[发明专利]一种不对称粗锥结构少模光纤应变传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种光纤应变传感器。

背景技术

光纤传感器与其他传感器相比具有体积小、重量轻、灵敏度高、不受电磁干扰、耐腐蚀等特点，使得光纤传感器应用范围极广，几乎涉及了国防以及国民经济所有领域和人们的日常生活。

应变指物体由于外因或内在缺陷，其体积或形状所发生的变化。在工业、材料、航空等领域中，应变的准确检测具有举足轻重的作用。目前比较常见的光纤应变传感器主要有级联型、光纤光栅型、萨格奈克干涉型等。如童峥嵘等提出了一种基于多模-单模-多模(Multimode-single mode-multimode，MSM)结构与光纤布拉格光栅(Fiberbragg grating,FBG)级联同时测量温度和应变的传感器，实验结果表明，在0～650με应变范围内，MSM结构干涉谱和FBG的应变灵敏度分别为-0.0013nm/με和0.0012nm/με；邵敏等在保偏光纤Sagnac环内接入一个长周期光纤光栅(LPFG)，利用LPFG对保偏光纤Sagnac环的透射光谱进行调制，发现波长随保偏光纤的应变变化，强度随LPFG的应变变化，因此可以探测应变施加的位置，灵敏度分别为0.01572nm/με和0.005283δΒ/με；Khurram Naeem等提出了一种基于不对称双芯光子晶体光纤的全光纤Sagnac多参量传感器，轴向应变灵敏度为-1.91×10^-4rad/με；王栋远等在马赫-增德干涉仪中熔接一段布拉格光纤光栅，其中马赫-曾德尔干涉仪由两个花生型结构单模光纤熔接而成，实验中测得马赫-曾德尔干涉仪对曲率的灵敏度为-27.58nm/m^-1，光纤布拉格光栅在特定测量范围内对曲率的变化不敏感；Xiaoyong zhong等提出了一种长周期光纤光栅应变传感器，利用二氧化碳激光器在长周期光纤光栅中充入周期性的空气孔达到提高灵敏度的目的，得出的应变灵敏度为-5.62pm/με。以上文献对传感器的应变响应特性进行了深入且有意义的研究，但是，测量的灵敏度普遍不高，而且大部分只能从横向或纵向上测量应变，不能全面地反映施加在传感器上的力的情况。

发明内容

本发明目的在于提供一种结构紧凑、制备简单、灵敏度高的不对称粗锥结构少模光纤应变传感器。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明主要包括宽带光源、传感单元和光谱仪，所述传感单元的一端通过导入单模光纤与宽带光源连接，传感单元的另一端通过导出单模光纤与光谱仪连接。

进一步的，所述传感单元包括入射单模光纤、少模光纤和出射单模光纤；所述入射单模光纤由单模光纤包层和单模光纤纤芯组成，单模光纤包层包裹在单模光纤纤芯表面；所述少模光纤由少模光纤包层和少模光纤纤芯组成，少模光纤包层包裹在少模光纤纤芯表面；所述出射单模光纤也由单模光纤包层和单模光纤纤芯组成，出射单模光纤的单模光纤包层包裹在单模光纤纤芯表面；入射单模光纤的单模光纤纤芯一端与导入单模光纤相连，导入单模光纤另一端连接宽带光源，入射单模光纤的单模光纤纤芯另一端与少模光纤纤芯一端进行腰椎放大熔接形成小粗锥结构纤芯，在小粗锥结构纤芯表面包裹小粗锥结构包层；少模光纤纤芯的另一端与出射单模光纤的单模光纤纤芯一端进行腰椎放大熔接形成大粗锥结构纤芯，在大粗锥结构纤芯表面包裹大粗锥结构包层，且大粗锥结构纤芯的直径大于小粗锥结构纤芯的直径，大粗锥结构包层的直径大于小粗锥结构包层的直径；出射单模光纤的单模光纤纤芯另一端与导出单模光纤连接，导出单模光纤另一端连接光谱仪。

进一步的，所述入射单模光纤和出射单模光纤的单模光纤纤芯直径均为9μm、包层直径均为125μm；少模光纤的长度为59mm，少模光纤纤芯直径为20μm、少模光纤包层直径125μm。

工作过程大致如下：

两个大小不同的粗锥起到光纤耦合器的作用，粗锥之间的少模光纤起到传感臂的作用。光从入射单模光纤进入，通过第一个粗锥结构时，一部分光进入少模光纤的纤芯以基模传输，一部分进入到少模光纤的包层，激发包层中的高阶模式传输；在经过第二个粗锥结构时，少模光纤纤芯中传输的基模和包层中传输的高阶模重新耦合至出射单模光纤的纤芯。由于基模和高阶模的折射率不同，光经过一定长度的少模光纤时会产生相应的光程差，产生干涉，形成马赫-曾德尔干涉仪。

发生干涉的两模式在光纤中的传播满足双光束干涉原理，两光束干涉后的光强和干涉前的光强存在如下关系：