本發(fā)明涉及光纖技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖應(yīng)變傳感器。

背景技術(shù)：

光纖傳感器與其他傳感器相比具有體積小、重量輕、靈敏度高、不受電磁干擾、耐腐蝕等特點(diǎn)，使得光纖傳感器應(yīng)用范圍極廣，幾乎涉及了國防以及國民經(jīng)濟(jì)所有領(lǐng)域和人們的日常生活。

應(yīng)變指物體由于外因或內(nèi)在缺陷，其體積或形狀所發(fā)生的變化。在工業(yè)、材料、航空等領(lǐng)域中，應(yīng)變的準(zhǔn)確檢測具有舉足輕重的作用。目前比較常見的光纖應(yīng)變傳感器主要有級聯(lián)型、光纖光柵型、薩格奈克干涉型等。如童崢嶸等提出了一種基于多模-單模-多模(multimode-singlemode-multimode，msm)結(jié)構(gòu)與光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)級聯(lián)同時(shí)測量溫度和應(yīng)變的傳感器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0～650με應(yīng)變范圍內(nèi)，msm結(jié)構(gòu)干涉譜和fbg的應(yīng)變靈敏度分別為-0.0013nm/με和0.0012nm/με；邵敏等在保偏光纖sagnac環(huán)內(nèi)接入一個(gè)長周期光纖光柵(lpfg)，利用lpfg對保偏光纖sagnac環(huán)的透射光譜進(jìn)行調(diào)制，發(fā)現(xiàn)波長隨保偏光纖的應(yīng)變變化，強(qiáng)度隨lpfg的應(yīng)變變化，因此可以探測應(yīng)變施加的位置，靈敏度分別為0.01572nm/με和0.005283δβ/με；khurramnaeem等提出了一種基于不對稱雙芯光子晶體光纖的全光纖sagnac多參量傳感器，軸向應(yīng)變靈敏度為-1.91×10^-4rad/με；王棟遠(yuǎn)等在馬赫-增德干涉儀中熔接一段布拉格光纖光柵，其中馬赫-曾德爾干涉儀由兩個(gè)花生型結(jié)構(gòu)單模光纖熔接而成，實(shí)驗(yàn)中測得馬赫-曾德爾干涉儀對曲率的靈敏度為-27.58nm/m^-1，光纖布拉格光柵在特定測量范圍內(nèi)對曲率的變化不敏感；xiaoyongzhong等提出了一種長周期光纖光柵應(yīng)變傳感器，利用二氧化碳激光器在長周期光纖光柵中充入周期性的空氣孔達(dá)到提高靈敏度的目的，得出的應(yīng)變靈敏度為-5.62pm/με。以上文獻(xiàn)對傳感器的應(yīng)變響應(yīng)特性進(jìn)行了深入且有意義的研究，但是，測量的靈敏度普遍不高，而且大部分只能從橫向或縱向上測量應(yīng)變，不能全面地反映施加在傳感器上的力的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、制備簡單、靈敏度高的不對稱粗錐結(jié)構(gòu)少模光纖應(yīng)變傳感器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案：本發(fā)明主要包括寬帶光源、傳感單元和光譜儀，所述傳感單元的一端通過導(dǎo)入單模光纖與寬帶光源連接，傳感單元的另一端通過導(dǎo)出單模光纖與光譜儀連接。

