基于多模光纤形状调制的应变传感器及其制备和应用方法技术

本发明专利技术公开了基于多模光纤形状调制的应变传感器及其制备和应用方法，包括依次连接的输入单模光纤、多段多模光纤、输出单模光纤；所述输入单模光纤与首段多模光纤对向错位熔接在一起，下一段多模光纤与上一段多模光纤对向错位熔接在一起，下一段的错位方向与上一段的错位方向相反，错位距离相同；所述输出单模光纤和末段多模光纤对芯熔接在一起；所述输入单模光纤和输出单模光纤中心轴在同一直线上，所述输入单模光纤和输出单模光纤分别作为所述应变传感器的一端和另一端。本发明专利技术通过多段多模光纤错位熔接构成，改变单模

【技术实现步骤摘要】
基于多模光纤形状调制的应变传感器及其制备和应用方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，尤其涉及一种基于多模光纤形状调制的应变传感器及其制备和应用方法。

技术介绍

[0002]自从20世纪七八十年代以来，光纤传感技术伴随着光纤的发展而出现并且一直在快速发展，光纤传感器由于具有体积小，重量轻，灵敏度高，耐腐蚀性，有抗电磁干扰能力等特点，被广泛应用于航空航天、军事、国防、医疗、石油、金属冶炼等领域，可以用于测量环境的温度、湿度、压力、应变、距离、电磁场等物理量。光纤传感器的应用广泛性和各种性能优点，使得目前有许多团队在从事相关研究。
[0003]单模
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多模
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单模(single
‑
mode
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multimode
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single
‑
mode,SMS)光纤结构是由一段多模光纤嵌在两段单模光纤中间组成，其结构简单、制作成本低、灵敏度高，是一种实际应用广泛的光纤传感结构。1995年，Lucas B.Soldano等人首次在理论上解释了多模干涉效应和自成像原理。1997年，Denis Donlagic等人首次提出可以将单模多模单模光纤结构用于传感测量，并在两根单模光纤之间嵌入了一段多模光纤，研究制作出了一种高灵敏度的传感器，并在1999年又进一步分析了单模
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多模
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单模光纤结构内的微弯损耗，进一步减小了光在光纤结构中的传输损耗，自此单模
–
多模
>–
单模光纤结构被各团队研究应用于光纤传感领域。
[0004]随着光纤传感领域的不断发展，对光纤传感性能有了更高的要求，为了满足传感器在实际应用、日常生活中的灵敏度要求，各研究团队探索了不同方法来进一步提高单模
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多模
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单模光纤结构的灵敏度。
[0005]2009年，王凯军等人使用氢氟酸溶液腐蚀多模光纤的包层，让更多的光在包层传输来增强光纤中的倏逝场效应，从而提高传感器的折射率灵敏度，并在1.33
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1.37范围内实现了5.4
×
10
‑5nm/RIU的传感器灵敏度。2010年，Susana Silva等人提出了一种弯曲型单模
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多模
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单模光纤结构，实现了对温度和应力的同时独立测量。2013年，天津理工大学杨娇使用无芯光纤代替普通的石英多模光纤，将其用于温度和液位的同时测量，实验得到传感器的温度灵敏度为66pm/℃、139pm/℃、31pm/℃，并且实验探索了不同液体对液面灵敏度的影响，实验中所得到的最高灵敏度为
‑
121.5pm/mm。2014年，Song Dawei等人在多模光纤部分刻写光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)用于应变传感，得到FBG透射峰的应变灵敏度为2.7pm/με。2017年Ke Tian等人使用葫芦形接口的多模光纤制备了单模
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多模
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单模光纤结构，并用于应变传感测量，在0
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1000με范围内应变灵敏度可达
‑
2.60pm/με，次年提出基于S型多模光纤的单模
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多模
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单模光纤结构，应变灵敏度为103.8pm/με。2020年，Ling Chen等人提出了一种单模光纤
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拉锥双无芯光纤
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单模光纤结构，用于检测灭活金黄色葡萄球菌的超高灵敏度的光纤生物传感器，当金黄色葡萄球菌浓度为70CFU/mL时，传感器具有的最大波长偏移为2.04nm，检测极限为3.1CFU/mL。2021年大连理工大学李桐使用单模无芯单模光纤结构进行腐蚀监测，进行了仿真模拟和实验验证，无芯光纤的长度会对外部环境
折射率灵敏度造成显著影响，并研究了Au膜和Fe
‑
C膜涂层对光纤结构折射率灵敏度的影响，得到具有Fe
‑
C膜涂层的单模无芯单模光纤在灵敏度、量程和使用寿命等方面有着较好的性能。
[0006]因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于多模光纤形状调制的应变传感器及其制备和应用方法，通过错位熔接的方法来进一步提高单模
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多模
–
单模光纤结构的应变灵敏度，多模光纤部分由多个小段多模光纤错位熔接而成，调制区域更易受到应变和外部环境影响，从而透射光谱有着更大的漂移。

