一种同时测量应力、折射率光纤传感器及其控制方法、制备方法技术

本发明专利技术公开了一种同时测量应力、折射率光纤传感器及其控制方法、制备方法，在锥形结构中添加花生结构，进一步激发光的高阶模式，使传感器的灵敏度得到进一步提升。仅采用单模光纤(SMF)和简单的熔接技术，降低了传感器的成本和制造难度。因此可以将此传感器应用于规模较大的建筑结构和一些精细工程结构的监测系统里。锥具有特殊的锥形波导结构和锥腰细直特性，当锥腰直径足够小时，可以使传感器有较高的应力灵敏度。由于锥形传感器对液体折射率是敏感的，因此可以用于测量液体折射率。同时，由于本发明专利技术传感器仅用到单模光纤(SMF)且结构简单，因此不仅使得本发明专利技术性能稳定而且还大大降低了传感器的成本。低了传感器的成本。低了传感器的成本。

【技术实现步骤摘要】
一种同时测量应力、折射率光纤传感器及其控制方法、制备方法


[0001]本专利技术涉及一种同时测量应力、折射率光纤传感器及其控制方法、制备方法，属于于光纤传感


技术介绍

[0002]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。近年来,随着传感技术的飞速发展,光纤传感器以其体积小、重量轻、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优异的特性倍受青睐,可用于高温高压、强电磁场、强腐蚀等恶劣环境中的探测。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。在一些建筑结构和一些精细工程结构的监测系统，对渗水的监测也是整个施工安全监测的重要部分，目前能对应力、折射率同时测量的传感器鲜有报道。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供了一种同时测量应力、折射率光纤传感器及其控制方法、制备方法，解决了
技术介绍
中披露的问题。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种同时测量应力、折射率光纤传感器，包括单模光纤，所述单模光纤设有M
‑
Z干涉仪，所述M
‑
Z干涉仪包括两个相对称的锥形结构，两个相对称的锥形结构的尖端相对，尖端相对处呈花生状结构。
[0005]进一步地，所述两个相对称的锥形结构的长度为2L1＝700μm。
[0006]进一步地，所述花生状结构高L3＝70μm，宽2L4＝90μm。
[0007]进一步地，所述M
‑
Z干涉仪的数量为两个，两个M
‑
Z干涉仪的间距为L2＝0.5cm。
[0008]相应地，一种同时测量应力、折射率光纤传感器的控制方法：
[0009]当入射光传播进入第一个M
‑
Z干涉仪时，在纤芯中传输的光的一部分经花生状结构耦合到包层中进行传输，而另一部分留在纤芯中进行传输；在纤芯中传输的光进一步被激发到包层中；当光通过第二个M
‑
Z干涉仪时，在锥形结构末端包层中的光耦合到纤芯中。
[0010]进一步地：
[0011]M
‑
Z干涉仪的干涉强度为：
[0012][0013]M
‑
Z干涉仪的相位差为：
[0014][0015]其中I1是纤芯模式的光强，I2是包层模式的光强；λ是真空中的波长；L是M
‑
Z干涉仪有效光学长度；
△
n
eff
是纤芯模式和包层模式的有效折射率差；是纤芯模式和包层模式间的相位差；
[0016]当相位差满足条件
[0017]即出现干涉波谷，其中m为整数，λ
dip
为第m级干涉条纹的波长；
[0018]当应力或者折射率变化时，会引起MZ干涉的有效折射率差和有效光学长度的变化，从而引起干涉波长的漂移，通过追踪波谷波长的漂移得到外界应力和折射率的变化；
[0019]假设应力和液体折射率的变化值为
△
ε和
△
n，则波谷dip1和波谷dip2的波长漂移分别表示为：
[0020][0021]其中k
ε1
和k
ε2
分别是传感器在波谷dip1和波谷dip2的应力灵敏度，k
n1
和k
n2
分别是传感器在波谷dip1和波谷dip2的折射率灵敏度；
[0022]同时测量应力和折射率由方程(4)得到，表示为：
[0023][0024]相应地，一种同时测量应力、折射率光纤传感器的制备方法：
