光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法技术

本发明专利技术公开光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法，其特征在于，包括如下步骤：1）基于电弧放电的光纤锥形结构制备；2）基于飞秒激光的锥形FBG制备；3）锥型FBG光谱标定测试，首先采集测试光源的透射光谱，作为测试基线；再采集该锥型FBG的反射光谱，将减去光源基线的反射光谱作为该传感器件的初始光谱；4）应变折射率传感测试系统测量，光纤传感器放置于等强度梁表面，通过光纤环行器与光源、光纤传感分析仪相连接；利用其改变轴向应变范围，通过胶头滴管将待测液体滴于传感区域，进行折射率传感测试。可避免电磁干扰，耐高温，可实现温度应变折射率同时测量。同时，其结构及制作工艺简单，可靠性好、灵敏度高。

【技术实现步骤摘要】
光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法
本专利技术属于光纤传感器件领域，具体涉及一种光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法。
技术介绍
光纤传感器具有诸多优良特性，可实现复杂环境下的测量工作具有非常广泛的应用价值。它具有抗电磁干扰、抗辐射、灵敏度高、重量轻、绝缘防爆、耐腐蚀等特点，且光纤尺寸微小，具有良好的光传输性能。在光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating,FBG）是常见的传感器件，具有结构简单、体积小、动态范围大、灵敏度高等优势，在航空航天、桥梁水利、周界安防、生物医学等重要领域中受到广泛关注。FBG是一种在纤芯内形成的空间相位周期性分布的栅类结构，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。当外界应变变化时，光纤光栅受轴向应力影响而出现相对位移，从而使得反射波长产生漂移。通过解调波长漂移的范围，可以直观计算出外界应变的变化。然而，如何改变传统光纤应变传感器单点检测的局限性、扩展检测对象范围，是光纤应变传感器的发展方向。普通光纤光栅传感器为圆柱型结构，折射率不能改变栅类结构之间的相对位移，因而无法直接对周围环境的折射率特性进行检测。通过电弧放电制备光纤锥型结构，增强光纤光场内模式传输的倏逝场。由于光纤内能量出射的强度与方向取决于包层与周围环境的折射率差值，故当外界环境折射率产生变化时，可通过光纤内光强信号的变化对其进行解调，实现折射率的传感。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法，通过电弧放电制备光纤锥型结构，并在此光纤锥型结构上使用飞秒激光直写制备FBG。同时，其结构及制作工艺简单，可靠性好、灵敏度高。为实现上述专利技术目的，本专利技术的技术方案是：光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法，其特征在于，包括如下步骤：1）基于电弧放电的光纤锥形结构制备；2）基于飞秒激光的锥形FBG制备；3）锥型FBG光谱标定测试，首先采集测试光源的透射光谱，作为测试基线；再采集该锥型FBG的反射光谱，将减去光源基线的反射光谱作为该传感器件的初始光谱；4）应变折射率传感测试系统测量，光纤传感器置于等强度梁表面，通过光纤环行器与光源、光纤传感分析仪相连接；利用其改变轴向应变范围，通过胶头滴管将待测液体滴于传感区域，进行折射率传感测试。作为本专利技术的一种优选，第一步，首先将两段SMF-28单模光纤端面去除涂覆层，经酒精擦拭后切平单模光纤，放置于熔接机内熔接，采用纤芯对准方式对准；其次，将两段单模光纤对齐，调节放电强度与放电时间，进行两段单模光纤放电，熔接；同时，电极驱动马达将两段SMF-28单模光纤进行旋转拉伸，完成光纤锥型结构制作。作为本专利技术的一种优选，第二步，首先将前一步骤制备的单模光纤锥形结构放置于三维移动平台上，保证视野清晰；再将飞秒激光光斑聚焦至纤芯上，采用直写方式在锥型区域上制备FBG传感器。作为本专利技术的一种优选，第三步，光源采用波段范围为1520-1610nm的ASE光源。作为本专利技术的一种优选，第三步，光谱分析设备使用Yokogawa公司的光谱分析仪，进行透射光谱的采集。作为本专利技术的一种优选，第三步，光纤环行器使用锥型光纤FBG的反射干涉光谱传输至光纤传感分析仪。与现有技术相比较，本专利技术的有益效果是：本专利技术采用全光纤式结构，可避免电磁干扰对检测结果的影响。该传感器主要由电弧放电制备的光纤锥型结构和飞秒激光制备的FBG组成，可实现应变和折射率的同时测量。使用电弧放电制备的光纤锥型结构可以实现折射率传感，使用飞秒激光制备的FBG可以提高应变测量范围和应变灵敏度，因此该结构可以扩展传感参数，同时实现应变与折射率的测量。该传感器可靠性高，使用时只需将传感器所在部分置于待测环境中，另一端连接光谱仪即可完成测试系统的实时双参数测量。