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復(fù)合干涉型的多參量光纖傳感器的制造方法
【專利摘要】一種復(fù)合干涉型的多參量光纖傳感器，本發(fā)明的光纖傳感器依次包括輸入端單模光纖、第一段多模光纖、中間段單模光纖、第二段多模光纖和輸出端單模光纖；可看做傳統(tǒng)單模-多模-單模（SMS）光纖傳感結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)多模-單模-多模（MSM）光纖傳感結(jié)構(gòu)的級聯(lián)，同時具有傳統(tǒng)SMS光纖結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)MSM光纖結(jié)構(gòu)的效果，根據(jù)兩種傳統(tǒng)光纖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的干涉峰對溫度、應(yīng)變和濕度的不同敏感性，可實現(xiàn)對溫度、應(yīng)變和濕度的同時測量。本發(fā)明的光纖傳感器比單獨的傳統(tǒng)SMS光纖結(jié)構(gòu)或MSM光纖結(jié)構(gòu)可同時測量的參量多，比直接將傳統(tǒng)SMS光纖結(jié)構(gòu)和MSM光纖結(jié)構(gòu)級聯(lián)，結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，成本低。
【專利說明】復(fù)合干涉型的多參量光纖傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及多參量(溫度、應(yīng)變、濕度)光纖干涉?zhèn)鞲衅鳌?br> 【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感技術(shù)是一種利用被測信號對光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ母鞣N參量進(jìn)行調(diào)制，得出調(diào)制信號，并將這些信號通過探測器解調(diào)還原成原來的待測信號的一種技術(shù)。隨著光源綜合性能的提升，光纖多樣化、多功能化、光無源器件性能優(yōu)化以及光監(jiān)測儀器精度提高等等，光纖傳感技術(shù)發(fā)展十分迅速。近年來出現(xiàn)了多學(xué)科、多層次、多功能光纖傳感技術(shù)方面的研究和應(yīng)用。光纖傳感器已被國內(nèi)外公認(rèn)為最具有發(fā)展前途的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，它以技術(shù)含量高、經(jīng)濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點為世人所矚目。
[0003]干涉型光纖傳感器和傳統(tǒng)光纖傳感器相比，靈敏度高和分辨率高，動態(tài)響應(yīng)范圍大，成本低。
[0004]溫度、應(yīng)變和濕度在工業(yè)測量中至關(guān)重要，也是光纖傳感領(lǐng)域中的研究熱點，傳統(tǒng)SMS光纖傳感結(jié)構(gòu)能夠?qū)囟群蛻?yīng)變測量，但不能對濕度進(jìn)行測量，而且在測量溫度和應(yīng)變過程中存在交叉敏感問題；傳統(tǒng)MSM光纖傳感結(jié)構(gòu)對溫度、應(yīng)變、濕度皆敏感，但在測量中同樣存在交叉敏感問題。實驗中，一般要避免外界參量的影響，實現(xiàn)對溫度、應(yīng)變和濕度同時測量，可將傳統(tǒng)SMS光纖結(jié)構(gòu)和MSM光纖結(jié)構(gòu)直接級聯(lián)或者添加光纖光柵級聯(lián)使用，但是操作難度增加，成本也很高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是實現(xiàn)溫度、應(yīng)變和濕度同時測量，提供一種結(jié)構(gòu)簡單且容易制作的復(fù)合干涉型的多參量光纖傳感器。該光纖傳感器基于復(fù)合干涉型傳感結(jié)構(gòu)，輸出信號中存在兩類干涉模式的疊加，根據(jù)其對溫度、應(yīng)變和濕度的不同敏感性，可以實現(xiàn)同時測量。
