基于反谐振与多模干涉的光纤曲率和温度同时测量的装置的制作方法

1.本发明涉及光纤温度传感器技术领域，尤其涉及一种基于反谐振效应与多模干涉相结合的光纤曲率和温度同时测量的装置。


背景技术：

2.近几十年来，以光栅、干涉仪、级联干涉仪等为代表的光纤传感器在物理、生物和化学领域发挥了重要作用，其中，线型光纤传感器以其体积小，结构坚固，成本低等优异特性而受到广泛关注。在实际工程应用中，对单点多参数同时检测能力提出了新的要求，因此研究人员已集中精力进行在线多参数测量研究。单点多参数测量的关键是获得较低的交叉灵敏度以区分多参数。目前所提出的一些双参数传感器很难完全识别出两个被测量体，即双参数对传感器的相似响应仍难以直观区分。


技术实现要素：

3.为了解决以上问题，本发明提出了一种基于反谐振效应与多模干涉相结合的光纤曲率和温度同时测量装置，其是一种单模多模反谐振结构，具有可重复制造，坚固的结构和成本低的优点。
4.本发明所采用的技术方案是：
5.提供一种基于反谐振效应与多模干涉相结合的光纤曲率和温度同时测量装置，包括沿信号输入到信号输出方向，通过单模光纤依次连接的宽带光源、传感结构和光谱分析仪，该装置还包括曲率测量模块和温度测量模块；
6.传感结构包括串联的多模光纤和玻璃毛细管，传感结构的两端均连接单模光纤；
7.曲率测量模块包括固定基座和平移台，该曲率测量模块还包括两个光纤支架，分别安装在固定基座和平移台上，传感结构通过两端的单模光纤连接在两个光纤支架之间，平移台带动固定在其上的光纤支架步进移动，改变多模光纤的弯曲半径；
8.温度测量模块包括相连接的温箱和温度控制器，通过温度控制器控制温箱的温度，以实现对传感结构环境温度的控制。
9.接上述技术方案，传感结构为单模多模反谐振结构。
10.接上述技术方案，多模光纤的长度为40
‑
50mm，玻璃毛细管的长度为10
‑
12mm。
11.接上述技术方案，在进行曲率测量实验时，两个光纤支架之间的初始距离l为16.2cm，步进移动距离为100μm，曲率从1.30m
‑1增加到2.27m
‑1。
12.接上述技术方案，在进行温度测量实验时，温度控制器的温度控制在20
‑
50℃，步进为5℃。
13.接上述技术方案，其中传感结构通过如下方法制成：
14.将端面切平的多模光纤和玻璃毛细管分别放置在光纤熔接机的夹具内，设置参数在手动对芯模式下光纤被靠近并对准；
15.将熔接好的多模光纤和玻璃毛细管的两端分别与单模光纤进行熔接，形成单模多
模反谐振结构。
16.接上述技术方案，宽带光源用于产生宽谱光。
17.本发明还提供了一种基于反谐振效应与多模干涉相结合的光纤曲率和温度同时测量的方法，该方法基于上述技术方案所述的测量装置，包括以下步骤：
18.宽带光源产生宽谱光；
19.宽谱光通过单模光纤进入多模光纤，激发多模光纤中高阶模式的光，高阶模式的光进入毛细管中传播，产生反谐振效应，不同模式的光在输出端的单模光纤中相互耦合，形成多模干涉；
20.通过温度测量模块控制传感结构的环境温度；
21.通过曲率测量模块改变传感结构中多模光纤的弯曲半径；
22.通过光谱分析仪记录传感结构的输出光谱，随着曲率的增加，光谱主要在强度上减小，从而监测曲率的变化；随着温度的升高，光谱主要在波长上发生变化，从而监测温度的变化。
23.本发明产生的有益效果是：本发明将多模光纤和玻璃毛细管嵌入单模光纤之间，形成单模多模反谐振结构，利用在光谱分析仪上观察到具有凹陷的多模干涉模式以及在谐振波长处具有损耗谷的反谐振效应谱，在反谐振谷处进行强度解调，在多模干涉倾角处进行波长解调，不同的解调机制能够区分曲率和温度，同时整个装置可重复制造、结构稳定，且成本低。
附图说明
24.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
25.图1为本发明基于反谐振效应与多模干涉相结合的光纤曲率和温度同时测量装置的实验装置示意图；
