阅读说明：本技术 气球形mzi传感器及其制作方法和基于mzi传感器的传感系统 (Gas-ball-shaped MZI sensor, manufacturing method thereof and sensing system based on MZI sensor ) 是由 王图涛 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种气球形光纤MZI传感器,传感器包括单模光纤、光纤球形结构和毛细管,单模光纤构成传感回路且其末端为气球形结构,传感回路的输入端和输出端内置在毛细管中固定,光纤球形结构设置在传感回路的输入端。本发明还涉及一种基于气球形光纤MZI的水流速度传感系统,包括宽带光源、光谱分析仪、单模光纤、气球形光纤MZI传感器、水泵、水管、流速计和阀门,宽带光源和光谱分析仪通过单模光纤分别连接气球形光纤MZI传感器的输入端和输出端,水泵、气球形MZI和流速计通过水管顺次连接,阀门连接水管侧壁。本发明解决了现有技术中光纤容易断裂、干涉条纹可见度不高的问题。(The invention discloses a balloon-shaped optical fiber MZI sensor which comprises a single-mode optical fiber, an optical fiber spherical structure and a capillary tube, wherein the single-mode optical fiber forms a sensing loop, the tail end of the sensing loop is of the balloon-shaped structure, the input end and the output end of the sensing loop are fixedly arranged in the capillary tube, and the optical fiber spherical structure is arranged at the input end of the sensing loop. The invention also relates to a water velocity sensing system based on the balloon-shaped optical fiber MZI, which comprises a broadband light source, a spectrum analyzer, a single-mode optical fiber, a balloon-shaped optical fiber MZI sensor, a water pump, a water pipe, a flow meter and a valve, wherein the broadband light source and the spectrum analyzer are respectively connected with the input end and the output end of the balloon-shaped optical fiber MZI sensor through the single-mode optical fiber, the water pump, the balloon-shaped MZI and the flow meter are sequentially connected through the water pipe, and the valve is connected with the side wall of the water pipe. The invention solves the problems of easy breakage of optical fibers and low visibility of interference fringes in the prior art.)

气球形MZI传感器及其制作方法和基于MZI传感器的传感系统

技术领域

本发明涉及气球形MZI传感器及其制作方法和基于MZI传感器的传感系统，属于光纤传感技术领域。

背景技术

在1966 年，英籍华人科学家高锟首次提出光导纤维（光纤）传输光信号的理论，在这理论指导下，美国康宁公司在1970 年拉制出了第一根低损耗光纤。与此同时，光纤通信技术和光纤传感技术也应运而生。与传统的电传感器相比，光纤传感器具备独特的优点。光纤传感器由于具有耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小、灵敏度高等优点。因此被广泛的应用于各个领域的物理量传感，通常包括溶液浓度、气体浓度、湿度、酸碱度和磁场等物理量。在众多光纤传感器当中，光纤马赫增德尔干涉仪（MZI）传感器由于制作简单、稳定性好、结构紧凑和信号消光比高、插入损耗低等独特优点，发展非常迅速，已经应用在温度、折射率、应变和磁场等传感领域。在实际的应用中，流速传感器在工业、生化等众多专业领域扮演了一个非常重要的角色。近几十年来，许多研究者提出了各种光纤传感器来测量液体的流速。光纤涡流流量计首先被提出测量，接着光纤布拉格光栅（FBG）也被提出用于流速度测量。近几年，光纤迈克尔逊和法布里波罗传感器被证明可以测量流速。然而，这些传感器不仅制造过程复杂，而且在实际应用的过程中光纤容易断裂、干涉条纹可见度不高。因此，该传感器的实际应用仍是一个挑战。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供气球形MZI传感器及其制作方法和基于MZI传感器的传感系统，解决了现有技术中光纤容易断裂、干涉条纹可见度不高的问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种气球形光纤MZI传感器，包括单模光纤、光纤球形结构和毛细管，单模光纤构成传感回路且传感回路为气球形结构，传感回路的输入端和输出端内置在毛细管中固定，光纤球形结构设置在传感回路的输入端。

进一步地，前述气球形结构的顶端距离毛细管的距离为20~25mm。

进一步地，前述光纤球形结构的数量为3个。

进一步地，前述光纤球形结构的直径为200～220μm。

进一步地，前述毛细管的内径为0.4mm，长度为1.5cm。

进一步地，前述单模光纤为G.652单模光纤，纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm。

一种基于气球形光纤MZI的水流速度传感系统，包括宽带光源、光谱分析仪、单模光纤、前述的气球形光纤MZI传感器、水泵、水管、流速计和阀门，宽带光源和光谱分析仪通过单模光纤分别连接气球形光纤MZI传感器的输入端和输出端，水泵、气球形MZI和流速计通过水管顺次连接，阀门连接水管侧壁。

