CN106568466A - 细芯微结构光纤干涉仪传感器及其温度、应变检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种细芯微结构光纤干涉仪传感器及其温度检测方法和应变检测方法，包括宽带光源、传感头和光谱仪，传感头为带空气包层的细芯微结构光纤，细芯微结构光纤两端分别通过单模光纤连接宽带光源和光谱仪。宽带光源出射的光经过单模光纤后进入到细芯微结构光纤，由于单模光纤与细芯微结构光纤模场失配，光谱仪输出光谱包括干涉条纹光谱，温度变化或者应变会引起干涉条纹波谷波长漂移，因此在获知干涉条纹波谷波长漂移的情况下，可对应计算出温度变化或应变。另外由于细芯微结构光纤中空气包层的存在，能够有效消除外界环境折射率交叉敏感的技术问题，提高了传感器检测温度和应变的准确性，使得本发明传感器可有效应用于高湿度或液体环境中。

Description

细芯微结构光纤干涉仪传感器及其温度、应变检测方法
技术领域
本发明涉及一种干涉仪传感器，特别涉及一种细芯微结构光纤干涉仪传感器及其温度检测方法和应变检测方法。
背景技术
全光纤式干涉仪主要利用光的多次反射或模式之间的分离形成的干涉条纹进行外界环境特点参量检测，其结构简单、易装置、成本相对于其他传感器较低，在某些领域可以作为一种优先的选择。温度和应变是物理量中最常检测的物理量之一，在工业工程、土木工程、军用科技等领域对温度和应变进行精确测量、检测和控制具有重要意义。
然而折射率交叉敏感问题是光纤传感器研究领域不可回避的问题。处于恶劣环境的传感器，周围不同环境的折射率都会引起其他参量的变化，因此解决折射率串扰问题对于解调来说是非常关键的技术。传统光纤模式干涉仪是基于纤芯模式与包层模式的干涉，包层模对光纤周围的折射率变化敏感，因此该类传感器无法应用于液体或高湿度的环境。针对这一问题，人们提出了利用周围折射率与其他参量同时测量的方法，但是这种方法需要运用矩阵求解，计算相当复杂。
发明内容
本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单的细芯微结构光纤干涉仪传感器，该传感器能够消除外界环境折射率交叉敏感的技术问题，使得传感器可以有效的应用于液体或高湿度的环境中。
本发明的第二目的在于提供一种上述细芯微结构光纤干涉仪传感器的温度检测方法，该方法提高了温度检测的准确性。
本发明的第三目的在于提供一种上述细芯微结构光纤干涉仪传感器的应变检测方法，该方法提高了应变检测的准确性。
本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种细芯微结构光纤干涉仪传感器，包括宽带光源、传感头和光谱仪，所述传感头为带空气包层的细芯微结构光纤，所述宽带光源通过输入单模光纤连接细芯微结构光纤的一端，所述细芯微结构光纤的另一端通过输出单模光纤连接光谱仪。
优选的，细芯微结构光纤由内至外分别是纤芯、内包层、空气包层和纯石英外包层。
优选的，所述细芯微结构光纤的外包层直径为124～126μm，内包层直径为15～20μm；所述细芯微结构光纤的纤芯直径为2～3μm；所述细芯微结构光纤的纤芯为掺锗纤芯；
所述输入单模光纤和输出单模光纤包层直径为124～126μm，输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯直径为8～8.4μm，输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯为掺锗纤芯。
优选的，所述细芯微结构光纤空气包层包括六个环形布置的空气孔；所述空气孔直径为10～30μm。
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种基于上述细芯微结构光纤干涉仪传感器的温度检测方法，包括如下步骤：
S11、宽带光源输出入射光；
S12、入射光经过输入单模光纤、细芯微结构光纤和输出单模光纤后传送至光谱仪；
S13、通过光谱仪的输出光谱获取到干涉条纹光谱；
S14、根据干涉条纹光谱获取到干涉条纹波谷波长，并且计算出干涉条纹波谷波长漂移；
S15、根据步骤S14中获取到的干涉条纹波谷波长漂移计算出待测温度变化，具体为：
Δλ＝AΔT；
其中ΔT为待测温度变化，A为温度对应的干涉条纹波谷波长漂移系数；Δλ为干涉条纹波谷波长漂移。
