CN115077582A - 一种光纤传感器及其控制方法、制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤传感器及其控制方法、制备方法，提出了F‑P腔和谐振反射波导混合结构。将SMF和HCST置于光纤熔接机中，放电使SMF与HCST熔接。在显微镜的帮助下，切取合适的HCST长度，将HCST断面置于光纤熔接机中央，设置合适的光纤熔接机放电参数，放电使部分HCST形成空气球。能够同时测量高温和横向压力。通过在光纤传感***中引入新结构，使HCST同时作为F‑P空气腔和谐振反射波导。由于谐振反射波导结构的存在，提高了单独测量高温的灵敏度。且由于空气泡结构在横向压力作用下易于发生形变，因此本传感器可以用作高温、横向压力双参数同时测量。由于本发明传感器仅用到SMF和HCST且结构简单，因此不仅使得本发明性能稳定而且还大大降低了传感器的成本。

Description

一种光纤传感器及其控制方法、制备方法
技术领域
本发明涉及一种光纤传感器及其控制方法、制备方法，属于光纤传感技术领域。
背景技术
近年来,随着传感技术的飞速发展,光纤传感器以其体积小、重量轻、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优异的特性倍受青睐,可用于高温高压、强电磁场、强腐蚀等恶劣环境中的探测。近年来在高温的测量中，对高温的测量大多如LTCC光纤F-P高温压力传感器、蓝宝石光纤高温传感器、原位电镀的F-P光纤高温传感器等，使用了如LTCC光纤、蓝宝石光纤等特殊光纤，特殊光纤的使用不仅增加了传感器的成本，还使得传感器结构制作工艺变得复杂。虽然已有报道采用飞秒激光或离子束刻蚀的方法制作了光纤布拉格光栅(FBG)能在较高温度下工作，但是其不但制作成本高且FBG的温度灵敏度一般小于15pm/℃。横向压力的测量对结构健康监测起着重要作用。在目前报道的光纤横向压力传感器中，光纤布FBG传感器在横向压力传感中占主导地位，但是它们由于用到昂贵的高能量激光器，如准分子激光器或飞秒激光器，使其造价昂贵。目前对高温以及横向压力同时测量的光纤传感技术鲜有报道。
发明内容
本发明提供了一种光纤传感器及其控制方法、制备方法，解决了背景技术中披露的问题，能够同时测量高温、横向压力。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种光纤传感器，包括：单模光纤和空芯硅管，所述单模光纤连接空芯硅管，所述空芯硅管内设F-P腔，所述F-P腔一端为柱形空腔，另一端为球形空腔，所述柱形空腔的一端连接单模光纤，另一端连通所述球形空腔；其中柱形空腔的连接单模光纤的一端为光被面M1，球形空腔远离柱形空腔的一端为光被面M2，所述柱形空腔的外侧为外墙M3，内侧为内墙M4。
进一步地，所述柱形空腔的长度为L1＝800μm。
进一步地，所述球形空腔的截面为椭圆，所述椭圆的长轴为L3＝200μm，短轴为L2＝100μm。
相应地，一种光纤传感器的控制方法，
光束沿着光纤传感器轴向方向，光被面M1和光被面M2反射形成F-P干涉仪，F-P干涉仪的干涉强度为：
Figure BDA0003688322180000021
Figure BDA0003688322180000022
其中I1和I2分别是M1和M2反射光的光强；λ是真空中的波长；L4＝L1+L2是F-P干涉仪的长度；nair是空气的折射率；
Figure BDA0003688322180000023
是两反射光的相位差；
当相位差满足条件
Figure BDA0003688322180000024
即
Figure BDA0003688322180000025
出现干涉波谷；其中m为整数，λm为第m级干涉条纹的波长；
基于干涉波谷波长偏移的高温灵敏度表示为：
Figure BDA0003688322180000026
其中
Figure BDA0003688322180000027
是空气的热光系数，
Figure BDA0003688322180000028
是硅材料热膨胀系数。
进一步地，
