阅读说明：本技术 基于光纤过耦合结构的温度应变传感器、方法及应用 (Temperature strain sensor based on optical fiber over-coupling structure, method and application ) 是由 柳春郁 江升旭 苏杭 于 2020-05-20 设计创作，主要内容包括：本发明属于光纤传感技术领域,本发明公开了一种基于光纤过耦合结构的温度应变传感器、方法及应用。其中,传感器包括依次连接的光源、导入单模光纤、光纤过耦合结构、导出单模光纤、耦合器和检测单元；所述的检测单元包括光功率计和光谱仪；所述的光纤过耦合结构包括第一耦合光纤和第二耦合光纤,所述的第一耦合光纤中部和第二耦合光纤中部耦合形成耦合区。本发明的传感器可以同时测量两个参量,灵敏度水平较高。(The invention belongs to the technical field of optical fiber sensing, and discloses a temperature strain sensor based on an optical fiber over-coupling structure, a method and application. The sensor comprises a light source, a lead-in single mode fiber, a fiber over-coupling structure, a lead-out single mode fiber, a coupler and a detection unit which are connected in sequence; the detection unit comprises an optical power meter and a spectrometer; the optical fiber over-coupling structure comprises a first coupling optical fiber and a second coupling optical fiber, wherein the middle part of the first coupling optical fiber and the middle part of the second coupling optical fiber are coupled to form a coupling area. The sensor of the invention can measure two parameters simultaneously and has higher sensitivity level.)

基于光纤过耦合结构的温度应变传感器、方法及应用

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤过耦合结构的温度应变传感器、方法及应用。

背景技术

本发明对于背景技术的描述属于与本发明相关的相关技术，仅仅是用于说明和便于理解本发明的

发明内容

，不应理解为申请人明确认为或推定申请人认为是本发明在首次提出申请的申请日的现有技术。

光纤传感器的基本工作原理是将光源入射的光束经由光纤传输至调制器，在调制器内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的光信号，再由光纤传送，经解调器解调获得对应的被测参数。光纤传感器不断地向高灵敏、高精确、适应性强、结构精密化和智能化的方向发展。近几年各种新型结构的光纤传感器被大量报道，其中对光纤耦合器的研究也正在不断深入进行中；在早期的研究当中光纤耦合器的结构较为简单且功能性不强。多数充当光信号传输媒介的作用。现如今光纤耦合器不断发展，在结构和性能上已经有所创新和突破，使得其在光纤传感领域中拥有广阔发展前景。

目前的传感器难以对双参量的测量进行高水平的测量。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种基于光纤过耦合结构的温度应变传感器、方法及应用，本发明的传感器可以同时测量温度和应力变化敏感度，而且灵敏度较高。

一种基于光纤过耦合结构的温度应变传感器，包括依次连接的光源、导入单模光纤、光纤过耦合结构、导出单模光纤、耦合器和检测单元；

所述的检测单元包括光功率计和光谱仪；

所述的光纤过耦合结构包括第一耦合光纤和第二耦合光纤，所述的第一耦合光纤中部和第二耦合光纤中部耦合形成耦合区。

进一步的，所述的第一耦合光纤为单模光纤、保偏光纤或多模光纤。

进一步的，所述的第二耦合光纤为单模光纤、保偏光纤或多模光纤。

进一步的，所述的第一耦合光纤和第二耦合光纤的光纤类型相同。

进一步的，所述的光源为ASE宽带光源。

进一步的，所述的耦合器为3dB耦合器。

进一步的，所述的第一耦合光纤为直通臂光纤，所述的第二耦合光纤为耦合臂光纤。

第二方面，本发明提供了一种基于光纤过耦合结构的温度应变传感器的制备方法，所述的传感器为上述的传感器，包括如下步骤：

(1)制备光纤过耦合结构：将第一耦合光纤和第二耦合光纤端面切割平整，将两根跳线分别与第一耦合光纤两端熔接形成直通臂光纤；将一根跳线与第二光纤一端熔接形成耦合臂光纤，熔接时损耗控制在0.01dB至0.02dB，并且在光纤端面角度相符时进行熔接，将分光比调整为50％，作为预拉锥过程；当分光比达到50：50，总损耗小于等于0.2dB且保证氢流量稳定持续在60％的情况下；通过设置分光比不等于1，保证拉锥可以继续进行；继续持续拉锥会观察到监测界面中光能量的曲线周期震荡剧烈，当振荡周期为60时趋于稳定，停止拉锥；得到光纤过耦合结构；