[0006]本發(fā)明提供的復(fù)合干涉型的多參量光纖傳感器，包括:輸入端單模光纖(I)、第一段多模光纖(2 )、中間段單模光纖(3 )、第二段多模光纖(4 )、輸出端單模光纖(5 );所述的光纖傳感器的連接關(guān)系為:傳輸光經(jīng)輸入端單模光纖(I)依次接入第一段多模光纖(2)、中間段單模光纖(3)和第二段多模光纖(4),之后經(jīng)輸出端單模光纖(5)輸出。
[0007]本發(fā)明的光纖傳感器結(jié)構(gòu)可分為兩部分，輸入端單模光纖(I)和第一段多模光纖
(2)及中間段單模光纖(3)構(gòu)成傳統(tǒng)SMS結(jié)構(gòu)為第一部分；第一段多模光纖(2)和中間段單模光纖(3)及第二段多模光纖(4)構(gòu)成傳統(tǒng)MSM結(jié)構(gòu)為第二部分，整個光纖傳感結(jié)構(gòu)看做是傳統(tǒng)SMS結(jié)構(gòu)和MSM結(jié)構(gòu)的級聯(lián)。
[0008]本發(fā)明輸出信號為復(fù)合型干涉信號，包含SMS部分和MSM部分產(chǎn)生的兩類干涉峰，根據(jù)光纖干涉理論可知，SMS結(jié)構(gòu)對溫度和應(yīng)變敏感，而對濕度不敏感；MSM結(jié)構(gòu)對溫度、應(yīng)變和濕度皆敏感，利用它們對溫度、應(yīng)變和濕度的不同靈敏度能夠?qū)崿F(xiàn)同時測量。
[0009]本發(fā)明所述的第一段多模光纖(2)和第二段多模光纖(4)芯徑相同，取值范圍可為50~105 u m (芯徑優(yōu)選為105 u m),中間段單模光纖(3)為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖,并在其表面均勻涂抹聚丙烯酰胺(PAM)以增強濕度靈敏度。第一段多模光纖(2)和中間段單模光纖(3)長度取值范圍可為20~40mm (長度皆優(yōu)選20mm)，共同作為傳感區(qū)域，第二段多模光纖(4)長度取值范圍可為I~8mm (長度優(yōu)選5mm),作為模式稱合器。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果:
[0011]本發(fā)明提出了一種干涉型光纖傳感器，結(jié)構(gòu)簡單且容易制作，只需要對多模光纖和單模光纖按照一定長度進(jìn)行熔接即可。該傳感器中輸出信號包含SMS結(jié)構(gòu)和MSM結(jié)構(gòu)兩類干涉模式的疊加，根據(jù)其對溫度、應(yīng)變和濕度的不同敏感性，可以實現(xiàn)同時測量。該發(fā)明的干涉型傳感器，成本低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，測量精度高，因而更適合實際的應(yīng)用。
[0012]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為該光纖傳感器干涉原理示意圖。
[0014]圖2為該光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3為該光纖傳感器的輸出信號譜。
[0016]圖中:1.輸入端單模光纖、2.第一段多模光纖、3.中間段單模光纖、4.第二段多模光纖、5.輸出端單模光纖、6 .寬帶光源、7.光譜分析儀。
【具體實施方式】
[0017]實施例
[0018]如圖1、圖2所示，一種復(fù)合干涉型的多參量光纖傳感器，采用多模-單模-多模光纖結(jié)構(gòu)，由輸入端單模光纖(I)，第一段多模光纖(2)、中間段單模光纖(3)、第二段多模光纖(4)、輸出端單模光纖(5)、寬帶光源(6)和光譜分析儀(7)組成。寬帶光源(6)經(jīng)輸入端單模光纖(I)依次接入第一段多模光纖(2)、中間段單模光纖(3)和第二段多模光纖(4)，之后經(jīng)輸出端單模光纖(5)接入到光譜分析儀(7)。
[0019]所述的第一段多模光纖(2)和第二段多模光纖(4)芯徑相同，選取105 ym，中間段單模光纖(3)為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，并在其表面均勻涂抹PAM以增強濕度靈敏度。第一段多模光纖(2)和中間段單模光纖(3)長度皆選取20mm,共同作為傳感區(qū)域,第二段多模光纖(4)長度選取5mm,作為模式稱合器。
