一種可判別彎曲方向的曲率和溫度同時測量的光纖傳感器的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖曲率和溫度測量技術(shù)領域，具體的，涉及一種基于在線馬赫澤德干涉結(jié)構(gòu)級聯(lián)細芯長周期光纖光柵的可判別方向的曲率和溫度同時測量的光纖傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]準確的光纖曲率和溫度測量在工程應用系統(tǒng)中是十分重要的。光纖曲率和溫度傳感器主要是探測外界環(huán)境溫度的變化，壓力導致的光纖彎曲；與普通的電傳感器相比，光纖傳感器可以免于電磁干擾，耐腐蝕性強，易制造，低成本，響應快和很高的探測靈敏度。
[0003]為了滿足工程應用領域?qū)η屎蜏囟雀呔葴y量的需求，國內(nèi)外研究人員對光纖溫度-曲率測量進行了大量的研究。在光纖溫度-彎曲測量方面，提出了多種光纖干涉儀級聯(lián)光纖器件的測量方法:基于光纖馬赫澤德(Mach-Zehnder，MZ)干涉結(jié)構(gòu)級聯(lián)布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)的光纖溫度-彎曲傳感器，實現(xiàn)了52pm/°C和-164pm/m—1的溫度和曲率靈敏度測量；基于馬赫澤德干涉結(jié)構(gòu)級聯(lián)長周期光纖光柵(Long Per1dGrating，LPG)，實現(xiàn)了 12pm/°C和-12.55nm/m—1較低的溫度和曲率靈敏度測量。然而，這些光纖溫度和曲率傳感器結(jié)構(gòu)大都采用單一波長解調(diào)的方式，如果同時測量，必然帶來所測參數(shù)之間產(chǎn)生的串擾，導致所測靈敏度精確度不高;此外，上述級聯(lián)結(jié)構(gòu)均采用的是分離的光器件，并不是單一整體形式的光器件，且制作過程中往往存在著較大的鏈接損耗。單一器件測溫度或者彎曲，主要是由光纖本身固有的熱光系數(shù)和彈光系數(shù)所決定，靈敏度基本確定，相比于特殊處理和刻寫的結(jié)構(gòu)限制了增敏的因素，并不能實現(xiàn)較高靈敏的測量。這些單一分離的光器件同時是均勻拉制而成的，折射率分布呈圓對稱性，不具有方向性。因此，目前已有的測量方法并不能滿足同時測量的高精度要求，以及測量靈敏度相對較低等問題；另夕卜，不能判別彎曲方向也是限制其發(fā)展的一個重要因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷和改進需求，本發(fā)明提供了一種基于光纖在線馬赫澤德干涉儀級聯(lián)細芯長周期光纖光柵的可判別彎曲方向的曲率和溫度同時測量的光纖傳感器，其目的在于通過單模光纖、細芯光纖和細芯長周期光纖光柵構(gòu)成在線馬赫澤德干涉儀，且細芯長周期光纖光柵與在線馬赫澤德干涉儀在同一細芯光纖上級聯(lián);通過級聯(lián)實現(xiàn)在線馬赫澤德干涉儀的干涉譜與細芯長周期光纖光柵的損耗峰疊加以同時測量外界溫度的變化、光纖的彎曲和彎曲方向。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于光纖在線馬赫澤德干涉儀級聯(lián)細芯長周期光纖光柵的可判別彎曲方向的曲率和溫度同時測量的光纖傳感器，包括寬帶光源、第一單模光纖、第一熔接點、第一細芯光纖、細芯長周期光纖光柵、第二細芯光纖、第二熔接點、第二單模光纖和光譜儀；
[0006]其中，第一單模光纖的兩端分別于寬帶光源的輸出端和第一細芯光纖的第一端相連接;第一單模光纖的第二端連接細芯長周期光纖光柵的第一端;細芯長周期光纖光柵的第二端連接第二細芯光纖的第一端;第二細芯光纖的第二端連接第二單模光纖的第一端；第二單模光纖的第二端與光譜儀的輸入端相連；
[0007]其中，第一熔接點、第一細芯光纖、細芯長周期光纖光柵第一端依順序構(gòu)成了在線馬赫澤德結(jié)構(gòu)；寬帶光源、光譜儀與在線馬赫澤德結(jié)構(gòu)構(gòu)成馬赫澤德干涉儀;其中，細芯長周期光纖光柵與在線馬赫澤德結(jié)構(gòu)在同一細芯光纖上實現(xiàn)級聯(lián)，通過級聯(lián)實現(xiàn)在線馬赫澤德干涉儀的干涉譜與細芯長周期光纖光柵的損耗峰疊加以同時測量外界溫度的變化、光纖的彎曲和彎曲方向。
[0008]第一單模光纖與第一細芯光纖采用對芯熔接模式;采用這種對芯熔接方式的目的在于激發(fā)第一細芯光纖中的包層模;從而使得在第一細芯光纖中同時存在著包層模和纖芯模的傳輸，傳輸至細芯長周期光纖光柵處，細芯長周期光纖光柵能實現(xiàn)包層模和纖芯模的相互耦合，因而在第一細芯光纖中傳輸?shù)睦w芯模和包層模會在細芯長周期光纖光柵處產(chǎn)生干涉。
