CN213397117U - 一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器 - Google Patents
一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型是一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器，包括导入单模光纤和导出单模光纤，所述的导入单模光纤的端部与空心光纤微球腔连接，所述的导出单模光纤的端部与单模光纤球连接，所述的空心光纤微球腔与少模光纤一端连接，少模光纤的另一端与单模光纤球连接；空心光纤微球腔用于光束分束；所述的单模光纤球用于光束合束。该种光纤干涉仪传感器只需要简单的电弧放电和熔接就可以简单制成，能够利用不同波谷灵敏度不同的性质可以很好的进行双参数的同时测量，有效的消除由温度所引起的交叉灵敏度问题，从而很好的提高了传感器的测量性能。
Description
技术领域
本实用新型是涉及传感器技术领域，具体的说是一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器。
背景技术
现代社会是一个信息化的社会，传感技术作为信息获取的重要技术在当今社会中有着十分重要的地位，因为不管是用于信息传输的通信技术还是用于信息处理的计算机技术其最初都要有信息的获取才行。光纤传感技术相伴与光通信技术而来由于其独特的传感结构与良好的传感性能使其一出现就受到了广泛的关注。目前光纤传感技术由于传输损耗低、耐腐蚀、测量动态范围大、体积小、抗电磁干扰能力强等优势几乎在各个传感领域都得到了相应的研究和应用，被广泛用于工矿企业、能源环保、国防、航天航空、医药卫生、计量测试等领域。在诸多光纤传感器中，光纤干涉仪传感器根据干涉原理可以灵活设计其结构，尤其各种微小型的光纤干涉仪传感器，引起了科学实验研究以及工业生产等研究领域的重视。
光纤传感技术其主要原理是利用在光纤中传播的光束传输外界待测物理量信号，当光纤传感探头检测到外界物理量的变化时（如：温度、折射率、湿度、横向压力等）光纤内部的光信号会发生相应的变化，即光波信号被外界物理量传感信号调制。然后被调制的光波信号通过光纤传输到光探测器进行探测，并且按需要对光波数据进行处理将外界传感信号从被调制的光波信号提取出来，从而达到传感目的。此外，在各种各样的光纤传感干涉仪器中，光纤Mach-Zehnder干涉仪传感器因具有结构简单紧凑、稳定性好、灵敏度高和应用方便等诸多优点使其受到研究人员的大量关注，发展非常迅速。传统的Mach-Zehnder干涉仪通过光束分束器将一根光纤的光束分到两根光纤中传播，一根为参考光纤另一根是传感光纤，然后通过光纤耦合器将两束光又合并到一根光纤中传播，由于两根光纤的光程不同在合并的光纤中会发生干涉。但是由于传统的Mach-Zehnder干涉仪不稳定很快被全光纤型Mach-Zehnder干涉仪所取代，全光纤型Mach-Zehnder干涉仪是利用纤芯与包层有效折射率不同而形成的一种小型化的透射式干涉仪。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器，该种光纤干涉仪传感器只需要简单的电弧放电和熔接就可以简单制成，能够利用不同波谷灵敏度不同的性质可以很好的进行双参数的同时测量，有效的消除由温度所引起的交叉灵敏度问题，从而很好的提高了传感器的测量性能。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器，其特征在于：包括导入单模光纤和导出单模光纤，所述的导入单模光纤的端部与空心光纤微球腔连接，所述的导出单模光纤的端部与单模光纤球连接，所述的空心光纤微球腔与少模光纤一端连接，少模光纤的另一端与单模光纤球连接；
所述的空心光纤微球腔用于光束分束；所述的单模光纤球用于光束合束。
所述的导入单模光纤的输入端与光源连接，所述的导出单模光纤的输出端与光谱分析仪连接。
所述的空心光纤微球腔由空心光纤电弧放电制成。
所述的单模光纤球由导出单模光纤的端部电弧放电制成。
所述的导入单模光纤和导出单模光纤均采用外径125微米、内径8微米的单模光纤。
所述的制成空心光纤微球腔的空心光纤采用外径150微米、内径75微米的空心光纤。
所述的少模光纤采用外径125微米、内径16.5微米的少模光纤，所述的少模光纤长度为1-2厘米。
所述的少模光纤的端部与单模光纤球、空心光纤微球腔采用熔接的方式连接。