(2)依次连接所述的光源、导入单模光纤、光纤过耦合结构、导出单模光纤、耦合器和检测单元。

第三方面，本发明提供了一种基于光纤过耦合结构的温度应变传感器的应用，将上述的传感器应用到温度敏感度和应力变化敏感度的测量中。

进一步的，温度敏感度的测量包括如下步骤：

打开光源，光源发出的光信号依次经导入单模光纤、光纤过耦合结构、导出单模光纤、耦合器传输到检测单元，改变所述的传感器所处的空间的温度得到不同温度下的透射光谱；

应力变化敏感度的测量包括如下步骤：

打开光源，光源发出的光信号依次经导入单模光纤、光纤过耦合结构、导出单模光纤、耦合器传输到检测单元，向所述的传感器施加不同的应力，得到不同应力下的透射光谱。

本发明实施例具有如下有益效果：

本申请利用全光纤型结构进行传感，具有抗电磁干扰、电绝缘、灵敏度高、体积小、质量轻、外形结构灵活多变且适应性强、应用范围广泛、可靠性高等优点。

本申请的传感器具有同时测量温度和应变敏感度的效果，并且温度与应变的灵敏度都具有较高的水平。

本申请引入了双参量解调的方法以及灵敏度矩阵的方式解决温度与应变交叉敏感的问题，可以消除波长对温度和应变响应度的相互影响。

当外界环境中温度和应变同时改变时，光纤过耦合器的干涉谷图像波长变化可表示为

Δλ_i＝k_ε,iΔε+k_T,iΔT

其中Δε是应力变化量，ΔT是温度变化量，k_ε,i和k_Τ,i分别是应力响应敏感值和温度响应敏感值。

可有响应值矩阵方程为：

附图说明

图1为本发明一种基于光纤过耦合结构的温度应变传感器一实施例中传感器的结构示意图。

图2为实施例中光纤过耦合结构的干涉波长随温度变化关系示意图；

图3为实施例中干涉波长与温度变化的拟合示意图；

图4为实施例中光纤过耦合结构的干涉波长随应变变化关系示意图；

图5为实施例中干涉波长与应变变化的拟合示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本申请进行进一步的介绍。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。不同实施例之间可以替换或者合并组合，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实施方式。

结合附图1，一种基于光纤过耦合结构的温度应变传感器，包括依次连接的光源1、导入单模光纤2、光纤过耦合结构3、导出单模光纤4、耦合器5和检测单元；

所述的检测单元包括光功率计6和光谱仪7；

所述的光纤过耦合结构包括第一耦合光纤3-1和第二耦合光纤3-3，所述的第一耦合光纤中部和第二耦合光纤中部耦合形成耦合区3-2。

在本发明的一些实施例中，所述的第一耦合光纤3-1为单模光纤、保偏光纤或多模光纤。

在本发明的一些实施例中，所述的第二耦合光纤3-2为单模光纤、保偏光纤或多模光纤。

在本发明的一些实施例中，所述的第一耦合光纤3-1和第二耦合光纤3-2的光纤类型相同。

在本发明的一些实施例中，所述的光源1为ASE宽带光源。

在本发明的一些实施例中，所述的耦合器5为3dB耦合器。

在本发明的一些实施例中，所述的第一耦合光纤3-1为直通臂光纤，所述的第二耦合光纤3-2为耦合臂光纤。

一种基于光纤过耦合结构的温度应变传感器的制备方法，所述的传感器为上述的传感器，包括如下步骤：

(1)制备光纤过耦合结构：将第一耦合光纤3-1和第二耦合光纤3-2端面切割平整，将两根跳线分别与第一耦合光纤3-1两端熔接形成直通臂光纤；将一根跳线与第二光纤3-2一端熔接形成耦合臂光纤，熔接时损耗控制在0.01dB至0.02dB，并且在光纤端面角度相符时进行熔接，将分光比调整为50％，作为预拉锥过程；当达到预定参数值时，通过设置分光比不等于1，保证拉锥可以继续进行；当观察监测界面中光能量的曲线周期震荡最剧烈、振荡周期足够小且趋于稳定时，停止拉锥；得到光纤过耦合结构；

