CN108490533A - 多芯光纤光栅、光纤传感器及多芯光纤光栅的制作方法 - Google Patents

多芯光纤光栅、光纤传感器及多芯光纤光栅的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种多芯光纤光栅、光纤传感器及多芯光纤光栅的制作方法，涉及光纤传感器技术领域。所述多芯光纤光栅包括多个纤芯和包层。所述多个纤芯外包裹着所述包层。所述多个纤芯中的目标纤芯设置于所述包层的中心。当所述多芯光纤光栅产生弯曲应变时，每个所述纤芯的波长具有不同的应变响应规律，以测量所述多芯光纤光栅产生弯曲应变的幅度和方向。结构简单。

Description

多芯光纤光栅、光纤传感器及多芯光纤光栅的制作方法
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，具体而言，涉及一种多芯光纤光栅、光纤传感器及多芯光纤光栅的制作方法。
背景技术
光纤传感器具有结构简单、环境耐受性好、抗电磁干扰、可远距离监测等诸多优点，已广泛应用于结构健康状态监测、电力***安全监控、油气资源勘探开采和国防等等很多领域。基于光纤光栅的传感器是最主要的一类光纤传感器，用于测量各种温度、应力、应变等物理量。目前，常规的单芯光纤光栅传感器在制作工艺和工程应用中的研究已非常成熟。但为了消除温度和应变交叉敏感问题，每个传感器往往至少需要两只光纤光栅配合使用，而在较为复杂的结构应变的监测中，则需要更多的传感器来测量多维的结构应变，使得***结构复杂，不便于工程应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多芯光纤光栅、光纤传感器及多芯光纤光栅的制作方法，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种多芯光纤光栅，所述多芯光纤光栅包括多个纤芯和包层。所述多个纤芯外包裹着所述包层。所述多个纤芯中的目标纤芯设置于所述包层的中心。当所述多芯光纤光栅产生弯曲应变时，每个所述纤芯的波长具有不同的应变响应规律，以测量所述多芯光纤光栅产生弯曲应变的幅度和方向。
进一步地，每个所述纤芯具有相同的结构尺寸和材料属性，包括弹光系数、热光系数和热膨胀系数。
进一步地，每个所述纤芯光栅具有相同的波长温度系数。
进一步地，上述多芯光纤光栅为单模光纤制作而成的光栅。
进一步地，上述多个纤芯的个数为大于1。
进一步地，上述多个纤芯为2、3、5或7个纤芯。
进一步地，上述多个纤芯为3个纤芯，所述3个纤芯包括第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯。所述第一纤芯、所述第二纤芯和所述第三纤芯呈一列设置。所述第二纤芯设置于所述包层的中心。
第二方面，本发明实施例提供了一种光纤传感器，包括一个上述的多芯光纤光栅。
第三方面，本发明实施例提供了一种多芯光纤光栅的制作方法，应用于上述的多芯光纤光栅，所述方法包括：由相位掩膜板侧面曝光法对多芯光纤一次曝光制作形成多芯光纤光栅。
进一步地，所述由相位掩膜板侧面曝光法对多芯光纤一次曝光制作形成多芯光纤光栅，包括：将多芯光纤的待曝光区去除涂覆层后，将所述多芯光纤固定在一对光纤调节架上；紫外激光通过相位掩膜板对去除涂覆层后的待曝光区进行一次曝光，在所述多芯光纤中的所有纤芯上形成光纤光栅。
本发明实施例提供了一种多芯光纤光栅、光纤传感器及多芯光纤光栅的制作方法，所述多芯光纤光栅包括多个纤芯和包层。所述多个纤芯外包裹着所述包层。所述多个纤芯中的目标纤芯设置于所述包层的中心。当所述多芯光纤光栅产生弯曲应变时，每个所述纤芯的波长具有不同的应变响应规律，以测量所述多芯光纤光栅产生弯曲应变的幅度和方向。应变传感器结构简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的多芯光纤光栅的横截面结构图；