技术实现思路

[0007]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何制备一种基于多模光纤形状调制的高灵敏度应变传感器。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于多模光纤形状调制的应变传感器，包括依次连接的输入单模光纤、多段多模光纤、输出单模光纤；所述输入单模光纤与首段多模光纤对向错位熔接在一起，下一段多模光纤与上一段多模光纤对向错位熔接在一起，下一段的错位方向与上一段的错位方向相反，错位距离相同；所述输出单模光纤和末段多模光纤对芯熔接在一起；所述输入单模光纤和输出单模光纤中心轴在同一直线上，所述输入单模光纤和输出单模光纤分别作为所述应变传感器的一端和另一端。
[0009]进一步地，所述多段多模光纤形成多模光纤调制区域，所述多模光纤调制区域的长度为2000至10000μm。
[0010]进一步地，所述输入单模光纤、输出单模光纤的包层直径均为125μm，纤芯直径均为4至10μm；所述多段多模光纤的包层直径均为125μm，纤芯直径均为50至100μm。
[0011]进一步地，所述多段多模光纤为2至20之间的偶数段；每段多模光纤的长度相同，均为200至2000μm；所述错位距离均为4至25μm。
[0012]本专利技术还提供了一种基于多模光纤形状调制的应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0013]步骤1、将一根输入单模光纤与一根多模光纤剥掉涂覆层，擦拭干净后切平端面，将切割后的输入单模光纤与多模光纤进行熔接，熔接时设置一段错位距离；
[0014]步骤2、将熔接后的光纤放入高精度光纤切割平台，在高精度电荷耦合器件相机下寻找光纤熔点，移动光纤切割刀与光纤熔点的相对位置，使得光纤切割刀在多模光纤中距离光纤熔点预定长度处，将光纤进行切割；
[0015]步骤3、将切割后的光纤与另一段多模光纤进行熔接，熔接时设置相同的错位距离，错位方向与上一段错位方向相反；
[0016]步骤4、重复步骤2和步骤3，直至预定段数的多模光纤与输入单模光纤依次错位熔接；
[0017]步骤5、将熔接后的光纤与一根输出单模光纤进行对芯熔接，得到所制备的应变传感器。
[0018]进一步地，所述步骤4中所述预定段数的多模光纤形成多模光纤调制区域，所述多模光纤调制区域的长度为2000至10000μm。
[0019]进一步地，所述步骤1中的所述输入单模光纤、所述步骤5中的所述输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多模光纤形状调制的应变传感器，其特征在于，包括依次连接的输入单模光纤、多段多模光纤、输出单模光纤；所述输入单模光纤与首段多模光纤对向错位熔接在一起，下一段多模光纤与上一段多模光纤对向错位熔接在一起，下一段的错位方向与上一段的错位方向相反，错位距离相同；所述输出单模光纤和末段多模光纤对芯熔接在一起；所述输入单模光纤和输出单模光纤中心轴在同一直线上，所述输入单模光纤和输出单模光纤分别作为所述应变传感器的一端和另一端。2.如权利要求1所述的基于多模光纤形状调制的应变传感器，其特征在于，所述多段多模光纤形成多模光纤调制区域，所述多模光纤调制区域的长度为2000至10000μm。3.如权利要求1所述的基于多模光纤形状调制的应变传感器，其特征在于，所述输入单模光纤、输出单模光纤的包层直径均为125μm，纤芯直径均为4至10μm；所述多段多模光纤的包层直径均为125μm，纤芯直径均为50至100μm。4.如权利要求1所述的基于多模光纤形状调制的应变传感器，其特征在于，所述多段多模光纤为2至20之间的偶数段；每段多模光纤的长度相同，均为200至2000μm；所述错位距离均为4至25μm。5.一种基于多模光纤形状调制的应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将一根输入单模光纤与一根多模光纤剥掉涂覆层，擦拭干净后切平端面，将切割后的输入单模光纤与多模光纤进行熔接，熔接时设置一段错位距离；步骤2、将熔接后的光纤放入高精度光纤切割平台，在高精度电荷耦合器件相机下寻找光纤熔点，移动光纤切割刀与光纤熔点的相对位置，使得光纤切割刀在多模光纤中距离光纤熔点预定长度处，将光纤进行切割；步骤3、将切割后的光纤与另一段多模光纤进行熔接，熔接时设置相同的错位距离，错位方向与上一段错...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏飞，田可，赵志远，李慧斌，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：