该种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器能够达到的有益效果为：通过将空心光纤与导入单模光纤相融，并切割空心光纤到合适的长度对其末端进行电弧放电形成一个空芯光纤微球腔，用来分割来自导入单模光纤纤芯传输的入射光。将导出单模光纤末端切平进行电弧放电形成的单模光纤球，用来耦合来自少模光纤纤芯和包层中传输的光。将少模光纤熔接在空芯光纤微球腔和单模光纤球之间构成的传感器结构具有制作简单、机械强度大和重复性高等优点。为了解决由温度引起的交叉灵敏度问题，在不采取温度补偿装置的前提下，提出了一种温度和折射率同时测量的方法，这样就可以有效的实现在温度环境下的折射率测量并且还提高了传感器的测量性能和节约了制作成本。
附图说明
图1为本实用新型一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器的结构示意图。
图2为本实用新型一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器中空心光纤微球腔的制造原理示意图。
图3为本实用新型一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器中单模光纤球的制造原理示意图。
图4为本实用新型一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器中传感器温度传感特性实验示意图。
图5为本实用新型一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器中传感器折射率传感特性实验示意图。
图6为本实用新型一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器不同温度下传感器透射光谱图。
图7为本实用新型一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器不同折射率下传感器透射光谱图。
说明书附图说明：1、导入单模光纤；2、空心光纤微球腔；3、少模光纤；4、单模光纤球；5、导出单模光纤。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述。
如图1所示，一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器，其特征在于：包括导入单模光纤1和导出单模光纤5，所述的导入单模光纤1的端部与空心光纤微球腔2连接，所述的导出单模光纤5的端部与单模光纤球4连接，所述的空心光纤微球腔2与少模光纤3一端连接，少模光纤3的另一端与单模光纤球4连接；
所述的空心光纤微球腔2用于光束分束；所述的单模光纤球4用于光束合束。
进一步的导入单模光纤1的输入端与光源连接，所述的导出单模光纤5的输出端与光谱分析仪连接。
进一步的，该种光纤干涉仪传感器用到的单模光纤的外径和内径分别为125微米和8微米；空芯光纤的外径和内径分别为150微米和75微米；少模光纤的内径和外径分别为16.5微米和125微米。该传感器结构制作的具体过程如下所示：首先，如图2所示，将一段单模光纤与空芯光纤相融，在显微镜和微切割刀的帮助下切割空芯光纤留有200微米左右长度，然后将空芯光纤的末端放入熔接机中电弧放电两次在张力的作用下形成空芯光纤微球腔待用，因为空芯光纤中间是中空的所以微球腔里面是空气。其次将一段少模光纤熔接到空芯光纤微球腔的后面同样在微切割刀的帮助下切割大约保留1-2厘米左右。接着是单模光纤球的制作，把单模光纤末端的涂覆层剥掉后切平放入熔接机中末端电弧放电两次就可以形成一个单模光纤球，如图3所示，值得注意的是因为单模光纤中间是有纤芯的所以单模光纤球中间是实心的并不是空气。最后把单模光纤球熔接到少模光纤后就形成了该传感器的结构。图1展示了制作完成后传感器整体结构的示意图。该传感器的制作只需要简单的电弧放电和有顺序的熔接制作简单、重复性高，并且球状结构和微球腔的制作也大大增加了传感器的机械强度。
该种传感器温度传感特性实验装置原理图如图4所示。从光源发出的光经过单模光纤后传入传感器中，传感器的另外一端通过单模光纤接入到光谱分析仪中实时的监测传感器的透射光谱。在温度传感实验中，传感器结构用一个自制的光纤支架固定后放入温度炉中测量温度，温度炉中的温度变化从30℃-120℃每隔10°用光谱仪记录一次谱线。温度炉的精度为0.1℃。