图2为本发明实施例提供的多芯光纤光栅中包括2个纤芯、3个纤芯、5个纤芯、7个纤芯各自对应的横截面结构图；
图3为本发明实施例提供的多芯光纤光栅中包括3个纤芯的测量弯曲形变示例示意图；
图4为本发明实施例提供的多芯光纤光栅的制作方法对应的刻写***结构示意图。
图中：100-多芯光纤光栅；110-纤芯；110a-目标纤芯；112-第一纤芯；114-第二纤芯；116-第三纤芯；120-包层；200-多芯光纤；200a-待曝光区；210-紫外激光；220-相位掩膜板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参阅图1，本发明实施例提供了一种多芯光纤光栅100，所述多芯光纤光栅100可以包括多个纤芯110和包层120。所述多个纤芯110外包裹着所述包层120。所述多个纤芯110中的目标纤芯110a设置于所述包层120的中心。当所述多芯光纤光栅产生弯曲应变时，每个所述纤芯的波长具有不同的应变响应规律，以测量所述多芯光纤光栅产生弯曲应变的幅度和方向。所述目标纤芯110a为所述多个纤芯110中的任意一个纤芯。
每个所述纤芯110具有相同的波长温度系数。能够消除温度变化对应变测量的影响。进一步地，当所述多芯光纤光栅100产生弯曲应变时，每个所述纤芯110的波长具有不同的应变响应规律，以测量所述多芯光纤光栅100产生弯曲应变的幅度和方向。
进一步地，每个所述纤芯110具有相同的结构尺寸和材料属性。
进一步地，所述多芯光纤光栅100可以为单模光纤制作而成的光栅。
进一步地，请参阅图2，所述多个纤芯的个数为大于1个纤芯。
所述多个纤芯为2、3、5或7个纤芯。
进一步地，请参阅图3，所述多个纤芯110可以为3个纤芯110，所述3个纤芯110可以包括第一纤芯112、第二纤芯114和第三纤芯116。所述第一纤芯112、所述第二纤芯114和所述第三纤芯116呈一列设置。所述第二纤芯114设置于所述包层120的中心。假设光纤弯曲形变方向与3个纤芯排列方向一致，如图3中的上下弯曲方向，当将光纤向上弯曲时，第一纤芯112光栅被压缩，第一纤芯112光栅的波长λa变小，第二纤芯114光栅处于光纤光栅的中性轴线，第二纤芯114光栅的波长λb不变，而第三纤芯116光栅被拉伸，第三纤芯116光栅的波长λc变大；当将光纤向下弯曲，则λa变大，λc变小。即当λa-λb＝Δλab为负值，且λc-λb＝Δλcb为正值时光纤向上弯曲，反之则光纤向上弯曲。各纤芯光栅具有相同的波长温度系数，即使测量过程中温度变化引起了λa、λb和λc的变化，Δλab和Δλcb是不随温度变化的。标定Δλab和Δλcb的数值可以推算出光纤的弯曲幅度。通过测量三芯光栅波长的变化情况，就可以判断光纤的弯曲方向和弯曲程度。而若光纤弯曲形变方向与光纤三芯排列方向不完全一致时，三芯光栅波长变化规律相同，只是变化量与光纤弯曲形变方向和光纤三芯排列方向的夹角有关。同理，当多芯光纤的结构为图2所示的五芯或七芯结构时，刻写光栅后则可测量多维的光纤弯曲形变情况。
本发明实施例提供了一种多芯光纤光栅100，所述多芯光纤光栅100可以包括多个纤芯110和包层120。所述多个纤芯110外包裹着所述包层120。所述多个纤芯110中的目标纤芯110a设置于所述包层120的中心。当所述多芯光纤光栅产生弯曲应变时，每个所述纤芯的波长具有不同的应变响应规律，以测量所述多芯光纤光栅产生弯曲应变的幅度和方向。结构简单。
请参阅图4，本发明实施例提供了一种多芯光纤光栅的制作方法，应用于上述的多芯光纤光栅，所述方法包括：
由相位掩膜板侧面曝光法对多芯光纤一次曝光制作形成多芯光纤光栅。
进一步地，所述由相位掩膜板侧面曝光法对多芯光纤一次曝光制作形成多芯光纤光栅，包括：
