一种光纤应力传感器件制造技术

本发明专利技术提供一种光纤应力传感器件，包括依次连接的第一单模光纤、少模光纤和第二单模光纤；其中少模光纤的归一化频率满足：3.83171<V<7.01559。本发明专利技术提出采用单模光纤、少模光纤、单模光纤的简单组合以实现应力传感，无须采用光栅等复杂的制作工艺，且可以获得高灵敏度的传感，与采用多模光纤的传感结构相比，采用归一化频率值较小、光纤中模式数量少的少模光纤组成的传感结构灵敏度高、频谱规律，易于确定光纤长度等参数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤传感研究领域，具体涉及一种光纤应力传感器件。
技术介绍
随着现代化进程的继续，在很多上至规模较大的建筑结构下至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。众所周知，测量应力的传统方法通常是随着现代化进程的继续，在很多上至规模较大的建筑结构下至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。众所周知，测量应力的传统方法通常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。并且传统的这种应力传感器只能进行单点测量。但是自19世纪70年代，因为光纤型应力传感器具有一般光纤型传感器的体积小、质量轻、精度高、免电磁干扰和抗腐蚀性等优点[1]，因而在应力传感器的发展过程中，各种光纤型应力传感器也相继应运而生。并且其中很多都已经商业化。基于光纤的应力传感结构或装置已经有很多种。比如，基于光纤微弯结构的[2]和基于法布里-珀罗光纤结构的传感器早已得以应用[2-4]。在所有的测量应变的光纤传感器中,基于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。此后也相继出现一些基于SMS光纤结构的应力传感器的研究[5]，这种结构采用多模光纤，通过与单模光纤的连接实现模式干涉的效果。然而，多模光纤中模式数量多，模式干涉效应复杂，难以实现高精度传感。参考文献：【1】彭仕玉.光纤光栅轴向应力传感模型的研究[J].湖南理工学院学报，2007,20(2):35-37。【2】NicholasLaoakos,ColeJ,bucaroJA.Microbendfiberopticsensor[J].AppliedOptics,1987,26(11):2171-2180。【3】HerederoRL,SantosJL,FerndndezdeCaleyaR,etal..Micromachinedlow-finesseFabry-PerotinterferometerforthemeasurementofDCandACelectricalcurrents[J].SensorsJournal,IEEE,2003,3(1):13-18。【4】FurstenauN,SchmidtM,HorackH,etal..ExtrinsicFabry-Perotinterferometervibrationandacousticsensorsystemsforairportgroundtrafficmonitoring[J].Optoelectronics,IEEProceedings,1997,144(3):134-144。【5】WuQ,HattaAM,WangP,etal.UseofabentsingleSMSfiberstructureforsimultaneousmeasurementofdisplacementandtemperaturesensing[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2011,23(2):130-132。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题提供一种光纤应力传感器件，通过第一单模光纤、少模光纤和第二单模光纤依次连接的简单组合实现应力传感，提高应力传感灵敏度。本专利技术的技术方案是：一种光纤应力传感器件，包括单模光纤和少模光纤；所述单模光纤包括第一单模光纤和第二单模光纤；所述第一单模光纤、少模光纤和第二单模光纤依次连接；所述少模光纤的归一化频率满足：V=2πa1λ0(n12-n22)1/2,]]>3.83171<V<7.01559，其中，n1表示少模光纤纤芯的折射率；n2表示少模光纤包层的折射率；a1表示少模光纤纤芯的半径；λ0表示工作波长。