[0025]单模光纤连接光纤熔接机，设置光纤熔接机放电参数，放电制作两个尖端相对的锥形结构，将锥形结构从腰部最小直径处切断，将切断后的锥形断面分别置于光纤熔接机中，移动光纤熔接机马达使两断面置于光纤熔接机面板中央，设置光纤熔接机放电参数，放电使两个锥形结构的尖端形成球状，两个锥形结构的尖端形成花生状结构。
[0026]进一步地，尖端相对的锥形结构长度2L1＝700μm，其腰部最小直径为55μm；所述花生状结构高L3＝70μm，宽2L4＝90μm。
[0027]相应地，一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据上述的方法中的任一方法。
[0028]相应地，一种计算设备，包括：
[0029]一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据上述的方法中的任一方法的指令。
[0030]本专利技术所达到的有益效果：本专利技术通过对单模光纤(SMF)进行简单的熔接形成锥形结构和花生状结构，无须采用光栅等复杂的制作工艺，可以使传感器能同时测量应力和折射率，并且此传感探头结构简单、性能稳定、价格低廉。在锥形结构中添加花生状结构，进一步激发光的高阶模式，使传感器的灵敏度得到提升。
附图说明
[0031]图1为本专利技术结构示意图；
[0032]图2为本专利技术的应力传感实验示意图；
[0033]图3为本专利技术的折射率传感实验示意图。
具体实施方式
[0034]下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。
[0035]如图1所示，本专利技术的一种同时测量应力、折射率光纤传感器，包括单模光纤，所述单模光纤设有M
‑
Z干涉仪，所述M
‑
Z干涉仪包括两个相对称的锥形结构，两个相对称的锥形结构的尖端相对，尖端相对处呈花生状结构。所述两个相对称的锥形结构的长度为2L1＝700μm。所述花生状结构高L3＝70μm，宽2L4＝90μm。所述M
‑
Z干涉仪的数量为两个，两个M
‑
Z干涉仪的间距为L2＝0.5cm。
[0036]本专利技术的一种同时测量应力、折射率光纤传感器的控制方法：当入射光传播进入第一个锥形结构、花生结构时，在纤芯中传输的光的一部分耦合到包层中进行传输，而另一部分留在纤芯中进行传输。由于锥形结构中花生结构的存在，在纤芯中传输的光进一步被激发到包层中。当光通过第二个锥形结构、花生结构时，在第二个锥形结构末端包层中的光耦合到纤芯中，如图1所示。锥形结构、花生结构形成一个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同时测量应力、折射率光纤传感器，其特征在于：包括单模光纤，所述单模光纤设有M
‑
Z干涉仪，所述M
‑
Z干涉仪包括两个相对称的锥形结构，两个相对称的锥形结构的尖端相对，尖端相对处呈花生状结构。2.根据权利要求1所述的一种同时测量应力、折射率光纤传感器，其特征在于：所述两个相对称的锥形结构的长度为2L1＝700μm。3.根据权利要求1所述的一种同时测量应力、折射率光纤传感器，其特征在于：所述花生状结构高L3＝70μm，宽2L4＝90μm。4.根据权利要求1所述的一种同时测量应力、折射率光纤传感器，其特征在于：所述M
‑
Z干涉仪的数量为两个，两个M
‑
Z干涉仪的间距为L2＝0.5cm。5.根据权利要求4所述的一种同时测量应力、折射率光纤传感器的控制方法，其特征在于：当入射光传播进入第一个M
‑
Z干涉仪时，在纤芯中传输的光的一部分经花生状结构耦合到包层中进行传输，而另一部分留在纤芯中进行传输；在纤芯中传输的光进一步被激发到包层中；当光通过第二个M
‑
Z干涉仪时，在锥形结构末端包层中的光耦合到纤芯中。6.根据权利要求5所述的一种同时测量应力、折射率光纤传感器的控制方法，其特征在于：M
‑
Z干涉仪的干涉强度为：M
‑
Z干涉仪的相位差为：其中I1是纤芯模式的光强，I2是包层模式的光强；λ是真空中的波长；L是M
‑
Z干涉仪有效光学长度；
△
n
eff
是纤芯模式和包层模式的有效折射率差；是纤芯模式和包层模式间的相位差；当相位差满足条件即出现干涉波谷，其中m为整数，λ
dip
为第m级干涉条纹的波...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘博，赵立龙，毛雅亚，郑杰文，吴翔宇，吴泳锋，孙婷婷，任建新，戚志鹏，李莹，王凤，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：