[0020]如圖1、圖2所示，本發(fā)明的光路傳輸為:寬帶光源(6)的光經(jīng)輸入端單模光纖(I)進(jìn)入第一段多模光纖(2)，激勵起其基模和各階高階模式，滿足相位匹配條件的纖芯模式之間發(fā)生干涉，繼而耦合到中間段單模光纖(3)，由于纖芯失配，激勵起中間段單模光纖(3)中的纖芯和包層的各種模式。滿足相位匹配條件的纖芯模式和包層模式發(fā)生干涉，干涉信號經(jīng)第二段多模光纖(4)耦合到輸出端單模光纖(5)中進(jìn)行輸出。根據(jù)光譜分析儀(7)可以觀測不同干涉峰的特征波長隨溫度、應(yīng)變和濕度的變化。
[0021]根據(jù)纖芯-纖芯干涉峰波長和纖芯-包層干涉峰波長的漂移量，再結(jié)合敏感矩陣
方程
【權(quán)利要求】
1.復(fù)合干涉型的多參量光纖傳感器，其特征在于該傳感器包括:輸入端單模光纖(I)、第一段多模光纖(2)、中間段單模光纖(3)、第二段多模光纖(4)和輸出端單模光纖(5);其連接關(guān)系為:傳輸光經(jīng)輸入端單模光纖(I)依次接入第一段多模光纖(2)、中間段單模光纖(3)和第二段多模光纖(4),之后經(jīng)輸出端單模光纖(5)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于:所述的光纖傳感器結(jié)構(gòu)分為兩部分，輸入端單模光纖(I)和第一段多模光纖(2)及中間段單模光纖(3)構(gòu)成傳統(tǒng)SMS結(jié)構(gòu)為第一部分；第一段多模光纖(2)和中間段單模光纖(3)及第二段多模光纖(4)構(gòu)成傳統(tǒng)MSM結(jié)構(gòu)為第二部分，整個光纖傳感器的結(jié)構(gòu)看做是傳統(tǒng)SMS結(jié)構(gòu)和MSM結(jié)構(gòu)的級聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于:中間段單模光纖(3)均勻涂抹聚丙烯酰胺(PAM)，PAM通過吸收空氣中的水蒸氣而引起自身折射率發(fā)生改變，從而導(dǎo)致MSM結(jié)構(gòu)部分產(chǎn)生的干涉峰波長的漂移，實現(xiàn)對濕度的測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于:所述的第一段多模光纖(2)和第二段多模光纖(4)芯徑相同,取值范圍為50~105 μ m,中間段單模光纖(3)為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖；第一段多模光纖(2)和中間段單模光纖(3)的長度取值范圍為20~30mm,共同作為傳感區(qū)域，第二段多模光纖(4)長度取值范圍為I~8mm,作為模式稱合器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖傳感器,其特征在于:所述的第一段多模光纖(2)和第二段多模光纖(4)優(yōu)選芯徑為105 μ m,而且,第一段多模光纖(2)和中間段單模光纖(3)優(yōu)選長度皆為20mm,第二段多模光纖(4)優(yōu)選長度5mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項所述的光纖傳感器,其特征在于:輸出信號為復(fù)合型干涉信號，包含SMS部分和MSM部分產(chǎn)生的兩類干涉峰，根據(jù)光纖干涉理論，SMS結(jié)構(gòu)對溫度和應(yīng)變敏感，而對濕度不敏感;MSM結(jié)構(gòu)對溫度、應(yīng)變和濕度皆敏感，利用它們對溫度、應(yīng)變和濕度的不同靈敏度能夠?qū)崿F(xiàn)同時測量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項所述的光纖傳感器，其特征在于:根據(jù)干涉峰波長的漂移量，再結(jié)合敏感矩陣方程
【文檔編號】G01D21/02GK103528609SQ201310543260
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月6日
【發(fā)明者】童崢嶸, 蘇軍, 曹曄, 張衛(wèi)華 申請人:天津理工大學(xué)