优选的，步骤S15中，干涉条纹波谷波长漂移Δλ为步骤S14中获取到的干涉条纹波谷波长减去室温下光谱仪中读取的干涉条纹波谷波长。
优选的，温度对应的干涉条纹波谷波长漂移系数A＝-33.13×10-3；室温下光谱仪中读取的干涉条纹波谷波长为1517.37nm。
本发明的第三目的通过下述技术方案实现：一种基于上述细芯微结构光纤干涉仪传感器的应变检测方法，包括如下步骤：
S21、宽带光源输出入射光；
S22、入射光经过输入单模光纤、细芯微结构光纤和输出单模光纤后传送至光谱仪；
S23、通过光谱仪的输出光谱获取到干涉条纹光谱；
S24、根据干涉条纹光谱获取到干涉条纹波谷波长，并且计算出干涉条纹波谷波长漂移；
S25、根据步骤S24中计算出的干涉条纹波谷波长漂移计算出待测应变，具体为：
Δλ′＝Bε；
其中ε为待测应变，B为应变对应的干涉条纹波谷波长漂移系数；Δλ′为步骤S24中计算出的干涉条纹波谷波长漂移。
优选的，步骤S25中，干涉条纹波谷波长漂移Δλ′为步骤S24中获取到的干涉条纹波谷波长减去无应变时光谱仪中读取的干涉条纹波谷波长。
优选的，应变对应的干涉条纹波谷波长漂移系数B＝-2.23×10-3；无应变时光谱仪中读取的干涉条纹波谷波长为1517.86nm。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明细芯微结构光纤干涉仪传感器包括依次连接的宽带光源、传感头和光谱仪，传感头为带空气包层细芯微结构光纤，细芯微结构光纤两端分别通过单模光纤连接光源和光谱仪，可见，本发明传感器组成结构非常简单。
(2)本发明细芯微结构光纤干涉仪传感器中宽带光源出射的光经过单模光纤后进入到细芯微结构光纤，由于单模光纤和细芯微结构光纤的模场不匹配，宽带光源发出的光从输入单模光纤进入细芯微结构光纤时激发出纤芯模式和内包层模式，这两种传输模式的传播常数和有效折射率不同，经过细芯微结构光纤后，产生一定相位差，在细芯微结构出射的光进入到输出单模光纤时，内包层模式重新耦合到输出单模光纤纤芯中进行传输，光谱仪接收到的输出光谱为明显的干涉条纹光谱。由于温度的变化或者应变能够引起干涉条纹波谷波长的漂移，并且应变以及温度与干涉条纹波谷波长的漂移均存在一定的关系，因此在通过光谱仪输出的干涉条纹获知干涉条纹波谷波长漂移的情况下，能够对应计算出温度变化或应变，因此可以通过本发明细芯微结构光纤干涉仪传感器实现温度和应变的检测。另外本发明细芯微结构光纤干涉仪传感器中由于细芯微结构光纤中的空气包层的存在，有效消除了能够消除外界环境折射率交叉敏感的技术问题，提高了细芯微结构光纤干涉仪传感器检测温度和应变的准确性，同时使得本发明细芯微结构光纤干涉仪传感器可有效的应用于高湿度或液体环境中。
附图说明
图1是本发明细芯微结构光纤干涉仪传感器的结构示意图。
图2是本发明传感器中细芯微结构光纤的结构示意图。
图3是本发明传感器中光谱仪输出光谱中干涉条纹波谷位置对应的波长随温度变化的漂移图。
图4是本发明干涉条纹波谷波长漂移的温度响应曲线图。
图5是本发明传感器中光谱仪输出光谱中干涉条纹波谷位置对应的波长随应变变化的漂移图。
图6是本发明传感器中干涉条纹波谷波长漂移的应变响应曲线图。
图7是本发明传感器中光谱仪输出光谱中干涉条纹波谷对应的波长随折射率变化的漂移图。
图8是本发明干涉条纹波谷波长的折射率响应曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例公开了一种细芯微结构光纤干涉仪传感器，如图1所示，包括宽带光源1、传感头3和光谱仪4，传感头3为带空气包层的细芯微结构光纤，宽带光源1通过输入单模光纤21连接细芯微结构光纤的一端，细芯微结构光纤的另一端通过输出单模22光纤连接光谱仪。其中细芯微结构光纤通过熔接的方式连接输入单模光纤和输出单模光纤，输入单模光纤和输出单模光纤均为普通光纤。
如图2所示，本实施例中细芯微结构光纤由内至外分别是纤芯34、内包层33、空气包层和纯石英外包层31；细芯微结构光纤空气包层包括六个环形布置的空气孔32。
本实施例中细芯微结构光纤的外包层直径可选择为124～126μm，内包层直径可选择为15～20μm。空气孔直径可选择为10～30μm。细芯微结构光纤的纤芯直径可选择为2～3μm；其中在本实施例中细芯微结构光纤外包层直径为125μm，内包层直径为15μm，空气孔直径为20μm，纤芯直径为2μm。其中细芯微结构光纤的纤芯为掺锗纤芯，其折射率比纯石英外包层高0.0085。
