基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器，宽带光源通过单模光纤连接循环器，循环器通过单模光纤分别连接应力调节器上面的光纤探头和所述光谱分析仪；将单模光纤进行错位熔接，并在其端面上镀上反射层，再将错位熔接点的光纤探头固定放置在应力调节器上，宽带光源通过循环器进入光纤探头，然后反射光反射形成M‑Z干涉效果，再次通过循环器，并通过光谱分析仪观察光谱，以监测和记录反射层的反射光谱变化。本发明专利技术光纤传感器灵敏度高，可以作为探头直接插入待测物体或溶液当中，更方便检测。本发明专利技术采用单模光纤，取材方便，价格低廉。灵敏度高，低成本和简单的结构化测量装置具有巨大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器
本专利技术是属于光纤传感领域，尤其涉及到利用错位结构实现温度与应力传感技术，具体涉及一种基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器。
技术介绍
在过去的几十年里，随着光纤通信和光电技术的迅速发展，光纤传感技术也得到了比较全面的发展。光纤传感器以其体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、可弯曲扭曲、及进行点式和分布式测量等优点而在建筑工程、电力工业、航天航海、医学和化学等领域得到广泛的应用。美国最早研究出了光纤陀螺仪、水声器、磁强计等光纤传感系统和用于核辐射监测的光纤传感器。日本、英国、法国和德国等许多国家也纷纷积极参与了光纤传感器的研究竞争中。目前，光纤传感器已经从军事上到民用上都得到了广泛的应用。光纤M-Z传感器近年来在光纤传感领域引起了很大的研究兴趣，其体积小巧、结构牢固，灵敏度高，马赫曾德尔干涉仪(M-Z)原理，将一束光首先分离成两束，两束光分别经历不同的光路再合束，由于两束光经历的光路不同，就产生了光程差，当两束光再次合束时则会出现干涉现象。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述技术分析，提供一种传感器，由光纤包层模、纤芯模进行干涉产生对温度与应力的敏感特性，实现对温度与应力的测量。本专利技术采用以下技术方案实现上述目的：基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器，包括宽带光源和光谱分析仪，所述宽带光源通过单模光纤连接循环器，循环器通过单模光纤分别连接应力调节器上面的光纤探头和所述光谱分析仪；将单模光纤进行错位熔接，并在其端面上镀上反射层，再将错位熔接点的光纤探头固定放置在应力调节器上，宽带光源通过循环器进入光纤探头，然后反射光反射形成M-Z干涉效果，再次通过循环器，并通过光谱分析仪观察光谱，以监测和记录反射层的反射光谱变化。进一步，所述错位熔接的偏移量为4μm-8μm。进一步，所述光纤探头的长度是错位熔接点到其端面反射层的距离为1-3cm。进一步，所述反射层为金、银或铝镀层。本专利技术采用单模光纤，取材方便，价格低廉。反射层不仅有利于增强反射，还用于保护光纤端面免受污染。这种光纤结构能够抵抗更大的拉力，同时也增大了应力测量的范围。由光纤包层模、纤芯模进行干涉，提高对温度与应力的敏感特性，在温度变化时光纤膨胀，同时光纤直径随之发生改变，且当施加应力时，导致光纤长度发生改变，从而导致透射谱发生变化，实现对温度与应力的测量。本专利技术新型的M-Z光纤探头式传感器比传统的M-Z光纤传感器灵敏度更高，可以作为探头直接插入待测物体或溶液当中，更方便检测。本专利技术可应用于化学和生物传感领域。同时在光纤温度与应力传感方面具有巨大的应用前景。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图；图2是本专利技术中光纤内的光结构图；图3是本专利技术的透射光谱曲线图；图中：1.宽带光源，2.光谱分析仪，3.单模光纤，4.循环器，5.光纤探头，6.应力调节器；01.左段光纤，02.错位熔接点，03.右段光纤，04.反射层。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说明，参见图1至图2，基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器，包括宽带光源1和光谱分析仪2，所述宽带光源1通过单模光纤3连接循环器4，循环器4通过单模光纤3分别连接应力调节器6上面的光纤探头5和所述光谱分析仪2；将单模光纤3进行错位熔接，并在其端面上镀上反射层04，再将错位熔接点02的光纤探头5固定放置在应力调节器6上，宽带光源1通过循环器4进入光纤探头5，然后反射光反射形成M-Z干涉效果，再次通过循环器4，并通过光谱分析仪2观察光谱，以监测和记录反射层04的反射光谱变化。