一种基于空芯光纤的光纤传感器及制作方法技术

本发明专利技术提供了一种基于空芯光纤的光纤传感器及制作方法，属于光纤传感器技术领域，包括空芯光纤，所述空芯光纤的一端熔接有第一单模光纤，所述空芯光纤的另一端熔接有第二单模光纤，所述第一单模光纤与光源连接，第二单模光纤连接于光谱仪，所述空芯光纤外包裹有增敏膜，所述增敏膜由聚乙烯醇和石墨烯的复合材料制成；光纤传感器能够同时测量温度

【技术实现步骤摘要】
一种基于空芯光纤的光纤传感器及制作方法


[0001]本专利技术属于光纤传感器
，具体涉及一种基于空芯光纤的光纤传感器及制作方法
。

技术介绍

[0002]光纤传感器是以光波为信号
、
以光纤为传输介质，利用干涉
、
倏逝场
、
光吸收和表面等离子体共振等光学现象进行环境量的测量
。
其中，马赫
‑
曾德干涉的原理是通过将光纤中的光分成两个光路，其中一个光路作为参考臂，另一个作为传感臂，通过改变传感臂的内外折射率或长度等因素，改变传感臂中光束的光程大小，进而改变两光束的光程差，进而改变干涉频谱
。
在近三十年，马赫
‑
曾德光纤传感器经历了多光纤结构到单光纤结构的发展
。
法布里
‑
珀罗干涉的原理是入射光在前后两处反射面的反射光发生干涉
。
反共振效应是当高折射率的环形包层夹在低折射率且折射率相近的纤芯和外界包层，此时环形包层可视为沿径向的法布里珀罗谐振器
。
当入射光的波长不满足满足法珀谐振器的谐振条件时，光将返回到空气核心并向前传播，而满足共振条件波长的光将被束缚在包层中传播并通过倏逝场损耗掉
。
[0003]在复杂的监测环境中，往往需要同时监测多个参数，以单一结构实现更多参数的测量具有更广泛的应用前景
。
例如在桥梁等大型建筑的结构健康监测中，需要同时监测多项参数，其中应力监测和环境监测是重要组成部分，通过应力监测，可以了解桥梁主要承力构件的受力状态，为桥梁疲劳分析提供数据支持
。
同时，桥梁处于大气环境中，长期受到桥区气候条件作用，结构的安全性和耐久性受到影响，这就需要对桥区的温度和湿度等主要环境参数进行重点监测
。
然而现有传感器技术方案大多是多个传感器同时测量，或是采用级联结构进行三参数测量，这些方案大多结构复杂
、
成本较高
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于空芯光纤的光纤传感器及制作方法，实现了对温度
、
湿度和应变的同时敏感，解决了传统多传感器方案进行结构健康监测时的高成本和长距离检测困难等问题
。
[0005]为了解决上述问题，本专利技术采用如下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种基于空芯光纤的光纤传感器，包括空芯光纤，所述空芯光纤的一端熔接有第一单模光纤，所述空芯光纤的另一端熔接有第二单模光纤，所述空芯光纤外包裹有增敏膜，所述增敏膜由聚乙烯醇和石墨烯的复合材料制成
。
[0006]进一步地，所述空芯光纤的纤芯直径小于或等于第一单模光纤模场直径和第二单模光纤模场直径
。
[0007]进一步地，所述第一单模光纤模场直径和第二单模光纤模场的直径设置为
10
μ
m。
[0008]进一步地，所述空芯光纤的长度范围设置为
300
μ
m
～
1000
μ
m。
[0009]进一步地，所述第一单模光纤和第二单模光纤的包层直径设为
125
μ
m
，纤芯直径设
为
10
μ
m
，包层折射率设为
1.466
，纤芯折射率设为
1.467。
[0010]进一步地，所述空芯光纤的长度为
500
μ
m
，纤芯直径为
10
μ
m
，空芯光纤3的包层折射率为
1.466。
[0011]第二方面，本专利技术还提供了一种基于空芯光纤的光纤传感器的制作方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤
:
[0012]将第一单模光纤和空芯光纤进行无塌陷熔接，根据设定长度选取的空芯光纤的切割位置进行切割；
[0013]将切割过的空芯光纤与第二单模光纤无塌陷熔接；
[0014]将
PVA
粉末加入去离子水，通过加热搅拌制备
PVA
溶液；将石墨烯溶液按照预设时间进行超声处理，将
PVA
溶液与石墨烯溶液充分混合后进行超声处理，得到混合均匀的
G
‑
PVA
溶液；
