一種可判別彎曲方向的曲率和溫度同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖曲率和溫度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體的，涉及一種基于在線馬赫澤德干涉結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵的可判別方向的曲率和溫度同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]準(zhǔn)確的光纖曲率和溫度測(cè)量在工程應(yīng)用系統(tǒng)中是十分重要的。光纖曲率和溫度傳感器主要是探測(cè)外界環(huán)境溫度的變化，壓力導(dǎo)致的光纖彎曲；與普通的電傳感器相比，光纖傳感器可以免于電磁干擾，耐腐蝕性強(qiáng)，易制造，低成本，響應(yīng)快和很高的探測(cè)靈敏度。
[0003]為了滿足工程應(yīng)用領(lǐng)域?qū)η屎蜏囟雀呔葴y(cè)量的需求，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)光纖溫度-曲率測(cè)量進(jìn)行了大量的研究。在光纖溫度-彎曲測(cè)量方面，提出了多種光纖干涉儀級(jí)聯(lián)光纖器件的測(cè)量方法:基于光纖馬赫澤德(Mach-Zehnder，MZ)干涉結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)的光纖溫度-彎曲傳感器，實(shí)現(xiàn)了52pm/°C和-164pm/m—1的溫度和曲率靈敏度測(cè)量；基于馬赫澤德干涉結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵(Long Per1dGrating，LPG)，實(shí)現(xiàn)了 12pm/°C和-12.55nm/m—1較低的溫度和曲率靈敏度測(cè)量。然而，這些光纖溫度和曲率傳感器結(jié)構(gòu)大都采用單一波長(zhǎng)解調(diào)的方式，如果同時(shí)測(cè)量，必然帶來(lái)所測(cè)參數(shù)之間產(chǎn)生的串?dāng)_，導(dǎo)致所測(cè)靈敏度精確度不高;此外，上述級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)均采用的是分離的光器件，并不是單一整體形式的光器件，且制作過(guò)程中往往存在著較大的鏈接損耗。單一器件測(cè)溫度或者彎曲，主要是由光纖本身固有的熱光系數(shù)和彈光系數(shù)所決定，靈敏度基本確定，相比于特殊處理和刻寫(xiě)的結(jié)構(gòu)限制了增敏的因素，并不能實(shí)現(xiàn)較高靈敏的測(cè)量。這些單一分離的光器件同時(shí)是均勻拉制而成的，折射率分布呈圓對(duì)稱性，不具有方向性。因此，目前已有的測(cè)量方法并不能滿足同時(shí)測(cè)量的高精度要求，以及測(cè)量靈敏度相對(duì)較低等問(wèn)題；另夕卜，不能判別彎曲方向也是限制其發(fā)展的一個(gè)重要因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷和改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于光纖在線馬赫澤德干涉儀級(jí)聯(lián)細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵的可判別彎曲方向的曲率和溫度同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器，其目的在于通過(guò)單模光纖、細(xì)芯光纖和細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵構(gòu)成在線馬赫澤德干涉儀，且細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵與在線馬赫澤德干涉儀在同一細(xì)芯光纖上級(jí)聯(lián);通過(guò)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)在線馬赫澤德干涉儀的干涉譜與細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵的損耗峰疊加以同時(shí)測(cè)量外界溫度的變化、光纖的彎曲和彎曲方向。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于光纖在線馬赫澤德干涉儀級(jí)聯(lián)細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵的可判別彎曲方向的曲率和溫度同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器，包括寬帶光源、第一單模光纖、第一熔接點(diǎn)、第一細(xì)芯光纖、細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵、第二細(xì)芯光纖、第二熔接點(diǎn)、第二單模光纖和光譜儀；
[0006]其中，第一單模光纖的兩端分別于寬帶光源的輸出端和第一細(xì)芯光纖的第一端相連接;第一單模光纖的第二端連接細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵的第一端;細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵的第二端連接第二細(xì)芯光纖的第一端;第二細(xì)芯光纖的第二端連接第二單模光纖的第一端；第二單模光纖的第二端與光譜儀的輸入端相連；
[0007]其中，第一熔接點(diǎn)、第一細(xì)芯光纖、細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵第一端依順序構(gòu)成了在線馬赫澤德結(jié)構(gòu)；寬帶光源、光譜儀與在線馬赫澤德結(jié)構(gòu)構(gòu)成馬赫澤德干涉儀;其中，細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵與在線馬赫澤德結(jié)構(gòu)在同一細(xì)芯光纖上實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)，通過(guò)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)在線馬赫澤德干涉儀的干涉譜與細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵的損耗峰疊加以同時(shí)測(cè)量外界溫度的變化、光纖的彎曲和彎曲方向。
[0008]第一單模光纖與第一細(xì)芯光纖采用對(duì)芯熔接模式;采用這種對(duì)芯熔接方式的目的在于激發(fā)第一細(xì)芯光纖中的包層模;從而使得在第一細(xì)芯光纖中同時(shí)存在著包層模和纖芯模的傳輸，傳輸至細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵處，細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵能實(shí)現(xiàn)包層模和纖芯模的相互耦合，因而在第一細(xì)芯光纖中傳輸?shù)睦w芯模和包層模會(huì)在細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵處產(chǎn)生干涉。