本实施例中输入单模光纤和输出单模光纤包层直径都为124～126μm，输入单模光纤和输出单模光纤纤芯直径都为8～8.4μm，输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯都为掺锗纤芯。
本实施例中宽带光源输出的光谱为1250～1650nm。
本实施例的传感器在细芯微结构光纤两端分别与普通单模光纤熔接，由于两种光纤的模场不匹配，宽带光源发出的光经过第一个熔接点被激发出纤芯模式和内包层模式，这两种传输模式的传播常数和有效折射率不同，经过细芯微结构光纤后，产生一定相位差，在第二个熔接点内包层模式重新耦合到输出单模光纤纤芯中进行传输，光谱仪接收到的输出光谱为明显的干涉条纹光谱，通过监测干涉条纹波谷的波长漂移，可实现对环境温度变化和作用于光纤的轴向应变的传感。
本实施例还公开了一种基于上述细芯微结构光纤干涉仪传感器的温度检测方法，包括如下步骤：
S11、宽带光源输出入射光；
S12、入射光经过输入单模光纤、细芯微结构光纤和输出单模光纤后传送至光谱仪；
S13、通过光谱仪的输出光谱获取到干涉条纹光谱；
S14、根据干涉条纹光谱获取到干涉条纹波谷波长，并且计算出干涉条纹波谷波长漂移；
S15、根据步骤S14中获取到的干涉条纹波谷波长漂移计算出待测温度变化，具体为：
Δλ＝AΔT；
其中ΔT为待测温度变化，A为温度对应的干涉条纹波谷波长漂移系数；Δλ为干涉条纹波谷波长漂移，该值为步骤S14中获取到的干涉条纹波谷波长减去室温下光谱仪中读取的干涉条纹波谷波长。
本实施例中，干涉条纹波谷波长漂移Δλ＝λ-λ0，λ为上述检测方法中步骤S14获取到的干涉条纹波谷波长，λ0为室温下光谱仪中读取的干涉条纹波谷波长，其中本实施例中λ0为1517.37nm；温度对应的干涉条纹波谷波长漂移系数A＝-33.13×10-3；即：
λ＝-33.13×10-3x+1517.37；
本实施例在获取到干涉条纹波谷波长漂移Δλ＝λ-1517.37的情况下，根据上式即可计算出待测温度变化。
将本实施例上述细芯微结构光纤干涉仪传感器放置于温控箱，通过改变温控箱内部温度，从而改变环境的温度。如图3所示为光谱仪输出光谱中干涉条纹波谷位置对应的波长随温度变化的漂移图。如图4所示为干涉条纹波谷波长漂移的温度响应曲线，其中图4中圆圈代表测到的数据点，实线表示经过数值线性拟合得到的曲线。从图4中可看出测量值与理论值基本相符合；通过图3和图4可以看出，干涉条纹波谷波长随温度的增大而减小，其灵敏度可达到-36.59pm/℃。
本实施例还公开了一种基于上述细芯微结构光纤干涉仪传感器的应变检测方法，包括如下步骤：
S21、宽带光源输出入射光；
S22、入射光经过输入单模光纤、细芯微结构光纤和输出单模光纤后传送至光谱仪；
S23、通过光谱仪的输出光谱获取到干涉条纹光谱；
S24、根据干涉条纹光谱获取到干涉条纹波谷波长，并且计算出干涉条纹波谷波长漂移；
S25、根据步骤S24中计算出的干涉条纹波谷波长漂移计算出待测应变，具体为：
Δλ′＝Bε；
其中ε为待测应变，B为应变对应的干涉条纹波谷波长漂移系数；Δλ′为步骤S24中计算出的干涉条纹波谷波长漂移，该值为步骤S24中获取到的干涉条纹波谷波长减去无应变时光谱仪中读取的干涉条纹波谷波长。
本实施例中干涉条纹波谷波长漂移Δλ′＝λ′-λ0′，λ′为上述检测方法中步骤S24获取到的干涉条纹波谷波长，λ0′为无应变时光谱仪中读取的干涉条纹波谷波长，其中本实施例中λ0′为1517.86nm；应变对应的干涉条纹波谷波长漂移系数B＝-2.23×10-3；即：
λ′＝-2.23×10-3x+1517.86；
本实施例在获取到干涉条纹波谷波长漂移Δλ′＝λ′-1517.86的情况下，根据上式即可计算出待测应变。
将本实施例上述细芯微结构光纤干涉仪传感器的细芯微结构光纤放置于两个光纤夹具的中间，其中一个光纤夹具固定在平台上，另外一个光纤夹具放置在可移动平台上，该可移动平台最小可移动距离为10um。首先记下最初的两个光纤夹具之间的距离L，移动可移动平台，对细芯微结构光纤施加应力，观察光谱漂移情况。如图5所示为光谱仪输出光谱中干涉条纹波谷位置对应的波长随应变变化的漂移图。如图6所示为干涉条纹波谷波长漂移的应变响应曲线，其中图6中圆圈代表测到的数据点，实线表示经过数值线性拟合得到的曲线。从图6中可看出测量值与理论值基本相符合，线性度可达到99.96％；干涉条纹波谷波长随应变的增大而减小，其灵敏度可达到-2.23pm/με。
