CN109990727A - 一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双芯光纤‑光子晶体光纤结构的应变传感器，由放大自发辐射光源，固定台，光纤传感头，移动台和光谱分析仪组成，所述光纤传感头是由双芯光纤和光子晶体光纤级联而成，一端熔接单模光纤通过固定台固定与放大自发辐射光源连接，另一端熔接单模光纤通过移动台固定和光谱分析仪连接形成光通路，通过观察光谱分析仪可得到随应变变化而移动的干涉光谱。该发明具有制作简单、体积小、灵敏度高、条纹可见度好等优点。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器领域，具体涉及一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器。
背景技术
光学传感器因其体积小、分辨率高、抗电磁干扰等独特优点，被广泛应用于温度、折射率、磁场、湿度、应变等传感参数的监测。其中，应变在桥梁和建筑物健康检测中的应用起到了至关重要的作用。尤其是与功能材料相结合的多氯联苯传感技术，目前在传感领域得到了广泛的应用，并引起了人们的广泛关注。对于应变传感器来说，光纤传感器易于实现嵌入式、分布式测量，在建筑结构健康监测、桥梁建设、地质勘探等应用领域中能够发挥更大的作用。
传统上有多种方法可获得结构的应变大小，但大都受到一定条件的制约。利用电阻应变片测量结构的应变，可间接得到结构的变形，但应变片的测量范围有限，在大弯曲变形的测量中受到限制，因为它经过大变形后无法恢复原状，更不适于埋入式测量；并且在测量薄结构时，结构表面的应变很小，用应变片测量就显得比较困难。因此，研究者们提出了基于光纤传感器的测量方法，如Sagnac环、布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅、法布里-珀罗腔、布里渊散射、拉曼散射等方法。目前使用最多的光纤应变传感器，一般是采用光纤光栅、长周期光纤光栅的波长检测技术，这些方法***复杂，造价昂贵，受外界环境(如温度等)的影响较大，会出现交叉敏感的问题。因此，开发一种结构简单、不受环境温度变化影响的高灵敏度光纤应变传感器，具有重要的应用价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出了一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器，该传感器采用双芯光纤-光子晶体光纤结构，使传感器具有机械强度高、融合损失小的优点。
本发明通过以下技术方案实现：一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器，由放大自发辐射光源(1)，固定台(2)，光纤传感头(3)，移动台(4)和光谱分析仪组成(5)；其特征在于：所述光纤传感头(3)是由双芯光纤(7)和光子晶体光纤(8)级联而成，一端熔接单模光纤(6)通过固定台(2)固定与放大自发辐射光源(1)连接，另一端熔接单模光纤(9)通过移动台(4)固定和光谱分析仪(5)连接形成光通路，通过观察光谱分析仪(5)可得到随应变变化而移动的干涉光谱，并用计算机处理、计算和拟合后可以得到应变传感器的应变特性。
所述的双芯光纤(7)包层直径为125微米，中间为双芯结构，双芯的直径分别为2微米和2.5微米，双芯距离光纤中心轴线距离为1微米；双芯中直径为2微米的芯的折射率范围是1.4544-1.4599，直径为2.5微米的芯的折射率范围是1.4540-1.4590，双芯光纤的包层折射率范围为1.4115-1.4539。
所述的光子晶体光纤(8)为由六层气孔组成，芯直径为10.1微米，包层直径为125微米的光纤。
所述的传感头结构是由单模光纤-双芯光纤-光子晶体光纤-单模光纤熔接而成的级联结构，且双芯光纤(7)和光子晶体光纤(8)长度均为45毫米。
所述的光源为C+L波段1528纳米-1602纳米的放大自发辐射光源(1)。
本发明的工作原理是：输入光将在光纤芯和光纤包层中传输，光纤芯和包层中的两条光路会在光纤端部产生干涉。对于马赫曾德耳干涉仪，M阶包层模式的共振波长可以简单地写为：
其中分别是基波模式和M阶包层模式的折射率。λm是共振波长，L是MZI的物理长度。当施加轴向应变时，MZI的长度会增加，通过微分方程可以表示出共振波长的偏移，其公式如下：
可以看出，共振波长漂移是施加应变的线性函数。同时，应变敏感性主要取决于应变的变化Δneff,由MZI的延伸长度诱导，即，此外，应变还将产生拼接接头的物理变形，因此，输出光强度会随着应变的增加而变化。