光束沿着径向方向，光束被外墙M3和内墙M4反射同样形成F-P干涉仪，空芯硅管的侧墙看作硅腔，在中心共振波长处，大部分光从侧墙通过，导致透射光谱中出现了急剧的周期性下降，当光的波长逐渐偏离中心共振波长，光束被限制在空芯硅管中，光损耗逐渐减小，当传播波长远离共振波长，光束被内部反射并限制在空芯硅管内作为引导核心模式；空芯硅管起到了谐振反射光波导的作用，第m′谐振波长λm′表示为：
Figure BDA0003688322180000031
其中d是空芯硅管的侧墙厚度，n1是空芯硅管的折射率；
基于谐振波长偏移的高温灵敏度表示为：
Figure BDA0003688322180000032
其中
Figure BDA0003688322180000033
是硅的热光系数。
进一步地，
当横向压力作用于球形空腔上时，会改变L2的长度，从而导致F-P干涉波谷波长的偏移，通过追踪F-P干涉波谷波长的偏移得到横向压力的变化；
假设横向压力和高温的变化值为△N和△T，则F-P腔波谷dip1和波谷dip2的波长漂移分别可以表示为：
△λdip1＝kN1△N+kT1△T
△λdip2＝kN2△N+kT2△T(7)
其中kN1和kN2分别是传感器在波谷dip1和波谷dip2的横向压力灵敏度，kT1和kT2分别是传感器在波谷dip1和波谷dip2的高温灵敏度；
同时测量横向压力和高温由方程(7)得到，表示为：
Figure BDA0003688322180000034
相应地，一种光纤传感器的制备方法；
将剥去涂覆层的单模光纤和空芯硅管分别放入光纤熔接机中，并固定；
切取一段空芯硅管，将切断后的空芯硅管断面置于光纤熔接机中，移动光纤熔接机马达使断面置于光纤熔接机面板中央，设置光纤熔接机放电参数，放电使部分空芯硅管内部形成F-P腔，所述F-P腔一端为柱形空腔，另一端为球形空腔。
进一步地，空芯硅管切取的长度为1000μm。
相应地，一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述控制方法中的任一方法。
相应地，一种计算设备，包括：
一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述控制中方法的任一方法的指令。
本发明所达到的有益效果：本发明的光纤传感器能够同时测量高温和横向压力。通过在光纤传感***中引入新结构，使空芯硅管同时作为空气F-P腔和谐振反射波导。由于谐振反射波导结构的存在，提高了单独测量高温的灵敏度。且由于空气泡结构在横向压力作用下易于发生形变，因此本传感器可以用作高温、横向压力双参数同时测量。由于本发明传感器仅用到单模光纤和空芯硅管且结构简单，因此不仅使得本发明性能稳定而且还降低了传感器的成本。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明横向压力传感实验示意图；
图3为本发明高温传感实验示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一种光纤传感器，包括：SMF(单模光纤)、HCST(空芯硅管)，所述SMF连接HCST，所述HCST内设F-P腔，所述F-P腔一端为柱形空腔，另一端为球形空腔，所述柱形空腔的一端连接SMF，另一端连通所述球形空腔；其中柱形空腔的连接SMF的一端为光被面M1，球形空腔远离柱形空腔的一端为光被面M2，所述柱形空腔的外侧为外墙M3，内侧为内墙M4。所述柱形空腔的长度为L1＝800μm。所述球形空腔的截面为椭圆，所述椭圆的长轴为L3＝200μm，短轴为L2＝100μm。
本发明的一种光纤传感器的控制方法，
光束沿着光纤传感器轴向方向，光被面M1和光被面M2反射形成F-P干涉仪，F-P干涉仪的干涉强度为：
Figure BDA0003688322180000051
Figure BDA0003688322180000052
其中I1和I2分别是M1和M2反射光的光强；λ是真空中的波长；L4＝L1+L2是F-P干涉仪的长度；nair是空气的折射率；
Figure BDA0003688322180000053
是两反射光的相位差；
当相位差满足条件
Figure BDA0003688322180000054
即
Figure BDA0003688322180000055
出现干涉波谷；其中m为整数，λm为第m级干涉条纹的波长；
基于干涉波谷波长偏移的高温灵敏度表示为：
Figure BDA0003688322180000056
其中