将多芯光纤200的待曝光区200a去除涂覆层后，将所述多芯光纤200固定在一对光纤调节架上；
紫外激光210通过相位掩膜板220对去除涂覆层后的待曝光区200a进行一次曝光，在所述多芯光纤200中的所有纤芯上形成光纤光栅。不需要对每个纤芯分别刻写，降低了工艺难度。
本发明实施例提供了一种多芯光纤光栅的制作方法，应用于上述的多芯光纤光栅，所述方法包括：由相位掩膜板侧面曝光法对多芯光纤一次曝光制作形成多芯光纤光栅。以测量所述多芯光纤光栅产生弯曲应变的幅度和方向。结构简单。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的多芯光纤光栅的制作方法的具体工作过程，可以参考前述多芯光纤光栅实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本发明实施例提供了一种光纤传感器，包括一个上述的多芯光纤光栅。能够消除温度变化对应变测量的影响，结构简单。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的光纤传感器的具体工作过程，可以参考前述多芯光纤光栅实施例中的对应过程，在此不再赘述。
综上所述，本发明实施例提供了一种多芯光纤光栅、光纤传感器及多芯光纤光栅的制作方法，所述多芯光纤光栅包括多个纤芯和包层。所述多个纤芯外包裹着所述包层。所述多个纤芯中的目标纤芯设置于所述包层的中心。当所述多芯光纤光栅产生弯曲应变时，每个所述纤芯的波长具有不同的应变响应规律，以测量所述多芯光纤光栅产生弯曲应变的幅度和方向。结构简单。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多芯光纤光栅，其特征在于，所述多芯光纤光栅包括多个纤芯和包层，所述多个纤芯外包裹着所述包层，所述多个纤芯中的目标纤芯设置于所述包层的中心，当所述多芯光纤光栅产生弯曲应变时，每个所述纤芯的波长具有不同的应变响应规律，以测量所述多芯光纤光栅产生弯曲应变的幅度和方向。
2.根据权利要求1所述的多芯光纤光栅，其特征在于，每个所述纤芯具有相同的结构尺寸和材料属性，包括弹光系数、热光系数和热膨胀系数。
3.根据权利要求1所述的多芯光纤光栅，其特征在于，每个所述纤芯具有相同的波长温度系数。
4.根据权利要求1所述的多芯光纤光栅，其特征在于，所述多芯光纤光栅为单模光纤制作而成的光栅。
5.根据权利要求1所述的多芯光纤光栅，其特征在于，所述多个纤芯的个数为大于1个纤芯。
6.根据权利要求5所述的多芯光纤光栅，其特征在于，所述多个纤芯为2、3、5或7个纤芯。
7.根据权利要求6所述的多芯光纤光栅，其特征在于，所述多个纤芯为3个纤芯，所述3个纤芯包括第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯，所述第一纤芯、所述第二纤芯和所述第三纤芯呈一列设置，所述第二纤芯设置于所述包层的中心。
8.一种光纤传感器，其特征在于，包括一个如权利要求1-7任一项所述的多芯光纤光栅。
9.一种多芯光纤光栅的制作方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一项所述的多芯光纤光栅，所述方法包括：
由相位掩膜板侧面曝光法对多芯光纤一次曝光制作形成多芯光纤光栅。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述由相位掩膜板侧面曝光法对多芯光纤一次曝光制作形成多芯光纤光栅，包括：
将多芯光纤的待曝光区去除涂覆层后，将所述多芯光纤固定在一对光纤调节架上；
紫外激光通过相位掩膜板对去除涂覆层后的待曝光区进行一次曝光，在所述多芯光纤中的所有纤芯上形成光纤光栅。
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