[發(fā)明專利]一種可判別彎曲方向的曲率和溫度同時測量的光纖傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610079067.8
• 申請日: 2016-02-04
• 公開（公告）號: CN105698858B
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 魯平;倪文軍;劉德明;羅超;傅鑫;劉理;廖浩
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心42201
• 代理人: 廖盈春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖曲率和溫度測量技術(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)級聯(lián)細(xì)芯長周期光纖光柵的可判別方向的曲率和溫度同時測量的光纖傳感器。

背景技術(shù)

準(zhǔn)確的光纖曲率和溫度測量在工程應(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，易制造，低成本，響應(yīng)快和很高的探測靈敏度。

為了滿足工程應(yīng)用領(lǐng)域?qū)η屎蜏囟雀呔葴y量的需求，國內(nèi)外研究人員對光纖溫度-曲率測量進(jìn)行了大量的研究。在光纖溫度-彎曲測量方面，提出了多種光纖干涉儀級聯(lián)光纖器件的測量方法：基于光纖馬赫澤德(Mach-Zehnder,MZ)干涉結(jié)構(gòu)級聯(lián)布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)的光纖溫度-彎曲傳感器，實現(xiàn)了52pm/℃和-164pm/m^-1的溫度和曲率靈敏度測量；基于馬赫澤德干涉結(jié)構(gòu)級聯(lián)長周期光纖光柵(Long Period Grating,LPG)，實現(xiàn)了12pm/℃和-12.55nm/m^-1較低的溫度和曲率靈敏度測量。然而，這些光纖溫度和曲率傳感器結(jié)構(gòu)大都采用單一波長解調(diào)的方式,如果同時測量，必然帶來所測參數(shù)之間產(chǎn)生的串?dāng)_，導(dǎo)致所測靈敏度精確度不高；此外，上述級聯(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，且制作過程中往往存在著較大的鏈接損耗。單一器件測溫度或者彎曲，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的結(jié)構(gòu)限制了增敏的因素，并不能實現(xiàn)較高靈敏的測量。這些單一分離的光器件同時是均勻拉制而成的，折射率分布呈圓對稱性，不具有方向性。因此，目前已有的測量方法并不能滿足同時測量的高精度要求，以及測量靈敏度相對較低等問題；另外，不能判別彎曲方向也是限制其發(fā)展的一個重要因素。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(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聯(lián)細(xì)芯長周期光纖光柵的可判別彎曲方向的曲率和溫度同時測量的光纖傳感器，其目的在于通過單模光纖、細(xì)芯光纖和細(xì)芯長周期光纖光柵構(gòu)成在線馬赫澤德干涉儀，且細(xì)芯長周期光纖光柵與在線馬赫澤德干涉儀在同一細(xì)芯光纖上級聯(lián)；通過級聯(lián)實現(xiàn)在線馬赫澤德干涉儀的干涉譜與細(xì)芯長周期光纖光柵的損耗峰疊加以同時測量外界溫度的變化、光纖的彎曲和彎曲方向。

為實現(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聯(lián)細(xì)芯長周期光纖光柵的可判別彎曲方向的曲率和溫度同時測量的光纖傳感器，包括寬帶光源、第一單模光纖、第一熔接點、第一細(xì)芯光纖、細(xì)芯長周期光纖光柵、第二細(xì)芯光纖、第二熔接點、第二單模光纖和光譜儀；

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)芯長周期光纖光柵的第一端；細(xì)芯長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；

其中，第一熔接點、第一細(xì)芯光纖、細(xì)芯長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)芯光纖上實現(xiàn)級聯(lián)，通過級聯(lián)實現(xiàn)在線馬赫澤德干涉儀的干涉譜與細(xì)芯長周期光纖光柵的損耗峰疊加以同時測量外界溫度的變化、光纖的彎曲和彎曲方向。

第一單模光纖與第一細(xì)芯光纖采用對芯熔接模式；采用這種對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)芯光纖中同時存在著包層模和纖芯模的傳輸，傳輸至細(xì)芯長周期光纖光柵處，細(xì)芯長周期光纖光柵能實現(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芯模和包層模會在細(xì)芯長周期光纖光柵處產(chǎn)生干涉。

細(xì)芯長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)非對稱結(jié)構(gòu)的細(xì)芯長周期光纖光柵可以在光譜儀的同一窗口內(nèi)能顯示出兩個損耗峰；產(chǎn)生的兩個損耗峰級聯(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諧振峰同時存在的光譜。