[0009]細芯長周期光纖光柵的不同損耗峰是由于所述光柵中纖芯模與不同的包層模耦合的結(jié)果，采用單側(cè)非對稱結(jié)構(gòu)的細芯長周期光纖光柵可以在光譜儀的同一窗口內(nèi)能顯示出兩個損耗峰;產(chǎn)生的兩個損耗峰級聯(lián)在線馬赫澤德結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的干涉譜，從而在光譜儀上顯示出四個諧振峰同時存在的光譜。
[0010]用于光纖溫度和曲率測量時，將光譜儀上產(chǎn)生的四個諧振波長位置調(diào)節(jié)至窗口的最中間；當外界溫度發(fā)生變化時，可以通過光譜上諧振波長的位置變化來測量溫度的靈敏度；同樣地，當外界壓力或應力作用在所述光纖傳感器時，可以通過光譜儀上其他諧振波長的強度變化來解調(diào)出光纖彎曲的靈敏度大??；當光纖彎曲方向不同時，可以通過細芯長周期光纖光柵產(chǎn)生的兩個諧振波長強度的相反變化來判斷光纖的彎曲方向。
[0011 ]優(yōu)選地，所述光纖彎曲測量還包括第一夾具和第二夾具，所述第一夾具和所述第二夾具固定夾持在所述光纖傳感器上，所述光纖傳感器在所述第一夾具和所述第二夾具之間的部分處于自由伸直的狀態(tài)，所述第一夾具的位置固定，所述第二夾具能移動。該方法可以將曲率調(diào)節(jié)的精確度控制在10—6量級，極大的提高了曲率測量的動態(tài)范圍及分辨率。
[0012]優(yōu)選地，所述第一細芯光纖的長度取3?8cm，第一細芯光纖的長度決定了在線馬赫澤德結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉譜的自由寬譜范圍，取3?8cm的干涉長度，使得所形成的馬赫澤德干涉譜諧振波長的帶寬與細芯長周期光纖光柵損耗峰的帶寬在同一數(shù)量級，有利于多參數(shù)同時測量和解調(diào)。
[0013]優(yōu)選地，所述第一細芯光纖和第二細芯光纖的包層直徑取70?ΙΟΟμπι，該直徑范圍可有效減少單模光纖與細芯光纖模場不匹配時激發(fā)的包層模數(shù)量，不會引起大量包層模與纖芯模的干涉，從而優(yōu)化了在線馬赫澤德干涉譜的均勻性。
[0014]優(yōu)選地，所述第一細芯光纖和第二細芯光纖的纖芯直徑取2?8μπι，該纖芯直徑范圍內(nèi)，由于纖芯模場適配效應，單模光纖的纖芯?？梢圆糠竹詈系郊毿竟饫w的纖芯中，剩余部分耦合至包層，為產(chǎn)生在線馬赫澤德干涉提供了先決條件。
[0015]優(yōu)選地，所述細芯長周期光纖光柵的長度取2?8cm，該長度可將細芯長周期光纖光柵的諧振波長有效的控制在1450nm?1650nm的低損耗窗口范圍內(nèi)，可有效的減小光纖傳輸過程中的損耗。
[0016]優(yōu)選地，所述細芯長周期光纖光柵為單側(cè)非對稱結(jié)構(gòu)光柵，該非對稱結(jié)構(gòu)可在曲率測量的同時，能根據(jù)所測曲率的正負值精確的判斷出光纖的彎曲方向。
[0017]優(yōu)選地，所述第二細芯光纖的長度取15?40cm，該長度可有效的將第二細芯光纖中的包層模全部損耗掉，避免在第二端細芯光纖出形成第二個在線馬赫澤德結(jié)構(gòu)，保證了級聯(lián)結(jié)構(gòu)光譜的高對比度。
[0018]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0019](I)本發(fā)明提供的可判別方向的曲率和溫度同時測量的光纖傳感器，采用在線馬赫澤德干涉儀結(jié)構(gòu)級聯(lián)細芯長周期光纖光柵疊加的干涉譜能產(chǎn)生多個諧振波長，不同諧振波長對溫度和曲率的靈敏度不同，從而實現(xiàn)多物理參數(shù)同時測量。
[0020](2)本發(fā)明提供的細芯長周期光纖光柵為單側(cè)非對成結(jié)構(gòu)光柵，對于不同方向的彎曲，疊加干涉譜上的不同損耗峰會出現(xiàn)強度的相反變化，從而判斷出光纖彎曲的方向。
[0021](3)本發(fā)明提供的可判別方向的曲率和溫度同時測量的光纖傳感器，采用單一在線的結(jié)構(gòu)測量，相比傳統(tǒng)的需要耦合器構(gòu)成的光纖干涉儀結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、易于集成的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明實施例1的可判別彎曲方向的曲率和溫度同時測量的光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明實施例1中細芯光纖與單模光纖熔接示意圖。
[0024]在所有附圖中，相同的附圖標記用來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-第一熔接點，4-第一細芯光纖，5-細芯長周期光纖光柵，6-第二細芯光纖，7-第二熔接點，8-第二單模光纖，9-光譜儀。
【具體實施方式】
[0025]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具