CN106289600A - 一种光纤应力传感器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤应力传感器件，包括依次连接的第一单模光纤、少模光纤和第二单模光纤；其中少模光纤的归一化频率满足：3.83171<V<7.01559。本发明提出采用单模光纤、少模光纤、单模光纤的简单组合以实现应力传感，无须采用光栅等复杂的制作工艺，且可以获得高灵敏度的传感，与采用多模光纤的传感结构相比，采用归一化频率值较小、光纤中模式数量少的少模光纤组成的传感结构灵敏度高、频谱规律，易于确定光纤长度等参数。

Description

一种光纤应力传感器件

技术领域

本发明属于光纤传感研究领域，具体涉及一种光纤应力传感器件。

背景技术

随着现代化进程的继续，在很多上至规模较大的建筑结构下至一些精细工程结构的监测***里，应力传感在整个施工的安全监测中是一个极为重要的问题。众所周知，测量应力的传统方法通常是随着现代化进程的继续，在很多上至规模较大的建筑结构下至一些精细工程结构的监测***里，应力传感在整个施工的安全监测中是一个极为重要的问题。众所周知，测量应力的传统方法通常是靠电阻应变片所反映出来的阻值和应力的对应关系来检测工程施工。电阻应变片虽然价格低廉，但是它对外界环境的适应性并不好，特别是容易受到来自电磁场的影响，同时不能在很多具有腐蚀性的环境下工作，这对于应用于工程检测的应力传感器是非常大的缺陷。并且传统的这种应力传感器只能进行单点测量。但是自19世纪70年代，因为光纤型应力传感器具有一般光纤型传感器的体积小、质量轻、精度高、免电磁干扰和抗腐蚀性等优点[1]，因而在应力传感器的发展过程中，各种光纤型应力传感器也相继应运而生。并且其中很多都已经商业化。基于光纤的应力传感结构或装置已经有很多种。比如，基于光纤微弯结构的^[2]和基于法布里-珀罗光纤结构的传感器早已得以应用[2-4]。

在所有的测量应变的光纤传感器中,基于FBG结构的传感器使用的最为广泛。此类传感器将FBG作为敏感元件,其原理是基于应变对Bragg中心波长的调制实现测量。此后也相继出现一些基于SMS光纤结构的应力传感器的研究[5]，这种结构采用多模光纤，通过与单模光纤的连接实现模式干涉的效果。然而，多模光纤中模式数量多，模式干涉效应复杂，难以实现高精度传感。

参考文献：

【1】彭仕玉.光纤光栅轴向应力传感模型的研究[J].湖南理工学院学报，2007,20(2):35-37。

【2】Nicholas Laoakos,Cole J,bucaro J A.Microbend fiber optic sensor[J].Applied Optics,1987,26(11):2171-2180。

【3】Heredero R L,Santos J L,Ferndndez de Caleya R,et al..Micromachinedlow-finesse Fabry-Perot interferometer for the measurement of DC and ACelectrical currents[J].Sensors Journal,IEEE,2003,3(1):13-18。

【4】Furstenau N,Schmidt M,Horack H,et al..ExtrinsicFabry-Perotinterferometer vibration and acoustic sensorsystems for airport groundtraffic monitoring[J].Optoelectronics,IEE Proceedings,1997,144(3):134-144。

【5】Wu Q,Hatta A M,Wang P,et al.Use of a bent single SMS fiberstructure for simultaneous measurement of displacement and temperaturesensing[J].IEEE Photonics Technology Letters,2011,23(2):130-132。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种光纤应力传感器件，通过第一单模光纤、少模光纤和第二单模光纤依次连接的简单组合实现应力传感，提高应力传感灵敏度。

本发明的技术方案是：一种光纤应力传感器件，包括单模光纤和少模光纤；所述单模光纤包括第一单模光纤和第二单模光纤；所述第一单模光纤、少模光纤和第二单模光纤依次连接；

所述少模光纤的归一化频率满足：

$V=\frac{2{\mathrm{\&pi;a}}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{(n_1^2-n_2^2)}^{1/2},$

3.83171<V<7.01559，

其中，n₁表示少模光纤纤芯的折射率；

n₂表示少模光纤包层的折射率；

a₁表示少模光纤纤芯的半径；

λ₀表示工作波长。

上述方案中，所述少模光纤的纤芯与包层折射率差Δ满足：0.007≥Δ≥0.002。

上述方案中，所述单模光纤与少模光纤的横向偏差d_m满足：d_m≤0.8μm。

上述方案中，所述少模光纤的长度L满足：L≥120mm。

上述方案中，应力仅作用于少模光纤上。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提出采用单模光纤、少模光纤、单模光纤的简单组合以实现应力传感，无须采用光栅等复杂的制作工艺，且可以获得高灵敏度的传感。与采用多模光纤的传感结构相比，采用归一化频率值较小、光纤中模式数量少的少模光纤组成的传感结构灵敏度高、频谱规律，传感灵敏度稳定，且少模光纤长度选择范围大，易于确定光纤长度等参数。

附图说明

图1为本发明所述的一种光纤传感器件的组成结构示意图；

图2为本发明光纤传感器件的输出能量随少模光纤长度的变化曲线，其中(a)d_core＝25μm，(b)d_core＝40μm，(c)d_core＝50μm；

图3为本发明光纤传感器件的输出能量随少模光纤长度L的变化曲线；

图4为本发明光纤传感器件在不同应力作用下的输出频谱曲线；

图5本发明所述光纤传感器件一实施方式的光纤灵敏度和检测极限与少模光纤长度的关系曲线图；

图中，1.第一单模光纤；2.少模光纤；3.第二单模光纤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1为本发明的光纤结构示意图，所述光纤应力传感器件包括单模光纤和少模光纤2；所述单模光纤包括第一单模光纤1和第二单模光纤3；所述少模光纤2两端分别连接第一单模光纤1和第二单模光纤3，以组成干涉耦合机制，即从第一单模光纤1输入的光进入到少模光纤2，激发出少模光纤2中的模式，在少模光纤2输出端再经第二单模光纤3实现模式相干，少模光纤2的长度、纤芯直径、折射率等参数都会影响其激发的模式数量和能量分布以及耦合到单模光纤的能量，因而为传感应用提供了很好的机制。