[0015]使用提拉法使空芯光纤表面附着
G
‑
PVA
溶液，加热干燥形成增敏膜；
[0016]将第一单模光纤与光源连接，第二单模光纤与光谱仪连接
。
[0017]进一步地，所述石墨烯溶液进行超声处理的设定时间为
0.5h
～
1h。
[0018]进一步地，所述
PVA
溶液浓度范围数值为5％～
10
％，将
PVA
溶液与石墨烯溶液按照体积比
1:1
混合得到
G
‑
PVA
溶液
。
[0019]进一步地，使用熔接机对第一单模光纤和空芯光纤
、
空芯光纤与第二单模光纤进行无塌陷熔接
。
[0020]与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：本专利技术在空芯光纤的一端熔接有第一单模光纤，所述空芯光纤的另一端熔接有第二单模光纤，所述第一单模光纤与光源连接，第二单模光纤连接于光谱仪，所述空芯光纤外包裹有增敏膜，所述增敏膜由聚乙烯醇和石墨烯的复合材料制成；光纤传感器能够同时测量温度
、
湿度以及应变三个参数，利用三种机制受温度
、
湿度和应变影响不同的特性，实现了对温度
、
湿度和应变的同时敏感，同时利用增敏膜技术提高了对湿度的灵敏度
。
本专利技术解决了传统多传感器方案进行结构健康监测时的高成本和长距离检测困难等问题，并且方便与其他全光纤传感系统结合
。
附图说明
[0021]图1是本专利技术实施例1提供的一种基于空芯光纤的光纤传感器结构示意图；
[0022]图2是本专利技术实施例1提供种基于空芯光纤的光纤传感器与电源和光谱仪连接示意图；
[0023]图3是本专利技术实施例1提供的基于空芯光纤的光纤传感器温度测试拟合图；
[0024]图4是本专利技术实施例1提供的基于空芯光纤的光纤传感器湿度测试拟合图；
[0025]图5是本专利技术实施例1提供的基于空芯光纤的光纤传感器应变测试拟合图：
[0026]图中：1‑
第一单模光纤；2‑
熔接点；3‑
空芯光纤；4‑
增敏膜；5‑
第二单模光纤；6‑
光源；7‑
光纤传感器；8‑
光谱仪
。
具体实施方式
[0027]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，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于空芯光纤的光纤传感器，其特征在于，包括空芯光纤
(3)
，所述空芯光纤
(3)
的一端熔接有第一单模光纤
(1)
，所述空芯光纤
(3)
的另一端熔接有第二单模光纤
(5)
，所述空芯光纤
(3)
外包裹有增敏膜
(4)
，所述增敏膜
(4)
由聚乙烯醇和石墨烯的复合材料制成
。2.
根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的光纤传感器，其特征在于，所述空芯光纤
(3)
的纤芯直径小于或等于第一单模光纤
(1)
模场直径和第二单模光纤
(5)
模场直径
。3.
根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的光纤传感器，其特征在于，所述第一单模光纤
(1)
模场直径和第二单模光纤
(5)
模场的直径设置为
10
μ
m。4.
根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的光纤传感器，其特征在于，所述空芯光纤
(3)
的长度范围设置为
300
μ
m
～
1000
μ
m。5.
根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的光纤传感器，其特征在于，所述第一单模光纤
(1)
和第二单模光纤
(5)
的包层直径设为
125
μ
m
，纤芯直径设为
10
μ
m
，包层折射率设为
1.466
，纤芯折射率设为
1.467。6.
根据权利要求1所述的一种基于空芯光纤的光纤传感器，其特征在于，所述空芯光纤
(3)
的长度为
500
μ
m
，纤芯直径为
10
μ
m
，空芯光纤
(3)
的包层折射率为...

【专利技术属性】
技术研发人员：常建华，陈鸣，金澳博，徐遥，胡子怡，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：