一种基于游标效应的光纤应变传感器

1.本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于游标效应的光纤应变传感器。


背景技术：

2.与传统的电子传感器相比，光纤传感器因其结构简单、体积小、重量轻、抗电磁干扰和灵敏度高等优点，受到许多学者和研究人员的青睐。近年来，为了进一步提高马赫-曾德尔传感器的测量灵敏度，游标效应进入了研究人员的视线。游标效应最初应用于游标卡尺气压计中，用于提升测量的精确度，后来也被应用到光器件传感系统中，用于放大光谱共振峰的漂移，可提高光子器件的灵敏度。马赫-曾德尔干涉原理因其在各种干涉原理中具有简单而稳定的特性而被广泛应用于光学干涉测试中，根据马赫-曾德尔干涉原理测量的单一物理参量可以为温度、折射率、压力、应变等。
3.但是大多数基于马赫-曾德尔干涉原理的传感器具有多参数响应，很难对单个参数进行准确的测量，所以对应变和温度的同步传感是实现精确测量的方式之一。目前越来越多的研究者开始对双参数测量传感器进行研究，而传统的多参数传感器都是通过灵敏度测量矩阵实现温度和应变的同时测量，然而基于游标效应的传感器包络是单频信号，无法使用上述的灵敏度矩阵实现温度和应变的同时测量，消除温度的交叉敏感。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种基于游标效应的光纤应变传感器，提高传感器的应变灵敏度，消除了温度的影响。
5.为了解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案：一种基于游标效应的光纤应变传感器，包括并联设置的参考干涉仪和传感干涉仪，所述参考干涉仪和传感干涉仪为马赫-曾德尔干涉仪；所述参考干涉仪和传感干涉仪包括依次熔接的第一单模光纤、第二单模光纤、少模光纤和第三单模光纤；光束经第二单模光纤激发为高阶模和基模；所述少模光纤传输高阶模和基模至所述第三单模光纤；所述高阶模和基模在所述第三单模光纤中干涉。
6.进一步地，所述第二单模光纤包括熔接球a和熔接球b，光束经第一单模光纤传输至熔接球a时，激发为第二单模光纤中包层的高阶模；所述光束经过熔接球a传输至熔接球b时，激发为纤芯中的基模。
7.进一步地，所述参考干涉仪和传感干涉仪通过两3db耦合器并联。
8.进一步地，所述光纤应变传感器产生的自由光谱范围fsr
envelope
为：
[0009][0010]
其中，fsrs表示传感干涉仪的自由光谱范围；fsrr表示参考干涉仪的自由光谱范围。
[0011]
进一步地，所述光纤应变传感器的游标效应灵敏度放大系数m为：
[0012][0013]
进一步地，当外界温度改变时，所述参考干涉仪的透射谱波长产生漂移，参考干涉仪的漂移量δλ的计算公式为：
[0014]
δλ＝k
1t
δt
[0015]
式中，k
1t
为传感干涉仪的温度灵敏度，δt表示为温度变化值。
[0016]
进一步地，当外界温度和应变发生变化时，所述传感干涉仪透射谱的波长也会随之发生变化，所述传感干涉仪的透射谱波长漂移量δλ
包络
的计算公式为：
[0017]
δλ
包络
＝k
2t
δt k
2ε
δε
[0018]
式中，k
2t
为传感干涉仪的温度灵敏度；k
2ε
为传感干涉仪的应变灵敏度，δε表示为应变变化值。
[0019]
与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果是：
[0020]
一方面，本实用新型通过并联设置的参考干涉仪和传感干涉仪，参考干涉仪和传感干涉仪为马赫-曾德尔干涉仪；通过同时监测仅受温度变化影响的参考干涉仪透射谱的波长漂移量，同时受应变和温度变化影响的并联信号大包络的波长漂移量可以解调出温度和应变，使光纤应变传感器产生游标效应并进行标定，不仅大幅提高了传感器应变灵敏度，且消除了温度的影响。
[0021]
另一方面，本实用新型所述第二单模光纤包括熔接球a和熔接球b，光束经第一单模光纤传输至熔接球a时，激发为第二单模光纤中包层的高阶模；所述光束经过熔接球a传输至熔接球b时，激发为纤芯中的基模；通过第二单模光纤保证提高传播距离后依然可以产生干涉。
附图说明
[0022]
图1是本实用新型实施例提供的一种基于游标效应的光纤应变传感器结构示意图；
[0023]
图中：1-第一单模光纤；2-第二单模光纤；21-熔接球a；22-熔接球b；3-少模光纤；4-第三单模光纤。
具体实施方式
[0024]
下面结合附图对本实用新型作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
