[發明專利]一種基于錐腰嵌入凸泡的超高靈敏度光纖應力傳感器

在審

• 申請號: 202011221731.0
• 申請日: 2020-11-05
• 公開（公告）號: CN112414597A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 陳敏;郭允;徐賁
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 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

本發明提供了一種基于錐腰嵌入凸泡的超高靈敏度光纖應力傳感器，包括寬帶光源、傳感頭、光纖光譜分析儀、環形器，其特征在于：所述傳感頭由普通單模光纖拉錐細化后，在錐腰部分利用特殊的光纖熔接技術制成凸出于原錐腰直徑的氣泡法布里珀羅微腔。錐腰直徑為20?50μm，錐腰長度為200?1000μm，錐過渡區域長度為400?700μm。嵌入錐腰的氣泡法布里珀羅微腔為橢球型，縱向為長軸，直徑始終大于錐腰直徑；橫向為短軸，直徑始終小于縱向長軸；微腔壁厚為1?10μm。本發明利用波長解調的方法，通過測量氣泡法布里珀羅微腔干涉儀反射譜的諧振波長漂移量，來反演出傳感器所承受的對應的應力大小，從而實現對應力的傳感測量。本發明具有結構緊湊、體積小、成本低、抗電磁干擾、解調簡單、超高靈敏度等優點。

技術領域

本發明提供了一種基于錐腰嵌入凸泡的超高靈敏度光纖應力傳感器，屬于光纖傳感技術領域。

背景技術

近年來，光纖傳感器憑借其尺寸小、靈敏度高、抗電磁干擾能力強、耐高溫等獨特的優勢，在物理參數測量領域被廣泛應用，例如溫度、壓力、折射率、流速和應力。其中，光纖應力傳感器在結構健康監測、醫學監測和軍事領域等方面有許多應用。在眾多的光纖應力傳感器中，因為制造過程簡單且成本低，大多基于光纖馬赫曾德爾干涉儀(MZIs)和光纖布拉格光柵(FBG)的原理制作。但是，這兩種結構作為傳感器具有一個共同的缺點，即它們在應力測量過程中也對溫度敏感。因此，需要一些補償方法來解決應力和溫度的交叉影響，這大大增加了制造成本和解調的復雜性。而空氣腔法布里珀羅干涉儀(FPIs)的熱靈敏度低，所以通過在光纖內部制造氣腔而形成的FPI可以有效地解決這一問題。目前在光纖內部制造氣腔的方法有：飛秒激光微加工、化學蝕刻、熔融塌陷光子晶體光纖(PCF)等。但是這些基于FPI的光纖應力傳感器所獲得的靈敏度僅與基于FBG的應力傳感器靈敏度(1.2pm/με)相當。因此，探索具有高靈敏度的氣腔法布里珀羅光纖應力傳感器成為研究熱點。

發明內容

本發明針對現有技術不足，提供一種基于錐腰嵌入凸泡的超高靈敏度光纖應力傳感器，具有結構緊湊、體積小、成本低、抗電磁干擾、解調簡單、超高靈敏度等優點。

本發明解決技術問題所采取的技術方案為：一種基于錐腰嵌入凸泡的超高靈敏度光纖應力傳感器，包括寬帶光源、傳感頭、光纖光譜儀、環形器，其特征在于：所述傳感頭由普通單模光纖拉錐細化后，在錐腰部分利用特殊的光纖熔接技術制成凸出于原錐腰直徑的氣泡法布里珀羅微腔。錐腰直徑為20-50μm，錐腰長度為200-1000μm，錐過渡區域長度為400-700μm。嵌入錐腰的氣泡法布里珀羅微腔為橢球型，縱向為長軸，直徑始終大于錐腰直徑；橫向為短軸，直徑始終小于縱向長軸；微腔壁厚為1-10μm。

本發明與現有技術相比的有益效果是：

1.本傳感頭由普通單模光纖制成，成本低、結構緊湊，抗電磁干擾能力強。

2.本發明較之基于游標效應的光纖應力傳感器，具有超高靈敏度的同時解調更簡單快捷。

3.本應力傳感器不受溫度的交叉影響，無需進行溫度補償。

附圖說明

下面結合附圖及具體實施方式對本發明進一步說明：

圖1為基于錐腰嵌入凸泡的超高靈敏度光纖應力傳感頭結構示意圖；

圖2為本發明的實施應用系統示意圖；

圖3為本發明在不同應力作用下的干涉光譜變化圖；

圖4為本發明應力靈敏度線性擬合圖。

圖中：1(a).單模光纖包層，1(b).單模光纖纖芯，2.單模光纖錐過渡區域，3.單模光纖錐腰，4.氣泡微腔，5.光纖光譜分析儀，6.寬帶光源，7.環形器，8.光纖傳感頭。

具體實施方式