Figure BDA0003688322180000057
是空气的热光系数(在0.1MPa，25℃，空气的热光系数为–2.2×10-9/℃)，
Figure BDA0003688322180000058
是硅材料热膨胀系数(5.5×10-7/℃)。与硅材料热膨胀系数相比，空气的热光系数可以忽略。
同时，光束沿着径向方向，当光束到达HCST的侧墙，光束被外墙M3和内墙M4反射也可以形成F-P干涉，HCST的侧墙可以被看作硅腔。在中心共振波长处，大部分光从侧壁通过，导致透射光谱中出现了急剧的周期性下降。当光的波长逐渐偏离中心共振波长，更多的光被限制在HCST中，光损耗逐渐减小。当传播波长远离共振波长，光被内部反射并限制在HCST内作为引导核心模式。因此，HCST也起到了谐振反射光波导的作用。第m′谐振波长λm′可以表示为：
Figure BDA0003688322180000061
其中d是空芯硅管的侧墙厚度，n1是空芯硅管的折射率；
基于谐振波长偏移的高温灵敏度表示为：
Figure BDA0003688322180000062
其中
Figure BDA0003688322180000063
是硅的热光系数(1.1×10-5/℃)。
通过比较式(4)和(6)，谐振波长对高温的变化比F-P对高温的变化更为敏感，因为硅的热光系数远大于它的热膨胀系数。而且由于存在项
Figure BDA0003688322180000064
谐振反射光波导的高温灵敏度是传统F-P硅腔
Figure BDA0003688322180000065
的两倍。因此这种传感器可以提高高温灵敏度。
当横向压力作用于球形空腔上时，会改变L2的长度，从而导致F-P干涉波谷波长的偏移，通过追踪F-P干涉波谷波长的偏移得到横向压力的变化；
假设横向压力和高温的变化值为△N和△T，则F-P腔波谷dip1和波谷dip2的波长漂移分别可以表示为：
△λdip1＝kN1△N+kT1△T
△λdip2＝kN2△N+kT2△T(7)
其中kN1和kN2分别是传感器在波谷dip1和波谷dip2的横向压力灵敏度，kT1和kT2分别是传感器在波谷dip1和波谷dip2的高温灵敏度；
同时测量横向压力和高温由方程(7)得到，表示为：
Figure BDA0003688322180000071
当此传感器单独用于高温测量时，由于谐振反射光波导机理，高温灵敏度是传统F-P硅腔的两倍。
本发明的一种光纤传感器的制备方法：首先用光纤钳将SMF和HCST(内径50μm、外径125μm)涂覆层剥去，长度各1.5cm左右，用棉花蘸取酒精擦拭干净，然后将剥去涂覆层的SMF和HCST分别放入光纤熔接机中，关闭夹具，使SMF和HCST不会松动。设置光纤熔接机放电参数，放电使SMF和HCST熔接。打开夹具，在光学移动平台的帮助下移动HCST，切取HCST长度1000μm。将切断后的HCST断面置于光纤熔接机中，移动光纤熔接机马达使断面置于光纤熔接机面板中央，设置光纤熔接机放电参数，放电使部分HCST形成空气球。
如图2所示，本发明的光纤传感器横向压力传感实验，在横向压力传感实验中，耦合器(3dB coupler)的输入与输出两端分别连接光源(BBS)和光谱分析仪(OSA)，另一端连接到传感探头。将传感探头固定于两玻璃片间，向玻璃片上施加横向压力。0N时记录初始反射谱线，横向压力从0N增加到3N时，步长为0.5N，共记录7次。
如图3所示，本发明的光纤传感器高温传感实验，在高温传感实验中，耦合器(3dBcoupler)的输入与输出两端分别连接光源(BBS)和光谱分析仪(OSA)，另一端连接到传感探头。将传感探头用玻璃片固定好后放入加热炉(Heating oven)中。通过调节加热炉的高温来记录传感器对高温的响应，50℃时记录初始反射谱线，100℃每隔100℃记录一次，从50℃到700℃，共记录8次。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行一种光纤传感器的控制方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行一种光纤传感器的控制方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤传感器，其特征在于，包括：单模光纤和空芯硅管，所述单模光纤连接空芯硅管，所述空芯硅管内设F-P腔，所述F-P腔一端为柱形空腔，另一端为球形空腔，所述柱形空腔的一端连接单模光纤，另一端连通所述球形空腔；其中柱形空腔的连接单模光纤的一端为光被面M1，球形空腔远离柱形空腔的一端为光被面M2，所述柱形空腔的外侧为外墙M3，内侧为内墙M4。