[0025]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0026]
此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0027]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地
连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0028]
如图1所示，本实用新型实施例提供了一种基于游标效应的光纤应变传感器，包括并联设置的参考干涉仪和传感干涉仪，所述参考干涉仪和传感干涉仪为马赫-曾德尔干涉仪；所述参考干涉仪和传感干涉仪包括依次熔接的第一单模光纤1、第二单模光纤2、少模光纤3和第三单模光纤4；所述第一单模光纤1的输出端与第二单模光纤2的输入端连接；所述第二单模光纤2包括熔接球a21和熔接球b22，光束经第一单模光纤1传输至熔接球a21时，激发为第二单模光纤2中包层的高阶模；所述光束经过熔接球a21传输至熔接球b22时，激发为纤芯中的基模，所述少模光纤3将高阶模和基模传输至所述第三单模光纤4；将高阶模和基模在所述第三单模光纤4中发生干涉，通过第二单模光纤2保证提高传播距离后依然可以产生干涉。
[0029]
所述传感干涉仪中的光信号与参考干涉仪中的光信号叠加产生游标效应，产生大干涉包络；所述光纤应变传感器与隔离器进行连接；保持传感器无应变，仅当温度变化时，通过电脑对参考干涉仪的温度灵敏度k
1t
进行标定，通过对温度变化-透射谱波谷波长偏移曲线拟合得到参考干涉仪的温度灵敏度k
1t
；保持传感器无应变，仅当温度变化时，对光纤应变传感器的并联信号包络的温度灵敏度k
2t
进行标定，通过对温度变化-包络波谷波长偏移曲线拟合得到光纤应变传感器的并联信号包络的温度灵敏度k
2t
；保持传感器初始温度不变，仅当应变作用于传感干涉仪时，对光纤应变传感器的并联信号包络的应变灵敏度k
2ε
进行标定，通过对应变-包络波谷波长偏移曲线拟合得到并联信号包络的应变灵敏度k
2ε
。
[0030]
所述光纤应变传感器产生的自由光谱范围fsr
envelope
为：
[0031][0032]
其中，fsrs表示传感干涉仪的自由光谱范围；fsrr表示参考干涉仪的自由光谱范围。
[0033]
所述光纤应变传感器的游标效应灵敏度放大系数m为：
[0034][0035]
当外界温度改变时，所述参考干涉仪的透射谱波长产生漂移，参考干涉仪的漂移量δλ的计算公式为：
[0036]
δλ＝k
1t
δt
[0037]
式中，k
1t
为传感干涉仪的温度灵敏度，δt表示为温度变化值。
[0038]
当外界温度和应变发生变化时，所述传感干涉仪透射谱的波长也会随之发生变化，所述传感干涉仪的透射谱波长漂移量δλ
包络
的计算公式为：
[0039]
δλ
包络
＝k
2t
δt k
2ε
δε
[0040]
式中，k
2t
为传感干涉仪的温度灵敏度；k
2ε
为传感干涉仪的应变灵敏度，δε表示为应变变化值。
[0041]
所述传感干涉仪和参考干涉仪制备包括如下步骤：
[0042]
将第一单模光纤1和第二单模光纤2除去涂覆层后，用酒精擦拭干净，再用切割刀
分别切取2cm的无涂覆层的光纤，将第一单模光纤1和第二单模光纤2两端的切割面切割平整；
[0043]
将切割完好的单根单模光纤放置在熔接机的一端进行放电；由于手动放电时的放电功率会大于普通熔接的功率，所以光纤的切割面会出现融化、收缩的过程，进而呈现一个球形的状态。两个已经分别熔接的小球再同时放置在熔接机的两端进行手动放电，形成熔接球a21和熔接球b22；
[0044]
将第二单模光纤2的多余结构进行切除，只保留熔接球a21和熔接球b22部分；
[0045]
将少模光纤3除去涂覆层后，用酒精擦拭干净后，用切割刀切取25.8cm的无涂覆层的光纤，将两端的切割面切割平整。所述少模光纤3的一端与熔接球b22的一端对芯熔接，另一端与第三单模光纤4熔接；将制作好的传感干涉仪和参考干涉仪进行封装保护。
[0046]
本实用新型实施例通过将两个fsr相近而不相同的传感干涉仪和参考干涉仪并联，产生游标效应，大幅度提高了并联传感器的应变灵敏度；通过同时监测仅受温度变化影响的参考干涉仪透射谱的波长漂移量，同时受应变和温度变化影响的并联信号大包络的波长漂移量可以解调出温度和应变，不仅大幅提高了传感器应变灵敏度，且消除了温度的影响。
[0047]
以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。