0020] 圖2是本發(fā)明的不同應(yīng)力施加在傳感光纖上時(shí)的干涉光譜變化實(shí)驗(yàn)圖；
[0021] 圖3是本發(fā)明的應(yīng)力靈敏度曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0023] 參見附圖1，一種強(qiáng)度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，其特征在于：由寬帶光源（1 )、腰椎 放大光纖(2)、長周期光纖光柵(3)和光譜分析儀(4)組成，其中腰椎放大光纖(2)和長周期 光纖光柵(3)組成了光纖傳感頭，該光纖傳感頭長度為10~50mm;腰椎放大光纖(2)左端與 寬帶光源（1)連接，腰椎放大光纖(2)右端與長周期光纖光柵(3)連接，長周期光纖光柵(3) 右端與光譜分析儀(4)連接。
[0024]腰椎放大光纖(2)采用型號為:Fujikura FSM-60S的光纖熔接機(jī)制作，兩個(gè)熔接的 光纖堆疊長度設(shè)置為130μπι，其它程序設(shè)置都是光纖熔接機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。長周期光纖光柵 (3)采用高頻率的C02激光器制作，周期為600μπι，長度設(shè)置為24mm。切割光纖端面，熔接腰椎 放大光纖(2)和長周期光纖光柵(3)時(shí)采用單模-單模的標(biāo)準(zhǔn)熔接程序，兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的距 離保持15mm。
[0025]圖2為室溫條件下不同應(yīng)力情況下的干涉光譜變化實(shí)驗(yàn)圖，應(yīng)力在0~590εμ的范 圍內(nèi)變化時(shí)，對應(yīng)的干涉光譜的干涉強(qiáng)度發(fā)生變化，干涉強(qiáng)度逐漸減小。圖3是本發(fā)明的應(yīng) 力靈敏度曲線圖，該傳感器的靈敏度為〇. 〇26(1Β/με。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種強(qiáng)度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，其特征在于：由寬帶光源（1)、腰錐放大光纖(2)、 長周期光纖光柵(3)和光譜分析儀(4)組成，其中腰錐放大光纖(2)和長周期光纖光柵(3)組 成了光纖傳感頭，該光纖傳感頭長度為10~50mm;腰錐放大光纖(2)左端與寬帶光源（1)連 接，腰錐放大光纖(2)右端與長周期光纖光柵(3)連接，長周期光纖光柵(3)右端與光譜分析 儀(4)連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，其特征在于:腰錐放大光纖 (2)長度為120~150μπι，直徑為150~180μπι。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，其特征在于:長周期光纖光 柵(3)的長度為20~25mm，周期為600μπι。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種強(qiáng)度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，其特征在于：由寬帶光源(1)、腰錐放大光纖(2)、長周期光纖光柵(3)和光譜分析儀(4)組成，其中腰錐放大光纖(2)和長周期光纖光柵(3)組成了光纖傳感頭，該光纖傳感頭長度為10～50mm；腰錐放大光纖(2)左端與寬帶光源(1)連接，腰錐放大光纖(2)右端與長周期光纖光柵(3)連接，長周期光纖光柵(3)右端與光譜分析儀(4)連接。本發(fā)明采用腰錐放大光纖(2)和長周期光纖光柵(3)構(gòu)成的馬赫-曾德爾干涉儀作為傳感部位，當(dāng)應(yīng)力施加在傳感光纖上時(shí)，腰錐放大光纖(2)的彈性形變會(huì)引起干涉強(qiáng)度的變化，最終實(shí)現(xiàn)了將施加在傳感光纖上的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)化為輸出光強(qiáng)的變化。
【IPC分類】G01L1/24
【公開號】CN105588674
【申請?zhí)枴緾N201610160864
【發(fā)明人】王友清, 沈常宇, 樓偉民, 申屠鋒營, 包立峰, 劉樺楠, 魏健
【申請人】中國計(jì)量學(xué)院
【公開日】2016年5月18日
【申請日】2016年3月18日