專利名稱：基于同軸光纖的溫度和應(yīng)力雙參量光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于同軸光纖的溫度和應(yīng)力雙參量光纖傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
溫度和應(yīng)力是光纖傳感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最重要的兩個(gè)物理量，在大型橋梁、隧道、 大壩等安全監(jiān)控領(lǐng)域，都必須對(duì)溫度和應(yīng)力這兩個(gè)參量進(jìn)行探測(cè)。然而，由于光纖本身對(duì)溫度和應(yīng)力同時(shí)敏感，即溫度和應(yīng)力會(huì)同時(shí)引起光纖傳感信號(hào)的變化，使得人們無法對(duì)兩者的具體影響加以區(qū)分，這就是交叉敏感問題。交叉敏感問題可以說是光纖傳感技術(shù)的一個(gè)普遍問題，在一定程度上制約了光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用推廣。為了克服交叉敏感問題，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的同時(shí)區(qū)分測(cè)量，人們提出了許多技術(shù)方案，比較常用的方法包括基于兩個(gè)或兩個(gè)以上光纖傳感器組合、或改變光纖本身的某些結(jié)構(gòu)參數(shù)、或采用不同的封裝等等。例如H. J. Patrick 等(H. J. Patrick, G. Μ. Williams, A. D. Kersey, J. P. Pedrazzani, and A. M. Vengsarkar. IEEE Photon. Technol. Lett. , 1996，8 (9) : 1223-1225)提出，將具有不同敏感特性的光纖布拉格光柵與長周期光纖光柵組合實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力雙參量光纖傳感器；LiXiaohong 等(LiXiaohong, WangDexiang, ZhaoFujin, and DaiEnguang. MICRIffAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS, 2004, 43 (6) :478-481)提出對(duì)光纖布拉格光柵進(jìn)行部分腐蝕，從而獲得兩套布拉格反射波長，利用它們對(duì)溫度和應(yīng)力傳感靈敏度的差異實(shí)現(xiàn)雙參量光纖傳感器，從而克服了交叉敏感問題。但是這些技術(shù)方案的不足之處在于制作過程中不可避免的要使用一些復(fù)雜的光纖傳感頭處理技術(shù)，例如特種紫外光寫入、化學(xué)腐蝕、機(jī)械打磨、傳感頭涂覆等工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述溫度和應(yīng)力雙參量同時(shí)測(cè)量光纖傳感技術(shù)的不足，提供了一種基于同軸光纖的溫度和應(yīng)力雙參量光纖傳感器，它具有制造工藝簡單、操作使用方便、測(cè)量穩(wěn)定性高、易于與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)單模光纖熔接等特點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是