所述单模光纤3为任意单模光纤。所述错位熔接的偏移量为4μm-8μm。所述光纤探头5长度L是错位熔接点到其端面反射层04的距离为1-3cm，所述反射层04为金、银或铝镀层。本专利技术将熔接好的光纤探头5固定放置在应力调节器6上，然后光通过循环器4进入光纤探头5，然后反射光再次通过循环器4，并通过光谱分析仪2观察光谱，以监测和记录反射光谱变化。在光纤探头5中发生光干涉，在光纤M-Z的情况下，由反射光产生的第二干涉仅考虑纤芯模式，因为光纤尾纤足够长以衰减包层模能量。首先，输入光通过光纤传播，经过错位熔接点02激发包层模，输出端总光强为：其中：I1和I2是纤芯模和包层模的光强度，ΔΦ是它们之间的相位差。ΔΦ＝2πΔneffLeff/λ，其中Δneff是纤芯与包层模之间的有效折射率差，Leff是光纤探头5干涉仪的有效长度，λ是输入光波长。当传输信号幅度达到其信号的最小值即波谷时，相应位置满足π的奇数倍，即：对(2)式中的λ，求导数可得：|Δλ|＝λ2/LΔn(3)由(3)式可知，在该干涉型滤波器的传输谱中，相邻波谷的波长间隔与中心波长、纤芯和包层的有效折射率差有关。当单模光纤3受到轴向应力作用时，其长度会发生微小变化。因为掺锗石英纤芯的弹光系数大于纯石英构成的包层的弹光系数，所以纤芯和包层之间的有效折射率差减小。此时，传输谱线也会受到影响。则输出波长的变化量可以表示为：式中：v为光纤的泊松系数，pe为有效弹光系数，ε为单位长度的形变量。从式可以看出，当施加轴向应力时，透射光谱曲线会向发生偏移。当温度变化时，对公式温度求偏导，可以得到温度变化对传感器的影响被表达为：式中，T是温度的变化量，根据公式(5)我们可以得到温度-波长公式：式中是M-Z传感器的热光系数，是传感器的热膨胀系数，可以从公式(6)看出传感器光谱的波长变化与温度变化之间的关系是线性的，可以用提出的M-Z传感器做温度传感。如图2所示，宽带光:1在左段光纤01纤芯模式输入至右段光纤03，经过错位熔接点02时，激发输入光的包层模，经过反射层04反射后，再次经过错位熔接点02时包层模与纤芯模耦合发生干涉。利用温度变化时光纤膨胀光纤直径也随之改变，同时当施加应力时，也会导致光纤长度发生改变。从而导致透射谱发生变化，实现对温度与应力的测量。如图3所示,a峰干涉消光比较好,FSR合适,损耗较低。选取1535nm和1567nm附近的波谷,选取图中a峰作为参考点，分别观察温度和应力的响应特性。当单模光纤3周围相对温度变化时和单模光纤3受应力影响时，其长度和直径会发生变化，同时透射光谱也会按图方向红移，从而达到温度和应力的测量目的。本专利技术将单模光纤3进行错位熔接，在其端面反射层04的反射形成M-Z干涉效果，输入宽带光源1在经过错位熔接点02时，激发输入光的包层模，包层模和纤芯模均在光纤探头5中传输，经过反射层04反射后，再次经过错位熔接点02时包层模与纤芯模耦合发生干涉。在周围温度变化时光纤膨胀，同时光纤直径随之改变，且当施加应力时，导致光纤长度发生改变，从而导致透射谱发生变化，实现对温度与应力的测量。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器，包括宽带光源和光谱分析仪，其特征在于，所述宽带光源通过单模光纤连接循环器，循环器通过单模光纤分别连接应力调节器上面的光纤探头和所述光谱分析仪；将单模光纤进行错位熔接，并在其端面上镀上反射层，再将错位熔接点的光纤探头固定放置在应力调节器上，宽带光源通过循环器进入光纤探头，然后反射光反射形成M‑Z干涉效果，再次通过循环器，并通过光谱分析仪观察光谱，以监测和记录反射层的反射光谱变化。

【技术特征摘要】
1.基于单个错位熔接的光纤探头式温度与应力传感器，包括宽带光源和光谱分析仪，其特征在于，所述宽带光源通过单模光纤连接循环器，循环器通过单模光纤分别连接应力调节器上面的光纤探头和所述光谱分析仪；将单模光纤进行错位熔接，并在其端面上镀上反射层，再将错位熔接点的光纤探头固定放置在应力调节器上，宽带光源通过循环器进入光纤探头，然后反射光反射形成M-Z干涉效果，再次通过循环器，并通过光谱分析仪观察光谱，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘彬，廖云程，刘娟，万生鹏，何兴道，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西,36