2.根据权利要求1所述的一种光纤传感器，其特征在于，所述柱形空腔的长度为L1＝800μm。
3.根据权利要求2所述的一种光纤传感器，其特征在于，所述球形空腔的截面为椭圆，所述椭圆的长轴为L3＝200μm，短轴为L2＝100μm。
4.根据权利要求3所述的一种光纤传感器的控制方法，其特征在于，
光束沿着光纤传感器轴向方向，光被面M1和光被面M2反射形成F-P干涉仪，F-P干涉仪的干涉强度为：
Figure FDA0003688322170000011
Figure FDA0003688322170000012
其中I1和I2分别是M1和M2反射光的光强；λ是真空中的波长；L4＝L1+L2是F-P干涉仪的长度；nair是空气的折射率；
Figure FDA0003688322170000013
是两反射光的相位差；
当相位差满足条件
Figure FDA0003688322170000014
即
Figure FDA0003688322170000015
出现干涉波谷；其中m为整数，λm为第m级干涉条纹的波长；
基于干涉波谷波长偏移的高温灵敏度表示为：
Figure FDA0003688322170000016
其中
Figure FDA0003688322170000017
是空气的热光系数，
Figure FDA0003688322170000018
是硅材料热膨胀系数。
5.根据权利要求4所述的一种光纤传感器的控制方法，其特征在于，
光束沿着径向方向，光束被外墙M3和内墙M4反射同样形成F-P干涉仪，空芯硅管的侧墙看作硅腔，在中心共振波长处，大部分光从侧墙通过，导致透射光谱中出现了急剧的周期性下降，当光的波长逐渐偏离中心共振波长，光束被限制在空芯硅管中，光损耗逐渐减小，当传播波长远离共振波长，光束被内部反射并限制在空芯硅管内作为引导核心模式；空芯硅管起到了谐振反射光波导的作用，第m′谐振波长λm′表示为：
Figure FDA0003688322170000021
其中d是空芯硅管的侧墙厚度，n1是空芯硅管的折射率；
基于谐振波长偏移的高温灵敏度表示为：
Figure FDA0003688322170000022
其中
Figure FDA0003688322170000023
是硅的热光系数。
6.根据权利要求5所述的一种光纤传感器的控制方法，其特征在于，
当横向压力作用于球形空腔上时，会改变L2的长度，从而导致F-P干涉波谷波长的偏移，通过追踪F-P干涉波谷波长的偏移得到横向压力的变化；
假设横向压力和高温的变化值为△N和△T，则F-P腔波谷dip1和波谷dip2的波长漂移分别可以表示为：
△λdip1＝kN1△N+kT1△T
△λdip2＝kN2△N+kT2△T (7)
其中kN1和kN2分别是传感器在波谷dip1和波谷dip2的横向压力灵敏度，kT1和kT2分别是传感器在波谷dip1和波谷dip2的高温灵敏度；
同时测量横向压力和高温由方程(7)得到，表示为：
Figure FDA0003688322170000024
7.一种光纤传感器的制备方法，其特征在于；
将剥去涂覆层的单模光纤和空芯硅管分别放入光纤熔接机中，并固定；
切取一段空芯硅管，将切断后的空芯硅管断面置于光纤熔接机中，移动光纤熔接机马达使断面置于光纤熔接机面板中央，设置光纤熔接机放电参数，放电使部分空芯硅管内部形成F-P腔，所述F-P腔一端为柱形空腔，另一端为球形空腔。
8.根据权利要求7所述的一种光纤传感器的制备方法，其特征在于，空芯硅管切取的长度为1000μm。
9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求4至6所述的方法中的任一方法。
10.一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求4至6所述的方法中的任一方法的指令。
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