制作一種基于同軸光纖的傳感頭，這種傳感頭依次包括單模輸入光纖、第一同軸光纖、 中間單模光纖、第二同軸光纖和單模輸出光纖，其中單模輸入光纖和中間單模光纖依次與第一同軸光纖通過光纖熔接機(jī)熔接構(gòu)成一號(hào)傳感單元；中間單模光纖和單模輸出光纖依次與第二同軸光纖通過光纖熔接機(jī)熔接構(gòu)成二號(hào)傳感單元，它們共同構(gòu)成溫度和應(yīng)力雙參量光纖傳感頭。此前，本發(fā)明人所在的課題組分別研究了基于具有雙包層結(jié)構(gòu)同軸光纖的溫度禾口應(yīng)力傳感特性(Fufei Pang, Wenchao Xiang, Hairun Guo, Na Chen, Xianglong Zeng, Zhenyi Chen, and Tingyun Wang. Optics Express, 2008, 16 (17):12967-12972； Zhang, Jian, Pang, Fufei, Guo, Hairun, Chen, Zhenyi, Wang, Tingyun. Proceedings of the SPIE, 2010, Vol. 7853, pp. 78533U-78533U-6)，通過理論和實(shí)驗(yàn)證明同軸光纖具
3有包層模諧振光譜濾波功能，并且諧振光譜對(duì)溫度和應(yīng)力具有敏感性，這也是本發(fā)明提出的前提和基本依據(jù)。本發(fā)明的工作原理
根據(jù)光纖波導(dǎo)耦合模理論，光在兩個(gè)靠近的光波導(dǎo)中傳輸，當(dāng)傳輸?shù)哪Ｊ綕M足相位匹配條件時(shí)，光波可以以漸逝波形式在兩個(gè)波導(dǎo)之間交換能量。上述同軸光纖的纖芯和外包層之間存在一個(gè)很薄的內(nèi)包層，因此可以把同軸光纖看做兩個(gè)靠近的光波導(dǎo)，分別是柱形光波導(dǎo)和環(huán)形光波導(dǎo)，而且柱形光波導(dǎo)中纖芯模和環(huán)形光波導(dǎo)中的包層模能夠?qū)崿F(xiàn)模式耦合。該傳感頭的工作過程為寬帶光信號(hào)從單模輸入光纖輸入，傳輸?shù)降谝煌S光纖時(shí)，能夠耦合到第一同軸光纖的纖芯內(nèi)，之后通過漸逝波耦合作用，在滿足第一同軸光纖相位匹配條件的波長處，光波被耦合至包層環(huán)形波導(dǎo)中傳輸，不滿足相位匹配的光波仍然在纖芯中傳輸。當(dāng)光波傳輸?shù)街虚g單模光纖時(shí)，其纖芯模式和包層模式分別被激發(fā)，并各自傳輸， 由于中間單模光纖保留部分的涂覆層，涂覆層具有比石英更高的折射率，因此，中間單模光纖中傳輸?shù)陌鼘幽⒈恢饾u泄漏，因此這段具有涂覆層的單模光纖將對(duì)包層模起到模式濾除器的作用，這樣，只有中間單模光纖中的纖芯模式能夠傳輸?shù)降诙S光纖。待纖芯中的光波傳輸?shù)降诙S光纖時(shí)，與前述工作原理類似，傳輸?shù)墓鈱Ⅰ詈线M(jìn)第二同軸光纖的纖芯內(nèi)，在滿足第二同軸光纖相位匹配條件波長處，光波通過漸逝波被耦合至環(huán)形波導(dǎo)中傳輸。最后，第二同軸光纖纖芯中傳輸?shù)幕ｑ詈系捷敵鰡文９饫w的纖芯基模，輸出并探測(cè)。 通過上述的描述可以知道，最后，輸出的光波信號(hào)中，在第一同軸光纖相位匹配波長和第二同軸光纖相位匹配波長處的光波都將被耦合至各自的包層環(huán)形波導(dǎo)中，這兩部分光波能量最終將損耗掉，因此，如果兩個(gè)同軸光纖具有不同的相位匹配波長，輸出光波光譜將呈現(xiàn)為兩個(gè)波谷。由于第一同軸光纖與第二同軸光纖內(nèi)包層材料不同，折射率差亦有差別，這樣， 在實(shí)現(xiàn)不同相位匹配波長的同時(shí)，也可以使得兩個(gè)諧振波谷對(duì)溫度和應(yīng)力傳感具有不同的靈敏度，因此，通過兩個(gè)波谷的相對(duì)移動(dòng)的差異就可以實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力雙參量同時(shí)區(qū)分測(cè)量。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思和工作原理，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種基于同軸光纖的溫度和應(yīng)力雙參量光纖傳感器，包括單模輸入光纖、第一同軸光纖、中間單模光纖、第二同軸光纖和單模輸出光纖依次連接，其特征在于單模輸入光纖、第一同軸光纖和中間單模光纖依次通過光纖熔接機(jī)熔接構(gòu)成具有諧振濾波傳輸光譜的一號(hào)傳感單元；中間單模光纖、第二同軸光纖和單模輸出光纖依次通過光纖熔接機(jī)熔接構(gòu)成具有諧振濾波傳輸光譜的二號(hào)傳感單元。