一种基于增强游标效应的高灵敏折射率的应力光纤传感器的制作方法

1.本发明属于光纤传感技术领域，更具体地说，涉及一种基于增强游标效应的高灵敏折射率的应力光纤传感器。


背景技术：

2.光纤传感器具有应用方便、抗腐蚀、抗电磁干扰、结构紧凑、性能稳定、重量轻、灵敏度高等优点，已经广泛应用于各个传感领域，比如军事、航空航天、化学微检测、工业和电力传输等领域。
3.随着现代化进程的继续，在很多规模较大的建筑结构和一些精细工程结构的监测系统里，应力传感在整个施工的安全监测中是一个极为重要的问题。测量应力传统的方法是靠电阻应变片所反映出来的阻值和应力的对应关系来检测工程施工。电阻应变片虽然价格低廉，但是它对外界环境的适应性并不好，特别是容易受到来自电磁场的影响，同时不能在很多具有腐蚀性的环境下工作，这对于应用于工程检测的应力传感器是非常大的缺陷。在所有的测量应变的光纤传感器中，基于光纤布拉格(fbg)结构的传感器使用的最为广泛。此类传感器将fbg作为敏感元件，其原理是基于应变对bragg中心波长的调制实现测量。然而传统基于光纤布拉格光栅的应变传感器存在光纤灵敏度难以提高的问题。
4.目前，利用光纤传感器测量液体折射率的技术已经出现。利用光纤传感器测量液体折射率(ri)可应用于化学溶液浓度测量、生物真菌生长监测、环境污染检测等许多领域，具有重要意义。光纤锥形干涉仪因其结构简单、灵敏度高而得到广泛的研究。目前已经报道了许多类型的光纤锥形结构来实现液体折射率传感，例如多锥形光纤传感器、锥形光子晶体光纤传感器、锥形无芯光纤传感器。为了进一步提高液体折射率灵敏度，所有这些结构基本上都使用到特殊的光纤，或者将锥腰直径变得足够小来增加传感器的灵敏度，不但使得结构稳定性大幅降低，而且还增加了成本以及制造复杂度。
5.为了提高传感器的灵敏度，类似游标卡尺和气压计采用游标效应来提高长度和气压测量的准确性，游标效应也被应用到了光纤传感领域。游标效应也可以在光纤干涉仪传感器中实现，其中对传感量不灵敏作为参考干涉仪，另一个对传感量灵敏作为传感干涉仪，最后参考干涉仪和传感干涉仪的干涉信号叠加形成一个大的干涉包络，解调包络移动可以得到传感灵敏度。对于所有报道的基于游标效应的传感器，要求参考干涉仪对环境不敏感，但随着环境的变化，参考干涉仪不可避免地会发生波动，特别是在紧凑的传感器结构中。