26.图2为传感结构器的原理结构示意图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.如图1所示，本发明实施例的基于反谐振效应与多模干涉相结合的光纤曲率和温度同时测量装置包括沿信号输入到信号输出方向，通过单模光纤12依次连接宽带光源1、传感结构5和光谱分析仪6。该装置还包括温度测量模块7和曲率测量模块2，温度测量模块7包括温箱8和温度控制器9，曲率测量模块2包括两个分别安装在固定基座3和平移台4上的光纤支架。
29.本发明的较佳实施例中，宽带光源1用于产生宽谱光。传感结构5置于温箱8中，通过温度控制器9控制温箱8的温度，实现对传感结构5环境温度的控制；温度控制器的温度可控制在20
‑
50℃，步进为5℃。
30.曲率测量模块2中，通过移动平移台4来改变传感结构5中弯曲光纤的半径；两个光纤支架之间的初始距离l为16.2cm，步进移动距离为100μm，曲率从1.30m
‑1增加到2.27m
‑1。
31.光谱分析仪6用来记录传感器结构5的输出光谱，随着曲率的增加，光谱主要在强度上减小，从而监测曲率的变化；随着温度的升高，光谱主要在波长上发生变化，从而监测温度的变化。
32.如图2所示，传感结构5包括多模光纤10和玻璃毛细管11，且两者嵌入到单模光纤12之间。传感结构5的最外部为一包层。多模光纤的长度约为40mm，玻璃毛细管的长度约为12mm。当入射光由单模光纤传入到多模光纤时，由于两种光纤纤芯直径差别较大，在多模光纤内部，一系列高阶模式的光被激发出来，然后这些光将继续在玻璃毛细管中传播，在这种情况下，玻璃毛细管波导会发生多模干涉(mmi)、折射和反射，同时由于玻璃毛细管中的反谐振(ar)效应，在玻璃毛细管部分，有一小部分光束以共振波长向外泄漏，然而大部分光束以ar波长仍在毛细管中传播。此外，不同模式的光将在输出端smf中相互耦合，形成多模干涉现象(mmi)。因此，mmi和ar效应将同时存在于输出光束中。
33.本发明实施例中传感结构的制备方法，包括以下步骤：
34.s1、将端面切平的多模光纤和玻璃毛细管分别放置在光纤熔接机(fujikura 60s)的夹具内，设置参数在手动对芯模式下光纤被靠近并对准。
35.s2、再将s1中熔接好的结构与单模光纤进行熔接，这就形成了所述的传感结构，即单模多模反谐振结构。
36.在本实施例中，通过在单模光纤中嵌入多模光纤和玻璃毛细管，形成一种单模多模反谐振结构。此外，随着曲率的增加，光谱主要在强度上减小，从而监测曲率的变化；随着温度的升高，光谱主要在波长上发生变化，从而监测温度的变化。
37.曲率信息可以从以下公式计算：
38.rsin(l/2r)＝(l
‑
d)/2
39.r，d和l分别是弯曲光纤的半径，可移动光纤末端的移动距离和两个光纤支架之间的初始距离。
40.本发明实施例基于反谐振效应与多模干涉相结合的光纤曲率和温度同时测量的方法，该方法基于上述实施例的测量装置，包括以下步骤：
41.宽带光源1产生宽谱光，范围是900
‑
1700nm；
42.宽带光源由单模光纤12传入到多模光纤10时，由于两种光纤纤芯直径差别较大，在多模光纤内部，一系列高阶模式的光被激发出来，然后这些光将继续在玻璃毛细管11中传播，在这种情况下，玻璃毛细管波导会发生多模干涉(mmi)、折射和反射，同时由于玻璃毛细管中的反谐振(ar)效应，在玻璃毛细管部分，有一小部分光束以共振波长向外泄漏。然而大部分光束以ar波长仍在毛细管中传播。此外，不同模式的光将在输出端smf中相互耦合，形成多模干涉现象(mmi)。因此，mmi和ar效应将同时存在于输出光束中。
43.通过温度测量模块控制传感结构的环境温度；
44.通过曲率测量模块改变传感结构中多模光纤的弯曲半径；
45.通过光谱分析仪记录传感结构的输出光谱，随着曲率的增加，光谱主要在强度上减小，从而监测曲率的变化；随着温度的升高，光谱主要在波长上发生变化，从而监测温度的变化。
46.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。