图2为少模光纤2取不同折射率差和直径时，输出能量随多模长度的变化情况。由图2(a)可知当少模光纤的纤芯与包层折射率差Δ和直径较小时，其输出能量不能呈现周期性耦合的特性；由图2(c)所示，当其直径和纤芯与包层折射率差Δ过大时，其耦合特性也变化不规律；由图2(b)所示，当取适中值时，其耦合曲线呈现周期性的特点，且其最小值区域(即波谷)较窄，有利于获得高的灵敏度和检测效果。其原因是，当少模光纤2的纤芯直径和折射率差过小时，少模光纤2接近于单模传输，因而在少模光纤2中难以形成有效的模式耦合，而当其纤芯直径和纤芯与包层折射率差Δ都很大时，少模光纤2中的模式数量过多，使得激发出的模式数量过多，因而，其耦合曲线不规律。事实上，由于光纤模式之间本身会因为外界因素、光纤折射率分布偏差等而发生耦合，由此，其实际耦合特性会受更多因素的影响，从而难以形成传感所需的频谱曲线。由此可见，采用合适参数的少模光纤2才能有利于模式耦合和传感。为此，要求少模光纤2的归一化频率满足：3.83171<V<7.01559，这里其中，n₁，n₂分别表示少模光纤2的纤芯和包层的折射率；a₁表示纤芯半径，λ₀为工作波长。即光纤至少能够支持传输LP₀₂且可支持的最高阶模式为LP₀₃模。与多模光纤通常可支持几十甚至上百个模式相比，本发明少模光纤仅支持4～9个模式。同时，由于结构和参数的特点，其仅能被激发出2～3个模式，因而，其干涉效应和规律获得极大的提升，并能够被应用于应力传感等需要高灵敏度的传感领域。

所述少模光纤2的纤芯与包层折射率差Δ满足：0.007≥Δ≥0.002，其效果是在保证少模光纤与单模光纤折射率相近，以减小其连接损耗。

图3为输出能量随少模光纤长度的变化曲线。由图3可知在少模光纤不同长度处出现相应的波谷，因而当少模光纤长度取在这些波谷位置时，输出频谱会出现相应的极小值。由于其输出能量随少模光纤长度呈现周期性的耦合特性，若对少模光纤施加应力进行拉伸或压缩，则其输出频谱也会发生移动，从而实现应力传感的目的。

图4为在不同应力条件下所述光纤器件的输出频谱变化的情况。由图4可见随着应力随所加物体的质量的增加而增大时，输出频谱的特征波长向右偏移。因而通过检测其频谱谷值的移动量就可以测得光纤上所施加的应力值。

图5为本发明光纤传感器件一种实施方式的检测灵敏度和检测极限的变化曲线。由图5可见少模光纤长度变化时，其灵敏度只在小范围波动情况下保持稳定。同时也可以发现检测极限随着少模光纤长度的增加逐渐减小，并且逐步趋于稳定。因而，少模光纤长度应取较大值，从而保证其具有较小的检测极限值。对于图5结果，其灵敏度的平均值为0.3942nm/g，这个结果高于基于FBG结构光纤应力传感器的4倍左右。由图5可见，所述少模光纤2的长度L应满足：L≥120mm，即采用较长的少模光纤，以获得稳定的检测效果和高灵敏度的检测。单模光纤与少模光纤连接时，其连接偏差会导致激发出的模式能量大小不同，其最终结果是影响光纤的检测极限，为保证其传感效果，要求所述单模光纤与少模光纤2的横向偏差d_m满足：d_m≤0.8μm。

实施例：

所述少模光纤2纤芯直径取为25μm，纤芯与包层折射率差Δ＝0.0057，其输出频谱如图4所示。不同光纤长度下的传感灵敏度与检测极限如图5所示。当取少模光纤长度L＝120mm时，其灵敏度的平均值为0.3942nm/g,检测极限为16.5×10^-6με。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光纤应力传感器件，其特征在于，包括单模光纤和少模光纤(2)；所述单模光纤包括第一单模光纤(1)和第二单模光纤(3)；所述第一单模光纤(1)、少模光纤(2)和第二单模光纤(3)依次连接；

所述少模光纤(2)的归一化频率满足：

$V=\frac{2{\mathrm{\&pi;a}}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{(n_1^2-n_2^2)}^{1/2},$

3.83171<V<7.01559，

其中，n₁表示少模光纤(2)纤芯的折射率；

n₂表示少模光纤(2)包层的折射率；

a₁表示少模光纤(2)纤芯的半径；

λ₀表示工作波长。

2.根据权利要求1所述的一种光纤应力传感器件，其特征在于，所述少模光纤(2)的纤芯与包层折射率差Δ满足：0.007≥Δ≥0.002。

3.根据权利要求1所述的一种光纤应力传感器件，其特征在于，所述单模光纤与少模光纤(2)的横向偏差d_m满足：d_m≤0.8μm。

4.根据权利要求1所述的一种光纤应力传感器件，其特征在于，所述少模光纤(2)的长度L满足：L≥120mm。

5.根据权利要求1、2、3、或4中的任意一项所述的一种光纤应力传感器件，其特征在于，应力仅作用于少模光纤(2)上。