(2)依次连接所述的光源1、导入单模光纤2、光纤过耦合结构3、导出单模光纤4、耦合器5和检测单元。

一种基于光纤过耦合结构的温度应变传感器的应用，将上述的传感器应用到温度敏感度和应力变化敏感度的测量中。

在本发明的一些实施例中，温度敏感度的测量包括如下步骤：

打开光源1，光源1发出的光信号依次经导入单模光纤2、光纤过耦合结构3、导出单模光纤4、耦合器5传输到检测单元，改变所述的传感器所处的空间的温度得到不同温度下的透射光谱；

应力变化敏感度的测量包括如下步骤：

打开光源1，光源1发出的光信号依次经导入单模光纤2、光纤过耦合结构3、导出单模光纤4、耦合器5传输到检测单元，向所述的传感器施加不同的应力，得到不同应力下的透射光谱。

拉锥的长度在22000至23000区间范围内，拉锥速度调节为100。

传感区域选用材料为传统单模光纤。在传感分析中从光纤能量耦合角度出发，利用过耦合结构易受环境影响的特点对温度、应变进行测量。该传感结构具有成本低、结构紧凑、使用方便等优点。

所述基于光纤过耦合结构中，保证其拉锥速度保持恒定，所述拉锥长度维持在22000μm至23000μm之间。通过优化选择，在区间内条纹对比度最高可达到19.70dB。

光传输至第一耦合光纤3-1和第二耦合光纤3-2中，纤芯因为熔锥结构由宽入窄导致光纤的归一化频率逐渐减小，光能量开始由纤芯进入包层当中；当光从第一耦合光纤3-1和第二耦合光纤3-2中输出，纤芯不断变粗，光纤的归一化频率重新增大，光能量又逐渐由包层返回纤芯中。

当所述过耦合结构实现温度传感的同时，同时所述结构也可以实现应变传感的测量。

针对拉锥到22000μm的光纤过耦合结构，对波长的响应度进行分析，将应力响应敏感和温度响应敏感代入响应值矩阵方程中，

可以得到一般形式的灵敏度矩阵：

表示当外界环境中温度和应变同时改变时，光纤过耦合结构的干涉谷图像波长变化。

结合附图2-5，在本发明的一些实施例中，传感装置中使用的是波长范围为1520-1565nm的ASE宽带光源，在检测部分使用的是Agilent 86142B型光谱仪(波长分辨率为0.06nm)。当光信号从ASE光源发出后经单模光纤2传输到过耦合结构，干涉图样信号经导出单模光纤4传输到光功率计6与光谱仪7中。对本例温度应变传感器特性进行试验分析包括如下步骤：

一温度传感特性

将光纤耦合器结构3放入恒温箱中，进行加热试验，测量多组温度，选取36℃、38℃、40℃三组数据，步长为2℃，待恒温箱温度达到预期温度且稳定后记录光谱分析仪7中光谱数据，检测传感器波长漂移量；升温过程中光纤传感器透射光谱如图2所示，结合附图2可知，该传感器干涉光谱随温度升高发生明显蓝移。

以温度变化为横轴，以波谷位置为纵轴，绘制如图3所示的升温过程温度响应特性曲线，如图所示当温度由36℃升至40℃时，波长线性增加，温度和谐振波长呈线性函数关系，线性度为0.986，灵敏度达到110pm/℃。

二应变传感特性

将光纤过耦合结构3固定在光学调节架上，一端固定不动，另一端通过微米级位移平台调节移动，通过对过耦合结构3施加微应变；采用光谱分析仪7采集实验数据，对过耦合结构3拉伸施加微应力，选取拉伸长度为10μm、20μm、30μm三组数据，步长为10μm。加载过程光谱变化如图4，随着光纤过耦合结构3的拉伸，应变增加，干涉光谱发生明显蓝移，以应变变化为横轴，波长为纵轴，绘制如图5所示应变响应特性曲线，由实验结果可知，随着应变的增加，波长线性减小，应变和谐振波长具有良好的线性关系，线性度高达0.996，应变灵敏度约为-21.3。

结合数据分析可得出波长变化的温度响应值约为110pm/℃；波长变化的应变响应值约为-21.3。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上介绍仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。