一种气球形光纤MZI传感器的制作方法，包括如下步骤：

取一段长度为10～15厘米的单模光纤3，去除单模光纤一端的涂覆层，并用酒精清洗，使用光纤切割的机将其端面切平；

将切平后的单模光纤放入光纤熔接机进行多次放电，使光纤收缩成球形结构；

以同样的方法再制作一个球形结构后，将两个球形结构熔接在一起，用光纤切割刀来切割光纤使得光纤末端只有两个球形结构；

再取一个球形结构，重复上述步骤，熔接构成三个球形结构，将熔接后的光纤两端插入毛细管固定。

本发明所达到的有益效果：

1、由于球形结构的存在，可有效提高传感器的灵敏度，气球形状的光纤MZI可实现对水流速度的大范围高灵敏度传感。

2、仅使用单模光纤、光纤切割机、光纤熔接机、毛细管等常见材料和器材就可以实现传感器的制作，该制作过程中不需要飞秒激光器或光纤光栅刻写装置等昂贵设备，其制作工艺简单、成本低、灵敏度高。

附图说明

图1是本发明基于气球形光纤MZI的水流速度传感系统示意图；

图2是本发明气球形光纤MZI传感器结构示意图；

图3是本发明气球形光纤MZI传感器的制作过程示意图。

图中附图标记的含义：1-宽带光源，2-光谱仪，3-单模光纤，4-光纤MZI传感器，5-水泵，6-水管，7-流速计，8-阀门，9-球形结构，10- 毛细管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

结合图2，气球形光纤MZI传感器4包括一段单模光纤3和光纤球形结构9，单模光纤3构成传感回路且传感回路为气球形结构，传感回路的输入端和输出端内置在毛细管10中固定，光纤球形结构9设置在传感回路的输入端。气球形光纤MZI传感器4的气球顶端距离毛细管的距离L为20~25mm，输入侧的光纤球形结构9的数量为3个，单个球形结构9的直径为200～220μm，单模光纤3为G.652单模光纤，纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm。

本实施例公开了一种基于气球形光纤MZI的水流速度传感系统，如图1所示，包括宽带光源1、光谱分析仪2、单模光纤3、气球形光纤MZI传感器4、水泵5、水管6和流速计7和阀门8。单模光纤3用于光信号的传输，宽带光源1、光谱分析仪2与气球形光纤MZI传感器4之间通过单模光纤3连接，其中宽带光源1和光谱分析仪2分别连接在所述气球形光纤MZI传感器4的输入端和输出端。气球形光纤MZI传感器4用于流速传感，其中水流方向与气球形光纤MZI传感器4所构成的二维平面垂直，水管6用于连接水泵5、气球形光纤MZI传感器4和流速计7，宽带光源1用于发送光信号，光谱分析仪2用于采集传感信号的透射光谱，水泵5和水管6用于传输水流，流速计7用于实际水流速度的检测，阀门8设置于水管6侧壁用于控制水流速度。

气球形光纤MZI传感器4的制作方法如图3所示：

步骤S10，取一段长度为10～15厘米的单模光纤3，将单模光纤3某一端的涂覆层去除一段距离并用酒精清洗，根据长度需求，使用光纤切割机将其端面切平；

步骤S20，切平后将其放入光纤熔接机进行多次放电，熔融的光纤在液体表面张力作用下反复放电后收缩成球形结构9；

步骤S30，以同样的方法再制作一个球形结构9后将两个球形结构9熔接在一起，然后使用光纤切割刀来切割光纤使得光纤末端只有两个球形结构9；

步骤S40，接着再与一个球形结构9相熔接构成三个球形结构9，将熔接后的光纤两端插入毛细管10来固定传感器结构。

具体使用过程中，将宽带光源1和光谱分析仪2分别连接气球形光纤MZI传感器4的输入和输出端。将气球形光纤MZI传感器4插入水管6中，使得水流方向与气球形状所在的二维平面垂直，水管6连接水泵5和流速计7。

本实施例的工作方式为：宽带光源1产生信号光，由单模光纤3输入到气球形光纤MZI传感器4，光经过气球形光纤MZI传感器4后输出到光谱分析仪2。同时不同的水流速度使得气球形光纤MZI传感器4发生不同程度的弯曲，进而实现水流速度的传感。

本实施例的工作原理为：当光通过单模光纤3传输至气球形光纤MZI传感器4的输入端球形结构9处，由于不满足光的全反射条件，一部分光会从纤芯入射到包层里面，当光继续传输至气球形光纤MZI传感器4输出端的弯曲处时，包层里面的光会耦合回纤芯，并与纤芯里面的光发生干涉，可以通过光谱分析仪2检测透射光谱，由于水流会导致气球形光纤发生弯曲从而改变透射光谱的波长，利用光谱分析仪2检测透射光谱的波长变化就能得到水流速度的变化。同时采用球形结构可有效激发高阶的包层模式，从而增强传感器的测量灵敏度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。