進(jìn)一步的，所述傳感單元包括入射單模光纖、少模光纖和出射單模光纖；所述入射單模光纖由單模光纖包層和單模光纖纖芯組成，單模光纖包層包裹在單模光纖纖芯表面；所述少模光纖由少模光纖包層和少模光纖纖芯組成，少模光纖包層包裹在少模光纖纖芯表面；所述出射單模光纖也由單模光纖包層和單模光纖纖芯組成，出射單模光纖的單模光纖包層包裹在單模光纖纖芯表面；入射單模光纖的單模光纖纖芯一端與導(dǎo)入單模光纖相連，導(dǎo)入單模光纖另一端連接寬帶光源，入射單模光纖的單模光纖纖芯另一端與少模光纖纖芯一端進(jìn)行腰椎放大熔接形成小粗錐結(jié)構(gòu)纖芯，在小粗錐結(jié)構(gòu)纖芯表面包裹小粗錐結(jié)構(gòu)包層；少模光纖纖芯的另一端與出射單模光纖的單模光纖纖芯一端進(jìn)行腰椎放大熔接形成大粗錐結(jié)構(gòu)纖芯，在大粗錐結(jié)構(gòu)纖芯表面包裹大粗錐結(jié)構(gòu)包層，且大粗錐結(jié)構(gòu)纖芯的直徑大于小粗錐結(jié)構(gòu)纖芯的直徑，大粗錐結(jié)構(gòu)包層的直徑大于小粗錐結(jié)構(gòu)包層的直徑；出射單模光纖的單模光纖纖芯另一端與導(dǎo)出單模光纖連接，導(dǎo)出單模光纖另一端連接光譜儀。

進(jìn)一步的，所述入射單模光纖和出射單模光纖的單模光纖纖芯直徑均為9μm、包層直徑均為125μm；少模光纖的長度為59mm，少模光纖纖芯直徑為20μm、少模光纖包層直徑125μm。

工作過程大致如下：

兩個(gè)大小不同的粗錐起到光纖耦合器的作用，粗錐之間的少模光纖起到傳感臂的作用。光從入射單模光纖進(jìn)入，通過第一個(gè)粗錐結(jié)構(gòu)時(shí)，一部分光進(jìn)入少模光纖的纖芯以基模傳輸，一部分進(jìn)入到少模光纖的包層，激發(fā)包層中的高階模式傳輸；在經(jīng)過第二個(gè)粗錐結(jié)構(gòu)時(shí)，少模光纖纖芯中傳輸?shù)幕：桶鼘又袀鬏數(shù)母唠A模重新耦合至出射單模光纖的纖芯。由于基模和高階模的折射率不同，光經(jīng)過一定長度的少模光纖時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光程差，產(chǎn)生干涉，形成馬赫-曾德爾干涉儀。

發(fā)生干涉的兩模式在光纖中的傳播滿足雙光束干涉原理，兩光束干涉后的光強(qiáng)和干涉前的光強(qiáng)存在如下關(guān)系：

式中i為干涉后的總光強(qiáng)。i1和i2分別為通過少模光纖的基模和高階模的光強(qiáng)，為基模和包層模式的相位差。的表達(dá)式為：

式中，δneff為纖芯基模和包層模之間有效折射率的差值。由于纖芯和包層的材料不同，當(dāng)外界應(yīng)變變化時(shí)，有效折射率的變化不同，由此導(dǎo)致光程差的變化，進(jìn)而導(dǎo)致干涉后光強(qiáng)的變化。因此，通過檢測光強(qiáng)的變化，就可實(shí)現(xiàn)曲率的測量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、結(jié)構(gòu)緊湊、制備簡單，只需將一段少模光纖無錯(cuò)位腰椎放大熔接在兩段單模光纖之間即可。

2、既可測橫向的拉力，又可測縱向的曲率，更全面地反映光纖外部的受力情況。

3、利用纖芯中不同模式之間的干涉，基于馬赫-曾德爾干涉原理實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境信息的檢測，靈敏度高，有著很廣闊的應(yīng)用前景，在光纖傳感方面有巨大的應(yīng)用潛力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的示意簡圖。

