[發(fā)明專利]一種光纖曲率測量傳感器及其測量系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910760427.4
• 申請日: 2019-08-16
• 公開（公告）號: CN110470240B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王雙;劉鐵根;江俊峰;閃晨曦;劉琨;張曉非;李夢迪
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 李素蘭

1.一種光纖曲率傳感器，其特征在于，該傳感器由第一單模光纖(2)、空芯光纖(5)和第二單模光纖(8)構(gòu)成，所述第一單模光纖(2)和具有石英包層的空芯光纖(5)具有第一個拼接點，所述空芯光纖(5)和所述第二單模光纖(8)具有第二個拼接點；其中：

入射光通過所述第一單模光纖(2)進入所述空芯光纖(5)，所述第一單模光纖(2)與所述空芯光纖(5)在第一個拼接點發(fā)生模式失配，所述空芯光纖(5)傳輸過程中存在基模和激發(fā)出的高階模，經(jīng)過所述空芯光纖(5)的一段傳輸后，高階模和基模產(chǎn)生相位差，高階模與基模兩種模式在所述空芯光纖(5)和所述第二單模光纖(8)的第二個拼接點耦合，從而在透射光譜中產(chǎn)生馬赫-曾德干涉條紋；

馬赫-曾德干涉條紋的傳輸強度I表示為：

其中，I_fund為基模的光強，I_high為高階模的光強，為基模和高階模直接的光程差，表示為：

其中，λ_MZI為入射光的波長，Δn_neff為基模和高階模之間的有效折射率差，

當(dāng)相位差滿足時，馬赫-曾德干涉吸收峰的波長表示為：

其中，m_MZI為馬赫-曾德干涉的級次；

空芯光纖(5)的空氣纖芯、石英包層和外界空氣共同形成法布里-泊羅諧振器，當(dāng)入射波長接近諧振波長時，光束被束縛在石英包層中振蕩并衰減，從而在透射光譜中會形成一組周期性的諧振吸收峰；當(dāng)入射波長不符合諧振波長時，光波大部分被反射回空氣纖芯，從而沿空氣纖芯作為導(dǎo)波向前傳播，最終透射譜中的基于反諧振效應(yīng)的諧振波長表示為：

其中，λ_R為空芯光纖作為法布里-泊羅諧振器的諧振波長，d為空芯光纖的石英包層的壁厚，m_R為諧振級次，n₁和n₂分別為空氣纖芯和石英包層的折射率。

2.如權(quán)利要求1所述的一種光纖曲率傳感器的制作方法，其特征在于，該方法的實現(xiàn)步驟如下：

制備兩段端面平整的單模光纖與空芯光纖，其中空芯光纖(5)需要選擇內(nèi)徑約為50μm，外徑約為125微米；將第一單模光纖(2)與空芯光纖(5)使用熔接機進行手動熔接，將單模光纖的端面距離放電電極45μm，空芯光纖的端面距離放電電極60μm，兩端面相距15μm，放電強度和放電時間設(shè)定為10bit和400ms，完成熔接，獲得平整的熔接面；再按以上參數(shù)熔接空芯光纖(5)與第二單模光纖(8)，形成另一平整熔接面，至此，光纖曲率傳感器制作完成。

3.基于一種光纖曲率傳感器的光纖曲率及溫度測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括寬帶光源(1)、第一、第二單模光纖(2)、(8)、第一、第二光纖夾持器(3)、(6)、第一、第二位移臺(4)、(7)、空芯光纖(5)、光譜儀(9)和計算機(10)；其中，寬帶光源(1)的輸出光由第一單模光纖(2)傳輸，第一單模光纖(2)由第一光纖夾持器(3)固定在第一位移臺(4)上，信號光傳入空芯光纖(5)處，馬赫-曾德效應(yīng)和反諧振效應(yīng)在空芯光纖(5)同時存在，透射光譜中出現(xiàn)馬赫-曾德干涉峰和諧振吸收峰，空芯光纖(5)熔接至單模光纖(8)，經(jīng)由第二光纖夾持器(6)固定在第二位移臺(7)上，通過調(diào)節(jié)第一位移臺(4)和第二位移臺(7)實現(xiàn)空芯光纖(5)曲率的改變；傳感器的透射光經(jīng)過第二單模光纖(8)傳輸?shù)焦庾V儀(9)接收，計算機(10)與光譜儀(9)連接，完成對傳感器透射光譜的獲取，通過計算透射光譜中馬赫-曾德干涉峰和諧振吸收峰的波長間隔，實現(xiàn)光纖曲率和溫度的測量；馬赫-曾德干涉峰和諧振吸收峰的波長分別表示為