技术实现要素：

6.针对上述不足，本发明提供一种基于增强游标效应的高灵敏折射率的应力光纤传感器，通过在光纤传感系统中引入级联增强游标效应的方法，巧妙的设计级联传感器的结构，使增强游标效应可以同时作用于应力和液体折射率的测量上，增大应力和液体折射率灵敏度。
7.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
8.一种基于增强游标效应的高灵敏折射率的应力光纤传感器，沿着光的折射方向，传感器包括依次连接的单模光纤段ⅰ、单模光纤段ⅱ、单模光纤段ⅲ、单模光纤段ⅳ和单模光纤段
ⅴ
。
9.进一步的技术方案，单模光纤段ⅰ、单模光纤段ⅱ和单模光纤段ⅲ形成s锥形结构，构成s锥mz干涉仪。
10.进一步的技术方案，单模光纤段ⅱ的首端与单模光纤段ⅰ的尾端连接，单模光纤段ⅱ的尾端与单模光纤段ⅲ的首端连接，且单模光纤段ⅰ与单模光纤段ⅲ平行设置。
11.进一步的技术方案，单模光纤段ⅲ、单模光纤段ⅳ和单模光纤段
ⅴ
形成对称错位形结构，构成对称错位mz干涉仪。
12.进一步的技术方案，单模光纤段ⅳ的首端与单模光纤段ⅲ的尾端连接，单模光纤段ⅳ的尾端与和单模光纤段
ⅴ
的首端连接；单模光纤段ⅲ与单模光纤段
ⅴ
的中轴线位于同一条直线。
13.进一步的技术方案，单模光纤段ⅰ的中轴线与单模光纤段ⅲ的中轴线之间的距离为115μm，单模光纤段ⅱ的水平长度l3＝600μm；单模光纤段ⅳ的长度l5＝80μm，单模光纤段ⅳ中轴线与单模光纤段ⅲ的中轴线之间的距离为63μm。
14.进一步的技术方案，s锥mz干涉仪的干涉强度i
s1
和相位差δ
s1
公式为：
[0015][0016][0017]
对称错位mz干涉仪的干涉强度i
s2
和相位差δ
s2
公式为：
[0018][0019][0020]
其中，i1和i2分别是s锥mz干涉仪中纤芯和包层模式的光强；i3和i4分别是对称错位mz干涉仪空气中和包层中的光强，δn
eff
是纤芯和包层模式的有效折射率差，δn是包层和空气的有效折射率差；λ是真空中的波长；l
eff
和l5分别是s锥mz干涉仪的有效光学长度和对称错位mz干涉仪的有效光学长度；
[0021]
s锥mz干涉仪的自由光谱范围fsr1公式为：
[0022]
对称错位mz干涉仪的自由光谱范围fsr2表示为：
[0023]
相比于现有技术，本发明的技术方案的有益效果为：
[0024]
本发明通过级联s锥mz干涉仪和对称错位mz干涉仪，可以使两个干涉信号叠加，形成大干涉包络，解调叠加形成的大干涉包络的移动得到外界物理量的变化，突破了传统游标效应的限制，大幅度提高了对应力和折射率的灵敏度。本发明的传感器制作工艺简单、性能稳定、价格低廉，可在复杂环境中测量应力和折射率。
附图说明
[0025]
图1为本发明的整体结构示意图；
[0026]
图2为传统游标的透射谱线图；
[0027]
图3为本发明的增强游标的透射谱线图。
[0028]
图中标号表示为：1、单模光纤段ⅰ；2、单模光纤段ⅱ；3、单模光纤段ⅲ；4、单模光纤段ⅳ；5、单模光纤段
ⅴ
。
具体实施方式
[0029]
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。
[0030]
实施例1
[0031]
一种基于增强游标效应的高灵敏折射率的应力光纤传感器，如图1所示，沿着光的折射方向，传感器包括依次连接的单模光纤段ⅰ1、单模光纤段ⅱ2、单模光纤段ⅲ3、单模光纤段ⅳ4和单模光纤段
ⅴ
5。由单模光纤段ⅰ1、单模光纤段ⅱ2和单模光纤段ⅲ3构成s锥mz干涉仪，由单模光纤段ⅲ3、单模光纤段ⅳ4和单模光纤段
ⅴ
5构成对称错位mz干涉仪。
[0032]
其中，单模光纤段ⅰ1、单模光纤段ⅱ2和单模光纤段ⅲ3形成s锥形结构：单模光纤段ⅱ2的首端与单模光纤段ⅰ的尾端连接，单模光纤段ⅱ2的尾端与单模光纤段ⅲ3的首端连接，且单模光纤段ⅰ1与单模光纤段ⅲ3平行设置。单模光纤段ⅲ3、单模光纤段ⅳ4和单模光纤段
ⅴ
5形成对称错位形结构：单模光纤段ⅳ4的首端与单模光纤段ⅲ3的尾端连接，单模光纤段ⅳ4的尾端与和单模光纤段
ⅴ
5的首端连接；单模光纤段ⅲ3与单模光纤段
ⅴ
5的中轴线位于同一条直线。
[0033]
传感器的结构图如图1所示，单模光纤段ⅰ1的中轴线与单模光纤段ⅲ3的中轴线之间的距离为115μm，图中l2＝115μm，单模光纤段ⅱ2的水平长度l3＝600μm，单模光纤段ⅱ2的中心厚度l1＝65μm。单模光纤段ⅳ4的长度l5＝80μm，单模光纤段ⅳ4中轴线与单模光纤段ⅲ3的中轴线之间的距离为63μm，图中l4＝63μm。
[0034]
本实施例中，s锥mz干涉仪和对称错位mz干涉仪同时作为传感部分。其中，
[0035]
s锥mz干涉仪的干涉强度i
s1
和相位差δ
s1
公式为：
[0036][0037][0038]
对称错位mz干涉仪的干涉强度i
s2
和相位差δ
s2
公式为：
[0039][0040][0041]
其中，i1和i2分别是s锥mz干涉仪中纤芯和包层模式的光强；i3和i4分别是对称错位mz干涉仪空气中和包层中的光强，δn
eff
是纤芯和包层模式的有效折射率差，δn是包层和空气的有效折射率差；λ是真空中的波长；l
eff
和l5分别是s锥mz干涉仪的有效光学长度和对称错位mz干涉仪的有效光学长度；
[0042]
s锥mz干涉仪的自由光谱范围fsr1公式为：
[0043]
对称错位mz干涉仪的自由光谱范围fsr2表示为：
[0044]
游标效应的产生需要两个级联干涉仪之间的自由光谱范围差很小，从上述公式可以看出，自由光谱范围fsr的改变可以通过改变两干涉仪的长度来实现。
[0045]
对于传统用游标效应提高传感器测量灵敏度，仅使传感臂对所测量物理量敏感，参考臂对所测量物理量不敏感，fsr相近的两个干涉仪并联后的总输出频谱是两个单个传感器共同作用的结果。这个并联后得到的输出光谱会产生一个大的包络，其大包络的自由光谱范围可以表达如下：
[0046][0047]
通过追踪这个大包络的波谷数据而不是单个传感谱线的波谷数据可以实现灵敏度的放大。因此其放大系数是：
[0048][0049]
本实施例突破了传统游标效应的限制，通过级联s锥mz干涉仪和对称错位mz干涉仪增强游标效应，如图3所示。当外界环境变化使两个干涉仪干涉条纹向相反方向移动时，大包络呈现出增强游标效应。
[0050]
本发明中双参数增强游标效应工作机理为：当外界应力增大时，s锥mz干涉仪由于纤芯和包层模式的有效折射率差减小速度大于其有效光学长度增加速度，导致光程差减小，透射谱线往波长小的方向移动；对称错位mz干涉仪由于有效光学长度增大，导致光程差增大，透射谱线往波长大的方向移动。当外界折射率增大时，s锥mz干涉仪由于纤芯和包层模式的有效折射率差增大，导致光程差增大，透射谱线出现往波长大的方向移动；对称错位mz干涉仪由于有效折射率差减小，导致光程差减小，透射谱线往波长小的方向移动。因此可以实现双参数增强游标效应。
[0051]
如图2和图3对比可知，本实施例通过级联s锥mz干涉仪和对称错位mz干涉仪，可以使两个干涉信号叠加，形成大干涉包络，解调叠加形成的大干涉包络的移动得到外界物理量的变化，突破了传统游标效应的限制，大幅度提高了对应力和折射率的灵敏度。
[0052]
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。