所述一號(hào)傳感單元和二號(hào)傳感單元采用了具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)同軸光纖，使得一號(hào)傳感單元諧振濾波傳輸光譜和二號(hào)傳感單元諧振濾波傳輸光譜具有不同的波長。所述一號(hào)傳感單元諧振波長和二號(hào)傳感單元諧振波長對(duì)溫度和應(yīng)力均具有敏感性，但是，它們對(duì)溫度和應(yīng)力兩個(gè)參量具有不同的傳感靈敏度。所述第一同軸光纖和第二同軸光纖為雙包層結(jié)構(gòu)光纖，或者為三包層結(jié)構(gòu)光纖。與現(xiàn)有的溫度和應(yīng)力雙參量同測(cè)光纖傳感器相比，本發(fā)明具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)
1.傳感頭制備工藝簡單。由于本發(fā)明是基于同軸特種光纖包層模諧振濾波光譜對(duì)溫度和應(yīng)力的傳感特性而提出的，因此，無需涂覆敏感膠，化學(xué)腐蝕等傳感頭處理過程。
2.傳感頭性能一致性好。本發(fā)明所利用的同軸特種光纖可采用改進(jìn)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MCVD)制備，所制備的同軸特種光纖性能和光譜濾波特性穩(wěn)定性強(qiáng)，一致性好，因此， 本發(fā)明所提出的傳感頭參數(shù)將具有良好的一致性和長期穩(wěn)定性。3.與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)單模光纖兼容性好。由于本發(fā)明所利用的同軸光纖與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖具有相同的材料，外徑以及芯徑，只要利用常規(guī)的光纖熔接機(jī)就可以制備雙參量傳感頭，因此，與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖光源和測(cè)試系統(tǒng)具有良好的兼容性。


圖1為本發(fā)明基于同軸光纖的溫度和應(yīng)力雙參量光纖傳感器一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明基于同軸光纖的溫度和應(yīng)力雙參量光纖傳感器另一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施進(jìn)一步說明 實(shí)施例一
參見圖1，本基于同軸光纖的溫度和應(yīng)力雙參量光纖傳感器，包括單模輸入光纖1、第一同軸光纖2、中間單模光纖3、第二同軸光纖4和單模輸出光纖5依次連接，其特征在于單模輸入光纖1、第一同軸光纖2和中間單模光纖3依次通過光纖熔接機(jī)熔接構(gòu)成具有諧振濾波傳輸光譜的一號(hào)傳感單元；中間單模光纖3、第二同軸光纖4和單模輸出光纖5依次通過光纖熔接機(jī)熔接構(gòu)成具有諧振濾波傳輸光譜的二號(hào)傳感單元。實(shí)施例二
參見圖1，本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，具體結(jié)構(gòu)詳述如下。參見圖1，本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)由五部分組成單模輸入光纖1、第一同軸光纖2、 中間單模光纖3、第二同軸光纖4和單模輸出光纖5，其中第一同軸光纖2和第二同軸光纖4具有雙包層結(jié)構(gòu)，第一同軸光纖2中，纖芯6和外包層7的折射率高于內(nèi)包層8 的折射率，第二同軸光纖4中，纖芯9和外包層10的折射率高于內(nèi)包層11的折射率， 雖然，兩個(gè)同軸光纖都具有雙包層結(jié)構(gòu)，但是，它們的內(nèi)包層摻雜材料、內(nèi)包層厚度以及內(nèi)包層的折射率值不同，因此，它們具有不同的包層模諧振濾波光譜波長(分別記為