光波在双芯光纤中传播时，两芯子是同向传输的，每个芯子产生的倏似场会对另一芯子产生影响，传输光的过程中，两个芯子会相互作用，使得芯子之间发生功率交换，即为模式的定向错合，这种定向耦合可以应用到光纤传感领域。下面给出的双芯光纤是两个芯子相互平行且对称的结构。两纤芯之间的距离记为d，两纤芯的截面面积分别记为S1、S2，两纤芯的相对介电常数分别记为ε1、ε2，包层的相对介电常数记为ε3，，其中ε1、ε2、ε3之间满足关系式min(ε1，ε2)>ε3。两纤芯的折射率分别记为n1和n2，包层的折射率记为n3；根据相对介电常数和折射率的关系有ε1＝n12，ε2＝n22，ε3＝n32，则可推出两纤芯与包层的折射率差分别为dn1和dn2。两纤芯的本征模分别表示为E1(r)＝E1(x，y)exp(-iβ1z)和E2(r)＝E2(x，y)exp(-iβ2z).当双芯光纤的两个芯子不对对方造成干扰时，各自的电场为E1(r)和E2(r)。实际使用中两个芯子会产生相互影响，发生耦合。
本发明的有益效果是：针对一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器进行研究，该传感器具有低成本、高灵敏度、抗电磁干扰等优点，该结构是由双芯光纤、光子晶体光纤级联所形成的干涉结构。新型结构比普通结构具有更好的条纹可见度，在0～4000με范围内，其应变灵敏度可达-1.95pm/με。此外，该传感器制作简单，应变测量范围大，生产损耗小，对应变传感器的发展具有一定的吸引力，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。
附图说明
图1是基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器应变测量实验装置示意图。
图2是传感结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器，由放大自发辐射光源(1)，固定台(2)，光纤传感头(3)，移动台(4)和光谱分析仪(5)组成；其特征在于：所述光纤传感头(3)是由双芯光纤(7)和光子晶体光纤(8)级联而成，一端熔接单模光纤(6)通过固定台(2)固定与放大自发辐射光源(1)连接，另一端熔接单模光纤(9)通过移动台(4)固定和光谱分析仪(5)连接形成光通路，通过观察光谱分析仪(5)可得到随应变变化而移动的干涉光谱，并用计算机处理、计算和拟合后可以得到应变传感器的应变特性。
如图2所示，所述的光纤传感头(3)结构是在两个单模光纤之间拼接一段双芯光纤和光子晶体光纤而成。双芯光纤-光子晶体光纤结构MZI分两个阶段固定。一个是固定台，另一个是移动台。同时，将放大自发辐射光源和光谱分析仪连接起来，实时监测传输光谱的变化。当应变从0逐渐增加到4000με时，整个共振波长向较短的波长方向移动。实验结果表明，MZI的应变灵敏度与包层模的共振波长接近，高阶包层模的波长对外加应变更为敏感。新型结构MZI比普通结构具有更好的条纹可见度，在0-4000με范围内，其应变灵敏度可达-1.95pm/με，大于基于锥形PCF和PM-PCF的MZI。此外，该传感器制作简单，应变测量范围大，生产损耗小，对应变传感器的发展具有一定的吸引力。
Claims (1)
1.一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器，由放大自发辐射光源（1），固定台（2），光纤传感头（3），移动台（4）和光谱分析仪（5）组成；其特征在于：所述光纤传感头（3）是由双芯光纤（7）和光子晶体光纤（8）级联而成，所述的双芯光纤（7）包层直径为125微米，中间为双芯结构，双芯的直径分别为2微米和2.5微米，双芯光纤长度为45毫米，双芯距离光纤中心轴线距离为1微米；双芯中直径为2微米的芯的折射率范围是1.4544-1.4599，直径为2.5微米的芯的折射率范围是1.4540-1.4590，双芯光纤的包层折射率范围为1.4115-1.4539；所述的光子晶体光纤（8）为由六层气孔组成，芯直径为10.1微米，包层直径为125微米，长度为45毫米的光纤，传感头一端熔接单模光纤（6）通过固定台（2）固定与放大自发辐射光源（1）连接，另一端熔接单模光纤（9）通过移动台（4）固定和光谱分析仪（5）连接形成光通路，通过观察光谱分析仪（5）可得到随应变变化而移动的干涉光谱，并用计算机处理、计算和拟合后可以得到应变传感器的应变特性。
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