[發明專利]一種干涉型光纖傳感器及其傳感光纖

有效

• 申請號: 201810007392.2
• 申請日: 2018-01-04
• 公開（公告）號: CN108254061B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 張心賁;彭慎;曹蓓蓓;喻建剛;劉彤慶;汪松;童維軍
• 申請（專利權）人: 長飛光纖光纜股份有限公司
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 胡建平;孫方旭

本發明公開了一種干涉型光纖傳感器及其傳感光纖，傳感光纖由參考纖芯、傳感纖芯、包層及涂覆層組成，參考纖芯和傳感纖芯鑲嵌在包層中，包層由涂覆層包裹，參考纖芯位于包層的幾何中心，傳感纖芯以螺線型環繞在參考纖芯周圍，由于在一根光纖中存在多個信號傳輸通道，且各通道存在不同的物理長度，可以對外界的應力變化產生不同的變化，通過干涉條紋實現信號的檢測。此外，由于該傳感光纖特殊的結構，通過簡單的拉錐即可實現耦合器的功能。本發明傳感器具備結構簡單、方便集成、抗外界溫度影響的特點。

技術領域

本發明屬于光纖器件領域，尤其涉及一種干涉型光纖傳感器及其傳感光纖。

背景技術

光纖由于其良好的絕緣性、天然的抗電磁干擾能力、緊湊性以及低損耗傳輸特性，已廣泛用于磁場、溫度位移、轉動、應力、加速度、聲音、角速度、光譜、輻射、電流、電壓等多種物理量的測量。而其中光纖水聽器是一種新型的光纖傳感器，用于檢測水下聲信號。目前實用化的光纖水聽器以干涉型為主，基本原理是激光器發出激光進入光纖，經過3dB耦合器后分成兩路，一路接受聲壓信號的調制，稱為干涉儀的信號臂，另一路提供參考相位，稱為干涉儀的參考臂。兩路型號再在3dB耦合器處發生光的干涉。干涉后的光信號經過光電探頭，轉化為電信號，通過信號處理系統就可以得到出聲壓信息，屬于相位調制。

光纖中傳輸的光波的相位是光程決定，影響因素包括：光纖長度，有效折射率。以單頻光為例，且忽略光纖的縱向不均勻性。則光纖出射光波的相位延遲可表示為：

式中：n為光纖纖芯的折射率；l為光纖的長度；v為光的頻率；c為光在真空中速度。

如外徑Φ＝30mm的彈性圓柱體上，纏繞200匝光纖，長度L≈18.850m作為信號臂。在聲壓作用下彈性圓柱體發生微變形，成為30.001mm*29.999mm的橢圓柱，長度差為0.17mm，將會發生110.8倍波長的周期變化，經過解調可以得到聲波信號。

目前的干涉型水聽器結構中，耦合器是必要的器件，一般通過熔接的方式和傳感/參考光纖臂熔接，而熔接點的可靠性難以保證。另一種改進的做法是先拉錐做耦合器再繞制，但由于需要帶著耦合器繞兩個獨立的環，這樣增加了繞環過程中斷纖的分纖。此外，在外界溫度變化較大時，會引起兩臂之間的較大的相位差，如水溫變化1℃，長度L≈18.850m的信號臂相對靜止的參考壁的光程變化約0.16mm，約100個倍波長的周期變化，嚴重影響探測器的精確度，提高了系統的復雜性。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種干涉型光纖傳感器，其傳感光纖在一根光纖中存在多個信號傳輸通道，且各通道存在不同的物理長度，可以對外界的應力變化產生不同的變化，通過干涉條紋實現信號的檢測。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種干涉型光纖傳感器傳感光纖，由參考纖芯、傳感纖芯、包層及涂覆層組成，參考纖芯和傳感纖芯鑲嵌在包層中，包層由涂覆層包裹，參考纖芯位于包層的幾何中心，傳感纖芯以螺線型環繞在參考纖芯周圍；橫切面方向，參考纖芯和傳感纖芯的光學參數、幾何參數一致，參考纖芯、傳感纖芯的直徑均在4～15μm之間，包層直徑在50～200μm之間，纖芯包層的數值孔徑NA在0.1～0.25之間，參考纖芯和傳感纖芯的圓心之間的距離在10～60μm之間，所述光纖涂覆層直徑在90～300之間，所述傳感纖芯的螺線軌跡的周期不大于10mm。

按上述技術方案，傳感纖芯的物理長度大于參考纖芯的物理長度。

按上述技術方案，參考纖芯和傳感纖芯的泊松系數不相等。

按上述技術方案，參考纖芯和傳感纖芯的溫度延時系數相等。

按上述技術方案，所述干涉型光纖傳感器中的傳感光纖通過拉錐可實現不同纖芯中光場的相互耦合。

按上述技術方案，傳感纖芯為一根或多根。