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。图1a为本专利技术光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法的电弧放电的端面切平与纤芯对准示意图；图1b为本专利技术光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法的电弧放电的光纤对齐与放电熔接示意图；图1c为本专利技术光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法的电弧放电的电极旋转拉伸制备锥型结构示意图；图2为本专利技术实施例的飞秒激光锥形FBG加工制备示意图。图3为本专利技术实施例的锥型FBG传感器结构示意图。图4为本专利技术实施例的测试光源透射光谱示意图。图5为本专利技术实施例的减基前后传感器反射光谱对比示意图。图6为本专利技术实施例的应变-折射率传感测试系统示意图。图7为本专利技术实施例的应变测试光谱图示意图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。如图1-6所示，光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法，包括如下步骤：1）基于电弧放电的光纤锥形结构制备；首先将两段SMF-28单模光纤端面去除涂覆层，经酒精擦拭后切平单模光纤，放置于熔接机内熔接，采用纤芯对准方式对准；其次，将两段单模光纤对齐，调节放电强度与放电时间，进行两段单模光纤放电，熔接；同时，电极驱动马达将两段SMF-28单模光纤进行旋转拉伸，完成光纤锥型结构制作。2）基于飞秒激光的锥形FBG制备；首先将前一步骤制备的单模光纤锥形结构放置于三维移动平台上，保证视野清晰；再将飞秒激光1光斑聚焦至纤芯上，采用直写方式在锥型区域上制备FBG传感器。3）锥型FBG光谱标定测试，为保证后续测试的准确性，需要对该器件的反射光谱进行标定。首先采集测试光源的透射光谱，作为测试基线；再采集该锥型FBG的反射光谱，将减去光源基线的反射光谱作为该传感器件的初始光谱；4）应变折射率传感测试系统测量，光纤传感器置于等强度梁4表面，通过光纤环行器与光源、光纤传感分析仪相连接；利用其改变轴向应变范围，通过胶头滴管5将待测液体滴于传感区域，进行折射率传感测量。上述光源采用波段范围为1520-1610nm的ASE光源2；光谱分析设备使用Yokogawa公司的光谱分析仪3，进行透射光谱的采集；上述光纤环行器使用锥型光纤FBG的反射干涉光谱传输至光纤传感分析仪。如图7所示，实验中的反射光谱。当光纤传感器两端所受应力发生变化，反射光谱谱线会发生漂移，记录某特征峰在不同应变或折射率下对应的波长值即可实现对该双参数的高精度测量。采用电弧放电制备光纤锥型结构，并在锥型结构上使用飞秒激光直写制备FBG，将两种光纤结构结合进行测量，避免多参数测量时的交叉干扰，实现应变和折射率的双参数测量。以上所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法，其特征在于，包括如下步骤：1）基于电弧放电的光纤锥形结构制备；2）基于飞秒激光的锥形FBG制备；3）锥型FBG光谱标定测试，首先采集测试光源的透射光谱，作为测试基线；再采集该锥型FBG的反射光谱，将减去光源基线的反射光谱作为该传感器件的初始光谱；4）应变折射率传感测试系统测量，光纤传感器放置于等强度梁表面，通过光纤环行器与光源、光纤传感分析仪相连接；利用其改变轴向应变范围，通过胶头滴管将待测液体滴于传感区域，进行折射率传感测试。

【技术特征摘要】
1.光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法，其特征在于，包括如下步骤：1）基于电弧放电的光纤锥形结构制备；2）基于飞秒激光的锥形FBG制备；3）锥型FBG光谱标定测试，首先采集测试光源的透射光谱，作为测试基线；再采集该锥型FBG的反射光谱，将减去光源基线的反射光谱作为该传感器件的初始光谱；4）应变折射率传感测试系统测量，光纤传感器放置于等强度梁表面，通过光纤环行器与光源、光纤传感分析仪相连接；利用其改变轴向应变范围，通过胶头滴管将待测液体滴于传感区域，进行折射率传感测试。2.根据权利要求1所述光纤锥型结构的飞秒直写FBG应变和折射率测量方法，其特征在于，第一步，首先将两段SMF-28单模光纤端面去除涂覆层，经酒精擦拭后切平单模光纤，放置于熔接机内熔接，采用纤芯对准方式对准；其次，将两段单模光纤对齐，调节放电强度与放电时间，进行两段单模光...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雯，祝连庆，何巍，娄小平，董明利，宋言明，刘锋，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11