该种传感器折射率传感特性实验装置原理图如图5所示。同样的从光源发出的光经过单模光纤后传入传感器中，传感器的另外一端通过单模光纤接入到光谱分析仪中实时的监测传感器的透射光谱。在折射率传感实验中，传感器结构用一个自制的光纤支架固定后放入一个长方体器皿中测量折射率，折射率匹配液是用水和甘油溶液配比得到的，其折射率的值由阿贝折射仪测得。值得注意的是，每次进行下一次折射率实验之前都需要先把传感器拿出来用蒸馏水清除结构上面残留的折射率液然后吹干后再进行下一个的折射率实验，如此反复。这样做的目的是为了使折射率实验更加的准确减少实验误差。最后，利用不同波谷温度和折射率的灵敏度不同，可以建立一个灵敏度矩阵来达到同时测量温度和折射率双参量测量的目的。这样一来就可以很好的解决由温度引起的交叉灵敏度问题，提高了传感器的测量精度。
基于传感器温度传感特性实验和传感器折射率传感特性实验，其实验结果如图6和图7所示。在图6和图7中均标出了用于同时测量折射率和温度的两个不同波谷：Dip A即1525nm附近和Dip B即1580nm附近。由于不同波谷所涉及的干涉模式不一样，因此其温度和折射率的灵敏度也不一样，利用一个灵敏度矩阵可以很好的进行温度和折射率双参数的同时测量。此外，图6和图7中的干涉谱线随温度和折射率的升高是线性变化的也说明了该传感器性能的优越性。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器，其特征在于：包括导入单模光纤（1）和导出单模光纤（5），所述的导入单模光纤（1）的端部与空心光纤微球腔（2）连接，所述的导出单模光纤（5）的端部与单模光纤球（4）连接，所述的空心光纤微球腔（2）与少模光纤（3）一端连接，少模光纤（3）的另一端与单模光纤球（4）连接；
所述的空心光纤微球腔（2）用于光束分束；所述的单模光纤球（4）用于光束合束。
2.根据权利要求1所述的一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器，其特征在于：所述的导入单模光纤（1）的输入端与光源连接，所述的导出单模光纤（5）的输出端与光谱分析仪连接。
3.根据权利要求1所述的一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器，其特征在于：所述的空心光纤微球腔（2）由空心光纤电弧放电制成。
4.根据权利要求3所述的一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器，其特征在于：所述的单模光纤球（4）由导出单模光纤（5）的端部电弧放电制成。
5.根据权利要求1所述的一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器，其特征在于：所述的导入单模光纤（1）和导出单模光纤（5）均采用外径125微米、内径8微米的单模光纤。
6.根据权利要求5所述的一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器，其特征在于：所述的制成空心光纤微球腔（2）的空心光纤采用外径150微米、内径75微米的空心光纤。
7.根据权利要求6所述的一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器，其特征在于：所述的少模光纤（3）采用外径125微米、内径16.5微米的少模光纤，所述的少模光纤（3）长度为1-2厘米。
8.根据权利要求4所述的一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器，其特征在于：所述的少模光纤（3）的端部与单模光纤球（4）、空心光纤微球腔（2）采用熔接的方式连接。
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| CN202022208288.5U CN213397117U (zh) | 2020-09-30 | 2020-09-30 | 一种双参数同时测量的光纤干涉仪传感器 |
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|---|---|---|---|---|
| CN114111857A (zh) * | 2021-11-16 | 2022-03-01 | 南京信息工程大学 | 一种基于游标效应的光纤fpi级联mi传感装置 |
| CN114894245A (zh) * | 2022-04-18 | 2022-08-12 | 南京信息工程大学 | 一种基于空心光纤的传感器及传感装置 |
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