[發(fā)明專利]一種強度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610160864.9
• 申請日: 2016-03-18
• 公開（公告）號: CN105588674A
• 公開（公告）日: 2016-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王友清;沈常宇;樓偉民;申屠鋒營;包立峰;劉樺楠;魏健
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計量學院
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提出了一種強度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，該應(yīng)力傳感器引入了光纖束腰擴 大和長周期光纖光柵(Long-periodfibergrating，LPG)技術(shù)，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

光纖應(yīng)力傳感器被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測建筑房屋、橋梁和大壩等設(shè)施的健康情況。目 前已市場化的光纖應(yīng)力傳感器主要是基于布拉格光纖光柵(FiberBragggrating，F(xiàn)BG)的 應(yīng)力傳感器，但這一類傳感器系統(tǒng)需要光譜分析儀或者調(diào)制解調(diào)器顯示波長的漂移量，這 就會增加整個傳感系統(tǒng)的成本。強度調(diào)制型的光纖傳感器完全可以依靠功率計將被測應(yīng)力 變化量直接轉(zhuǎn)化為可以實時顯示的電信號，簡單方便且成本低廉。本發(fā)明提出的基于M-Z干 涉的強度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，完全可以通過檢測輸出光強的變化以實現(xiàn)對應(yīng)力變化的 監(jiān)測。

長周期光纖光柵在光纖傳感領(lǐng)域的廣泛使用主要是得益于其較低的插入損耗、緊 湊的結(jié)構(gòu)和對周圍環(huán)境敏感等優(yōu)良特性。光纖傳感器中引入長周期光纖光柵后，共振峰的 譜寬更窄，使對傳輸光譜的測量精度大幅提高，結(jié)果也將更加準確。

馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器通過采用干涉測量法產(chǎn)生相位調(diào)制以便獲得較高 的靈敏度和分辨率，該原理也被廣泛應(yīng)用于各種光纖傳感器中來監(jiān)測各類待測量，其發(fā)展 前景相當廣闊。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種強度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，采用放大的光纖束腰和 長周期光纖光柵構(gòu)成的馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-zehnderinterferometer，MZI)作為傳 感部位，該裝置能夠?qū)⒆饔糜诠饫w傳感器上的軸向應(yīng)力變化量轉(zhuǎn)化為探測信號相應(yīng)的透射 光強度的改變量。具有結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，操作簡便、靈敏度高等優(yōu)點。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

本發(fā)明提供了一種強度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，其特征在于：由寬帶光源(1)、腰 椎放大光纖(2)、長周期光纖光柵(3)和光譜分析儀(4)組成，其中腰椎放大光纖(2)和長周 期光纖光柵(3)組成了光纖傳感頭，該光纖傳感頭長度為10～50mm；腰椎放大光纖(2)左端 與寬帶光源(1)連接，腰椎放大光纖(2)右端與長周期光纖光柵(3)連接，長周期光纖光柵 (3)右端與光譜分析儀(4)連接。

所述的一種強度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，其特征在于：放大的光纖束腰(2)長度為 120～150μm，直徑為150～180μm。

所述的一種強度調(diào)制型光纖應(yīng)力傳感器，其特征在于：長周期光纖光柵(3)的長度 為20～25mm，周期為600μm。

本發(fā)明的工作原理是：

入射光在經(jīng)過腰椎放大光纖(2)時，部分在光纖纖芯中傳播的光會被耦合到光纖 包層中，激發(fā)出在包層中傳播的包層模，剩余的光將作為纖芯模繼續(xù)沿纖芯向前傳播；LPG 可以將包層中傳播的包層模重新耦合到纖芯中，從而與纖芯模形成MZI。MZI兩個干涉臂的 物理長度相同，但由于包層和纖芯的有效折射率不一樣，從而形成光程差。纖芯模和包層模 滿足的相位匹配條件表達式為：

其中和分別表示纖芯有效折射率和第i個包層模的有效折射率，λ為入射光波長，d為腰椎放大光纖(2)和長周期光纖光柵(3)之間的距離，表示纖芯有效折射率和第i個包層模的有效折射率的差值。

MZI干涉條紋對比度變化的表達式可以表示為：