圖2為本發(fā)明傳感單元的結(jié)構(gòu)示意簡圖。

圖3為本發(fā)明傳感單元的傳輸光譜圖。

圖4為本發(fā)明在不同拉力下的傳輸光譜圖。

圖5為本發(fā)明在144.93με～1014.51με拉力范圍內(nèi)傳輸譜線與拉力變化之間的關(guān)系圖。

圖6為本發(fā)明傳感器測量曲率實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

圖7為本發(fā)明在不同曲率下的傳輸光譜圖。

圖8為本發(fā)明在0m^-1～0.42m^-1曲率范圍內(nèi)傳輸譜線與曲率變化之間的關(guān)系圖。附圖標(biāo)號(hào)：1-寬帶光源、2-傳感單元、3-光譜儀、4-導(dǎo)出單模光纖、5-實(shí)驗(yàn)平臺(tái)固定端、6-實(shí)驗(yàn)平臺(tái)移動(dòng)端、7-導(dǎo)入單模光纖、8-入射單模光纖、9-入射單模光纖與少模光纖形成的粗錐、10-少模光纖、11-出射單模光纖與少模光纖形成的粗錐、12-出射單模光纖、13-單模光纖包層、14-單模光纖纖芯、15-大粗錐結(jié)構(gòu)包層、16-大粗錐結(jié)構(gòu)纖芯、17-少模光纖包層、18-少模光纖纖芯、19-小粗錐結(jié)構(gòu)包層、20-小粗錐結(jié)構(gòu)纖芯、21-曲率實(shí)驗(yàn)裝置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

如圖1所示，傳感單元2的一端通過導(dǎo)入單模光纖7與寬帶光源1連接，該傳感單元2的另一端通過導(dǎo)出單模光纖4與光譜儀3連接，傳感單元2設(shè)在拉力實(shí)驗(yàn)平上，拉力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括實(shí)驗(yàn)平臺(tái)固定端5和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)移動(dòng)端6，實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)5的位置來調(diào)整光纖所受拉力，從光譜儀3記錄對應(yīng)拉力下的傳輸光譜，如圖4所示。

如圖2所示，所述傳感單元2包括入射單模光纖8、少模光纖10和出射單模光纖12，入射單模光纖8的一端與光源1連接，入射單模光纖8的另一端與少模光纖10連接，并在熔接點(diǎn)放電6次，形成小粗錐結(jié)構(gòu)9，少模光纖另一端與出射單模光纖12的一端無錯(cuò)位熔接，同樣在熔接點(diǎn)處增加熔接的放電次數(shù)，放電8次，形成大粗錐結(jié)構(gòu)11。出射單模光纖12的另一端與光譜儀3連接，所述入射和出射的單模光纖的纖芯直徑為9μm，包層直徑125μm；少模光纖的長度為59mm、纖芯直徑為20μm、包層直徑125μm。

在傳感器制備的過程中，采用古河fitels178型光纖熔接機(jī)，波長范圍為1520-1610nm的ase3700型寬帶光源以及aq6375型光學(xué)光譜儀。在切割光纖時(shí)，盡量保證光纖端面的平整度和潔凈度，并采用手動(dòng)熔接的方式進(jìn)行fmf與smf之間的熔接，由于熔接機(jī)采用的是推進(jìn)熔接的方式，故在光纖對準(zhǔn)時(shí)，要將兩段光纖留有一定空隙以保證光纖熔接端面的切合度和平整度。進(jìn)行多次放電操作時(shí)注意不要電流過大使粗錐結(jié)構(gòu)出現(xiàn)向上或向下整體彎曲的情況，因此將熔接電流設(shè)置為120ma。如圖3所示為少模光纖的長度為59mm的傳輸光譜。從圖3中可以得到，在傳感單元中產(chǎn)生了明顯的馬赫-曾德爾干涉現(xiàn)象，形成了比較好的干涉條紋。

如圖6所示，傳感單元2的一端通過導(dǎo)入單模光纖7與寬帶光源1連接，該傳感單元2的另一端通過導(dǎo)出單模光纖4與光譜儀3連接，傳感單元2放置在拉力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，固定兩個(gè)平臺(tái)之間的距離，通過調(diào)整曲率實(shí)驗(yàn)裝置21向下壓的距離來控制傳感器所受曲率大小，并從光譜儀3記錄對應(yīng)不同曲率下的傳輸光譜，如圖7所示。

從圖5、圖8中可以得到，傳感器對應(yīng)的拉力以及曲率靈敏度分別為0.00748db/με和14.08462db/m^-1，可以看出本發(fā)明的傳感器對橫向拉力和縱向曲率都十分敏感。在具體檢測待測物體的應(yīng)變時(shí)，從光譜分析儀讀出不同谷值光強(qiáng)的變化量，即可得出應(yīng)變的變化量。

以上所述的實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。