為和而)。各段光纖可直接利用光纖熔接機(jī)進(jìn)行熔接，分別形成熔接面12、熔接面13、熔接面14和熔接面15。寬帶光信號(hào)16從單模輸入光纖1輸入且在纖芯17中傳輸，傳輸?shù)饺劢用?2時(shí)，信號(hào)光注入到第一同軸光纖2的纖芯6內(nèi)，之后通過光纖漸逝波耦合，在滿足相
位匹配條件波長Λ的光波全部被耦合至外包層7中傳輸，不滿足相位匹配條件波長的光波
將繼續(xù)沿纖芯6傳輸。當(dāng)光信號(hào)傳輸?shù)饺劢用?3時(shí)，纖芯6和外包層7中的光信號(hào)將分別注入到中間單模光纖3的纖芯18和包層19中傳輸，由于中間單模光纖3保留了部分高折射率的涂覆層20，將對(duì)包層19傳輸?shù)哪Ｊ骄哂袚p耗作用，因此，只有纖芯18中傳輸?shù)墓庑盘?hào)才能繼續(xù)傳輸下去。待其傳輸?shù)饺劢用?4時(shí)，與前述工作原理類似，纖芯18中傳輸?shù)墓庑盘?hào)將注入第二同軸光纖4的纖芯9中傳輸，之后通過光纖漸逝波耦合，在滿足相位匹配條件波長冬的光波全部被耦合至外包層10中傳輸，不滿足相位匹配條件波長的光波將繼續(xù)
沿纖芯9傳輸。直到傳輸?shù)饺劢用?5，纖芯9中傳輸?shù)墓獠ㄗ⑷氲絾文］敵龉饫w5的纖芯 21中傳輸，并可以利用光譜儀22進(jìn)行探測(cè)。由于第一同軸光纖2和第二同軸光纖4具有不
同的相位匹配波長Λ和. ，因此，在纖芯21的輸出光波將呈現(xiàn)出兩個(gè)包層模濾波光譜的波
谷。當(dāng)該傳感光纖受到拉應(yīng)力和溫度變化作用時(shí)，我們通過兩個(gè)濾波波谷波長的移動(dòng)，即可獲得溫度和應(yīng)力變化量的傳感信息。實(shí)施例三
參見圖2，本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)由五部分組成單模輸入光纖1、第一同軸光纖2、中間單模光纖3、第二同軸光纖4和單模輸出光纖5，其中第一同軸光纖2和第二同軸光纖4具有三包層結(jié)構(gòu)，第一同軸光纖2中，纖芯6和外包層7的折射率高于第一包層8和第三包層23 的折射率，第二同軸光纖4中，纖芯9和外包層10的折射率高于第一包層11和第三包層M 的折射率，雖然，兩個(gè)同軸光纖都具有三包層結(jié)構(gòu)，但是，它們的第一包層和第二包層摻雜材料、內(nèi)包層厚度以及內(nèi)包層的折射率值不同，因此，它們具有不同的包層模諧振濾波光譜
波長(分別記為Λ和而)。各段光纖可直接利用光纖熔接機(jī)進(jìn)行熔接，分別形成熔接面12、 熔接面13、熔接面14和熔接面15。寬帶光信號(hào)從單模輸入光纖1輸入且在纖芯17中傳輸， 傳輸?shù)饺劢用?2時(shí)，信號(hào)光注入到第一同軸光纖2的纖芯6內(nèi)，之后通過光纖漸逝波耦合，
在滿足相位匹配條件波長4的光波全部被耦合至第二包層7中傳輸，不滿足相位匹配條件
波長的光波將繼續(xù)沿纖芯6傳輸。當(dāng)光信號(hào)傳輸?shù)饺劢用?3時(shí)，纖芯6和外包層7中的光信號(hào)將分別注入到中間單模光纖3的纖芯18和包層19中傳輸，由于中間單模光纖3保留了部分高折射率的涂覆層20，將對(duì)包層19傳輸?shù)哪Ｊ骄哂袚p耗作用，因此，只有纖芯18中傳輸?shù)墓庑盘?hào)才能繼續(xù)傳輸下去。待其傳輸?shù)饺劢用?4時(shí)，與前述工作原理類似，纖芯18 中傳輸?shù)墓庑盘?hào)將注入第二同軸光纖4的纖芯9中傳輸，之后通過光纖漸逝波耦合，在滿足
相位匹配條件波長4的光波全部被耦合至第二包層10中傳輸，不滿足相位匹配條件波長
的光波將繼續(xù)沿纖芯9傳輸。直到傳輸?shù)饺劢用?5，纖芯9中傳輸?shù)墓獠ㄗ⑷氲絾文］敵龉饫w5的纖芯21中傳輸，并可以利用光譜儀進(jìn)行探測(cè)。由于第一同軸光纖2和第二同軸光
纖4具有不同的相位匹配波長Λ和·^，因此，在纖芯21的輸出光波將呈現(xiàn)出兩個(gè)包層模濾