上述方案中，所述少模光纤的纤芯与包层折射率差Δ满足：0.007≥Δ≥0.002。上述方案中，所述单模光纤与少模光纤的横向偏差dm满足：dm≤0.8μm。上述方案中，所述少模光纤的长度L满足：L≥120mm。上述方案中，应力仅作用于少模光纤上。本专利技术的有益效果是：与现有技术相比，本专利技术提出采用单模光纤、少模光纤、单模光纤的简单组合以实现应力传感，无须采用光栅等复杂的制作工艺，且可以获得高灵敏度的传感。与采用多模光纤的传感结构相比，采用归一化频率值较小、光纤中模式数量少的少模光纤组成的传感结构灵敏度高、频谱规律，传感灵敏度稳定，且少模光纤长度选择范围大，易于确定光纤长度等参数。附图说明图1为本专利技术所述的一种光纤传感器件的组成结构示意图；图2为本专利技术光纤传感器件的输出能量随少模光纤长度的变化曲线，其中(a)dcore＝25μm，(b)dcore＝40μm，(c)dcore＝50μm；图3为本专利技术光纤传感器件的输出能量随少模光纤长度L的变化曲线；图4为本专利技术光纤传感器件在不同应力作用下的输出频谱曲线；图5本专利技术所述光纤传感器件一实施方式的光纤灵敏度和检测极限与少模光纤长度的关系曲线图；图中，1.第一单模光纤；2.少模光纤；3.第二单模光纤。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。图1为本专利技术的光纤结构示意图，所述光纤应力传感器件包括单模光纤和少模光纤2；所述单模光纤包括第一单模光纤1和第二单模光纤3；所述少模光纤2两端分别连接第一单模光纤1和第二单模光纤3，以组成干涉耦合机制，即从第一单模光纤1输入的光进入到少模光纤2，激发出少模光纤2中的模式，在少模光纤2输出端再经第二单模光纤3实现模式相干，少模光纤2的长度、纤芯直径、折射率等参数都会影响其激发的模式数量和能量分布以及耦合到单模光纤的能量，因而为传感应用提供了很好的机制。图2为少模光纤2取不同折射率差和直径时，输出能量随多模长度的变化情况。由图2(a)可知当少模光纤的纤芯与包层折射率差Δ和直径较小时，其输出能量不能呈现周期性耦合的特性；由图2(c)所示，当其直径和纤芯与包层折射率差Δ过大时，其耦合特性也变化不规律；由图2(b)所示，当取适中值时，其耦合曲线呈现周期性的特点，且其最小值区域(即波谷)较窄，有利于获得高的灵敏度和检测效果。其原因是，当少模光纤2的纤芯直径和折射率差过小时，少模光纤2接近于单模传输，因而在少模光纤2中难以形成有效的模式耦合，而当其纤芯直径和纤芯与包层折射率差Δ都很大时，少模光纤2中的模式数量过多，使得激发出的模式数量过多，因而，其耦合曲线不规律。事实上，由于光纤模式之间本身会因为外界因素、光纤折射率分布偏差等而发生耦合，由此，其实际耦合特性会受更多因素的影响，从而难以形成传感所需的频谱曲线。由此可见，采用合适参数的少模光纤2才能有利于模式耦合和传感。为此，要求少模光纤2的归一化频率满足：3.83171<V<7.01559，这里其中，n1，n2分别表示少模光纤2的纤芯和包层的折射率；a1表示纤芯半径，λ0为工作波长。即光纤至少能够支持传输LP02且可支持的最高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤应力传感器件，其特征在于，包括单模光纤和少模光纤(2)；所述单模光纤包括第一单模光纤(1)和第二单模光纤(3)；所述第一单模光纤(1)、少模光纤(2)和第二单模光纤(3)依次连接；所述少模光纤(2)的归一化频率满足：V=2πa1λ0(n12-n22)1/2,]]>3.83171<V<7.01559，其中，n1表示少模光纤(2)纤芯的折射率；n2表示少模光纤(2)包层的折射率；a1表示少模光纤(2)纤芯的半径；λ0表示工作波长。

【技术特征摘要】
1.一种光纤应力传感器件，其特征在于，包括单模光纤和少模光纤(2)；所述单模光纤包括第一单模光纤(1)和第二单模光纤(3)；所述第一单模光纤(1)、少模光纤(2)和第二单模光纤(3)依次连接；所述少模光纤(2)的归一化频率满足：V=2πa1λ0(n12-n22)1/2,]]>3.83171<V<7.01559，其中，n1表示少模光纤(2)纤芯的折射率；n2表示少模光纤(2)包层的折射率；a1表示少模光纤(2)纤芯的半径；λ0表示工作波长。...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱春霖，段伟东，岳震，曹国栋，陈明阳，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32