[0009]細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵的不同損耗峰是由于所述光柵中纖芯模與不同的包層模耦合的結(jié)果，采用單側(cè)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵可以在光譜儀的同一窗口內(nèi)能顯示出兩個(gè)損耗峰;產(chǎn)生的兩個(gè)損耗峰級(jí)聯(lián)在線馬赫澤德結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的干涉譜，從而在光譜儀上顯示出四個(gè)諧振峰同時(shí)存在的光譜。
[0010]用于光纖溫度和曲率測(cè)量時(shí)，將光譜儀上產(chǎn)生的四個(gè)諧振波長(zhǎng)位置調(diào)節(jié)至窗口的最中間；當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，可以通過(guò)光譜上諧振波長(zhǎng)的位置變化來(lái)測(cè)量溫度的靈敏度；同樣地，當(dāng)外界壓力或應(yīng)力作用在所述光纖傳感器時(shí)，可以通過(guò)光譜儀上其他諧振波長(zhǎng)的強(qiáng)度變化來(lái)解調(diào)出光纖彎曲的靈敏度大??；當(dāng)光纖彎曲方向不同時(shí)，可以通過(guò)細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵產(chǎn)生的兩個(gè)諧振波長(zhǎng)強(qiáng)度的相反變化來(lái)判斷光纖的彎曲方向。
[0011 ]優(yōu)選地，所述光纖彎曲測(cè)量還包括第一夾具和第二夾具，所述第一夾具和所述第二夾具固定夾持在所述光纖傳感器上，所述光纖傳感器在所述第一夾具和所述第二夾具之間的部分處于自由伸直的狀態(tài)，所述第一夾具的位置固定，所述第二夾具能移動(dòng)。該方法可以將曲率調(diào)節(jié)的精確度控制在10—6量級(jí)，極大的提高了曲率測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍及分辨率。
[0012]優(yōu)選地，所述第一細(xì)芯光纖的長(zhǎng)度取3?8cm，第一細(xì)芯光纖的長(zhǎng)度決定了在線馬赫澤德結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉譜的自由寬譜范圍，取3?8cm的干涉長(zhǎng)度，使得所形成的馬赫澤德干涉譜諧振波長(zhǎng)的帶寬與細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵損耗峰的帶寬在同一數(shù)量級(jí)，有利于多參數(shù)同時(shí)測(cè)量和解調(diào)。
[0013]優(yōu)選地，所述第一細(xì)芯光纖和第二細(xì)芯光纖的包層直徑取70?ΙΟΟμπι，該直徑范圍可有效減少單模光纖與細(xì)芯光纖模場(chǎng)不匹配時(shí)激發(fā)的包層模數(shù)量，不會(huì)引起大量包層模與纖芯模的干涉，從而優(yōu)化了在線馬赫澤德干涉譜的均勻性。
[0014]優(yōu)選地，所述第一細(xì)芯光纖和第二細(xì)芯光纖的纖芯直徑取2?8μπι，該纖芯直徑范圍內(nèi)，由于纖芯模場(chǎng)適配效應(yīng)，單模光纖的纖芯?？梢圆糠竹詈系郊?xì)芯光纖的纖芯中，剩余部分耦合至包層，為產(chǎn)生在線馬赫澤德干涉提供了先決條件。
[0015]優(yōu)選地，所述細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵的長(zhǎng)度取2?8cm，該長(zhǎng)度可將細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)有效的控制在1450nm?1650nm的低損耗窗口范圍內(nèi)，可有效的減小光纖傳輸過(guò)程中的損耗。
[0016]優(yōu)選地，所述細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵為單側(cè)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)光柵，該非對(duì)稱結(jié)構(gòu)可在曲率測(cè)量的同時(shí)，能根據(jù)所測(cè)曲率的正負(fù)值精確的判斷出光纖的彎曲方向。
[0017]優(yōu)選地，所述第二細(xì)芯光纖的長(zhǎng)度取15?40cm，該長(zhǎng)度可有效的將第二細(xì)芯光纖中的包層模全部損耗掉，避免在第二端細(xì)芯光纖出形成第二個(gè)在線馬赫澤德結(jié)構(gòu)，保證了級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)光譜的高對(duì)比度。
[0018]總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0019](I)本發(fā)明提供的可判別方向的曲率和溫度同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器，采用在線馬赫澤德干涉儀結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵疊加的干涉譜能產(chǎn)生多個(gè)諧振波長(zhǎng)，不同諧振波長(zhǎng)對(duì)溫度和曲率的靈敏度不同，從而實(shí)現(xiàn)多物理參數(shù)同時(shí)測(cè)量。
[0020](2)本發(fā)明提供的細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵為單側(cè)非對(duì)成結(jié)構(gòu)光柵，對(duì)于不同方向的彎曲，疊加干涉譜上的不同損耗峰會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度的相反變化，從而判斷出光纖彎曲的方向。
[0021](3)本發(fā)明提供的可判別方向的曲率和溫度同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器，采用單一在線的結(jié)構(gòu)測(cè)量，相比傳統(tǒng)的需要耦合器構(gòu)成的光纖干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于集成的優(yōu)勢(shì)。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的可判別彎曲方向的曲率和溫度同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中細(xì)芯光纖與單模光纖熔接示意圖。
[0024]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1_寬帶光源，2-第一單模光纖，3-第一熔接點(diǎn)，4-第一細(xì)芯光纖，5-細(xì)芯長(zhǎng)周期光纖光柵，6-第二細(xì)芯光纖，7-第二熔接點(diǎn)，8-第二單模光纖，9-光譜儀。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具