波光譜的波谷。當(dāng)該傳感光纖受到拉應(yīng)力和溫度變化作用時(shí)，我們通過兩個(gè)濾波波谷波長的移動(dòng)，即可獲得溫度和應(yīng)力變化量的傳感信息。從上述的實(shí)施說明中可以看出，該發(fā)明基于同軸光纖的溫度和應(yīng)力雙參量光纖傳感器結(jié)構(gòu)的制備工藝非常簡便，由于采用具有光譜濾波功能的同軸特種光纖作為傳感單元，本發(fā)明的光纖傳感器將具有良好的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種基于同軸光纖的溫度和應(yīng)力雙參量光纖傳感器，包括單模輸入光纖(1)、第一同軸光纖(2)、中間單模光纖(3)、第二同軸光纖(4)和單模輸出光纖(5)依次連接，其特征在于單模輸入光纖(1)、第一同軸光纖(2)和中間單模光纖(3)依次通過光纖熔接機(jī)熔接構(gòu)成具有諧振濾波傳輸光譜的一號(hào)傳感單元；中間單模光纖(3)、第二同軸光纖(4)和單模輸出光纖(5)依次通過光纖熔接機(jī)熔接構(gòu)成具有諧振濾波傳輸光譜的二號(hào)傳感單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于同軸光纖的溫度和應(yīng)力雙參量光纖傳感器，其特征在于所述一號(hào)傳感單元和二號(hào)傳感單元采用了具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)同軸光纖，使得一號(hào)傳感單元諧振濾波傳輸光譜和二號(hào)傳感單元諧振濾波傳輸光譜具有不同的波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的基于同軸光纖的溫度和應(yīng)力雙參量光纖傳感器，其特征在于所述一號(hào)傳感單元諧振波長和二號(hào)傳感單元諧振波長對(duì)溫度和應(yīng)力均具有敏感性，但是，它們對(duì)溫度和應(yīng)力兩個(gè)參量具有不同的傳感靈敏度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于同軸光纖的溫度和應(yīng)力雙參量光纖傳感器，其特征在于所述第一同軸光纖(2)和第二同軸光纖(4)為雙包層結(jié)構(gòu)光纖，或者為三包層結(jié)構(gòu)光纖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于同軸光纖的溫度和應(yīng)力傳感器。它包括單模輸入光纖、第一同軸光纖、中間單模光纖、第二同軸光纖和單模輸出光纖依次連接而構(gòu)成，其中單模輸入光纖、第一同軸光纖和中間單模光纖依次熔接構(gòu)成一號(hào)傳感單元；中間單模光纖、第二同軸光纖和單模輸出光纖依次熔接構(gòu)成二號(hào)傳感單元。由于第一同軸光纖和第二同軸光纖具有不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，一號(hào)傳感單元和二號(hào)傳感單元將具有不同波長的諧振濾波光譜，并且兩諧振光譜將對(duì)溫度和應(yīng)力兩個(gè)參數(shù)具有不同的傳感靈敏度，從而可以實(shí)現(xiàn)雙參量光纖傳感器。本發(fā)明基于同軸光纖的溫度和應(yīng)力雙參量光纖傳感器，具有制備工藝簡單、成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、易于與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖系統(tǒng)集成等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01L1/24GK102261967SQ20111011126
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月3日
發(fā)明者周亭, 龐拂飛, 曹雯馨, 王廷云, 章健, 陳振宜, 齊博 申請(qǐng)人:上海大學(xué)