CN105588674A - 一种强度调制型光纤应力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种强度调制型光纤应力传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、腰锥放大光纤(2)、长周期光纤光栅(3)和光谱分析仪(4)组成，其中腰锥放大光纤(2)和长周期光纤光栅(3)组成了光纤传感头，该光纤传感头长度为10～50mm；腰锥放大光纤(2)左端与宽带光源(1)连接，腰锥放大光纤(2)右端与长周期光纤光栅(3)连接，长周期光纤光栅(3)右端与光谱分析仪(4)连接。本发明采用腰锥放大光纤(2)和长周期光纤光栅(3)构成的马赫-曾德尔干涉仪作为传感部位，当应力施加在传感光纤上时，腰锥放大光纤(2)的弹性形变会引起干涉强度的变化，最终实现了将施加在传感光纤上的应力变化转化为输出光强的变化。
Description
技术领域
本发明提出了一种强度调制型光纤应力传感器，该应力传感器引入了光纤束腰扩大和长周期光纤光栅(Long-periodfibergrating，LPG)技术，属于光纤传感技术领域。
背景技术
光纤应力传感器被广泛应用于监测建筑房屋、桥梁和大坝等设施的健康情况。目前已市场化的光纤应力传感器主要是基于布拉格光纤光栅(FiberBragggrating，FBG)的应力传感器，但这一类传感器***需要光谱分析仪或者调制解调器显示波长的漂移量，这就会增加整个传感***的成本。强度调制型的光纤传感器完全可以依靠功率计将被测应力变化量直接转化为可以实时显示的电信号，简单方便且成本低廉。本发明提出的基于M-Z干涉的强度调制型光纤应力传感器，完全可以通过检测输出光强的变化以实现对应力变化的监测。
长周期光纤光栅在光纤传感领域的广泛使用主要是得益于其较低的***损耗、紧凑的结构和对周围环境敏感等优良特性。光纤传感器中引入长周期光纤光栅后，共振峰的谱宽更窄，使对传输光谱的测量精度大幅提高，结果也将更加准确。
马赫-曾德尔干涉型光纤传感器通过采用干涉测量法产生相位调制以便获得较高的灵敏度和分辨率，该原理也被广泛应用于各种光纤传感器中来监测各类待测量，其发展前景相当广阔。
发明内容
本发明的目的在于提供一种强度调制型光纤应力传感器，采用放大的光纤束腰和长周期光纤光栅构成的马赫-曾德尔干涉仪(Mach-zehnderinterferometer，MZI)作为传感部位，该装置能够将作用于光纤传感器上的轴向应力变化量转化为探测信号相应的透射光强度的改变量。具有结构紧凑、简单，操作简便、灵敏度高等优点。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种强度调制型光纤应力传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、腰椎放大光纤(2)、长周期光纤光栅(3)和光谱分析仪(4)组成，其中腰椎放大光纤(2)和长周期光纤光栅(3)组成了光纤传感头，该光纤传感头长度为10～50mm；腰椎放大光纤(2)左端与宽带光源(1)连接，腰椎放大光纤(2)右端与长周期光纤光栅(3)连接，长周期光纤光栅(3)右端与光谱分析仪(4)连接。
所述的一种强度调制型光纤应力传感器，其特征在于：放大的光纤束腰(2)长度为120～150μm，直径为150～180μm。
所述的一种强度调制型光纤应力传感器，其特征在于：长周期光纤光栅(3)的长度为20～25mm，周期为600μm。
本发明的工作原理是：
入射光在经过腰椎放大光纤(2)时，部分在光纤纤芯中传播的光会被耦合到光纤包层中，激发出在包层中传播的包层模，剩余的光将作为纤芯模继续沿纤芯向前传播；LPG可以将包层中传播的包层模重新耦合到纤芯中，从而与纤芯模形成MZI。MZI两个干涉臂的物理长度相同，但由于包层和纤芯的有效折射率不一样，从而形成光程差。纤芯模和包层模满足的相位匹配条件表达式为：
其中和分别表示纤芯有效折射率和第i个包层模的有效折射率，λ为入射光波长，d为腰椎放大光纤(2)和长周期光纤光栅(3)之间的距离，表示纤芯有效折射率和第i个包层模的有效折射率的差值。
MZI干涉条纹对比度变化的表达式可以表示为：
K表示条纹对比度，Icore表示纤芯模能量，Iclad表示包层模能量。当应力作用于传感器上时，腰椎放大光纤(2)将发生弹性形变，其直径将变小，则腰椎放大光纤(2)将入射光耦合进包层的能力将降低，从而Iclad将减小，Icore将增大，K将变小，从而干涉强度将会减小，这就实现了将施加在传感光纤上的应力变化转化为输出光强的变化。
本发明的有益效果是：当应力施加在传感光纤上时，由于腰椎放大光纤(2)的弹性形变，引起干涉强度的变化，最终实现了将施加在传感光纤上的应力变化转化为输出光强的变化。该传感器在测试应力时，可以用功率计代替光谱分析仪(4)，这就大大降低了传感***的成本，而且更加简单轻便，灵敏度也较高。
附图说明
图1是本发明的一种强度调制型光纤应力传感器特征装置示意图；
图2是本发明的不同应力施加在传感光纤上时的干涉光谱变化实验图；
图3是本发明的应力灵敏度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：
参见附图1，一种强度调制型光纤应力传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、腰椎放大光纤(2)、长周期光纤光栅(3)和光谱分析仪(4)组成，其中腰椎放大光纤(2)和长周期光纤光栅(3)组成了光纤传感头，该光纤传感头长度为10～50mm；腰椎放大光纤(2)左端与宽带光源(1)连接，腰椎放大光纤(2)右端与长周期光纤光栅(3)连接，长周期光纤光栅(3)右端与光谱分析仪(4)连接。
腰椎放大光纤(2)采用型号为：FujikuraFSM-60s的光纤熔接机制作，两个熔接的光纤堆叠长度设置为130μm，其它程序设置都是光纤熔接机的标准设置。长周期光纤光栅(3)采用高频率的CO2激光器制作，周期为600μm，长度设置为24mm。切割光纤端面，熔接腰椎放大光纤(2)和长周期光纤光栅(3)时采用单模-单模的标准熔接程序，两个结构之间的距离保持15mm。
图2为室温条件下不同应力情况下的干涉光谱变化实验图，应力在0～590εμ的范围内变化时，对应的干涉光谱的干涉强度发生变化，干涉强度逐渐减小。图3是本发明的应力灵敏度曲线图，该传感器的灵敏度为0.026dB/με。
Claims (3)
1.一种强度调制型光纤应力传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、腰锥放大光纤(2)、长周期光纤光栅(3)和光谱分析仪(4)组成，其中腰锥放大光纤(2)和长周期光纤光栅(3)组成了光纤传感头，该光纤传感头长度为10～50mm；腰锥放大光纤(2)左端与宽带光源(1)连接，腰锥放大光纤(2)右端与长周期光纤光栅(3)连接，长周期光纤光栅(3)右端与光谱分析仪(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种强度调制型光纤应力传感器，其特征在于：腰锥放大光纤(2)长度为120～150μm，直径为150～180μm。
3.根据权利要求1所述的一种强度调制型光纤应力传感器，其特征在于：长周期光纤光栅(3)的长度为20～25mm，周期为600μm。
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