本实施例中由于细芯微结构光纤内包层被六个大空气孔环形包围，因此干涉条纹波谷对外界折射率的变化不敏感；如图7所示为光谱仪输出光谱中干涉条纹波谷对应的波长随折射率变化的漂移图。如图8所示为干涉条纹波谷波长的折射率响应曲线，从图7和图8中可以看出，本实施例中干涉条纹波谷波长基本不随外界折射率的变化而变化。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种细芯微结构光纤干涉仪传感器，包括宽带光源、传感头和光谱仪，其特征在于，所述传感头为带空气包层的细芯微结构光纤，所述宽带光源通过输入单模光纤连接细芯微结构光纤的一端，所述细芯微结构光纤的另一端通过输出单模光纤连接光谱仪。
2.根据权利要求1所述的细芯微结构光纤干涉仪传感器，其特征在于，细芯微结构光纤由内至外分别是纤芯、内包层、空气包层和纯石英外包层。
3.根据权利要求2所述的细芯微结构光纤干涉仪传感器，其特征在于，所述细芯微结构光纤的外包层直径为124～126μm，内包层直径为15～20μm；所述细芯微结构光纤的纤芯直径为2～3μm；所述细芯微结构光纤的纤芯为掺锗纤芯；
所述输入单模光纤和输出单模光纤包层直径为124～126μm，输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯直径为8～8.4μm，输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯为掺锗纤芯。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的细芯微结构光纤干涉仪传感器，其特征在于，所述细芯微结构光纤空气包层包括六个环形布置的空气孔；所述空气孔直径为10～30μm。
5.一种基于权利要求1所述的细芯微结构光纤干涉仪传感器的温度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S11、宽带光源输出入射光；
S12、入射光经过输入单模光纤、细芯微结构光纤和输出单模光纤后传送至光谱仪；
S13、通过光谱仪的输出光谱获取到干涉条纹光谱；
S14、根据干涉条纹光谱获取到干涉条纹波谷波长，并且计算出干涉条纹波谷波长漂移；
S15、根据步骤S14中获取到的干涉条纹波谷波长漂移计算出待测温度变化，具体为：
Δλ＝AΔT；
其中ΔT为待测温度变化，A为温度对应的干涉条纹波谷波长漂移系数；Δλ为干涉条纹波谷波长漂移。
6.根据权利要求5所述的细芯微结构光纤干涉仪传感器的温度检测方法，其特征在于，步骤S15中，干涉条纹波谷波长漂移Δλ为步骤S14中获取到的干涉条纹波谷波长减去室温下光谱仪中读取的干涉条纹波谷波长。
7.根据权利要求5或6所述的细芯微结构光纤干涉仪传感器的温度检测方法，其特征在于，温度对应的干涉条纹波谷波长漂移系数A＝-33.13×10-3；室温下光谱仪中读取的干涉条纹波谷波长为1517.37nm。
8.一种基于权利要求1所述的细芯微结构光纤干涉仪传感器的应变检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S21、宽带光源输出入射光；
S22、入射光经过输入单模光纤、细芯微结构光纤和输出单模光纤后传送至光谱仪；
S23、通过光谱仪的输出光谱获取到干涉条纹光谱；
S24、根据干涉条纹光谱获取到干涉条纹波谷波长，并且计算出干涉条纹波谷波长漂移；
S25、根据步骤S24中计算出的干涉条纹波谷波长漂移计算出待测应变，具体为：
Δλ′＝Bε；
其中ε为待测应变，B为应变对应的干涉条纹波谷波长漂移系数；Δλ′为步骤S24中计算出的干涉条纹波谷波长漂移。
9.根据权利要求8所述的细芯微结构光纤干涉仪传感器的应变检测方法，其特征在于，步骤S25中，干涉条纹波谷波长漂移Δλ′为步骤S24中获取到的干涉条纹波谷波长减去无应变时光谱仪中读取的干涉条纹波谷波长。
10.根据权利要求8或9所述的细芯微结构光纤干涉仪传感器的应变检测方法，其特征在于，应变对应的干涉条纹波谷波长漂移系数B＝-2.23×10-3；无应变时光谱仪中读取的干涉条纹波谷波长为1517.86nm。
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