CN105928469B - 一种高灵敏可判别弯曲方向的无温度交叉灵敏的光纤曲率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏可判别弯曲方向的无温度交叉灵敏的光纤曲率传感器，包括宽带光源、第一单模光纤、第一熔接点、第一细芯光纤、第一石墨烯薄膜、细芯超长周期光纤光栅、第二石墨烯薄膜、第二细芯光纤、第二熔接点、第二单模光纤和光谱仪；宽带光源与第一单模光纤连接，第一单模光纤与第一细芯光纤的连接点构成第一熔接点；第一和第二石墨烯薄膜分别无间隔的裹覆在细芯超长周期光纤光栅两端的第一和第二细芯光纤上；第二细芯光纤和第二单模光纤的连接点构成第二熔接点；第二单模光纤和光谱仪相连；通过对光谱仪上谐振波长的位置和功率强度进行实时监测，不仅可以实现弯曲方向的判别，还可以避免高灵敏曲率测量过程中由温度引起的交叉干扰。

Description

一种高灵敏可判别弯曲方向的无温度交叉灵敏的光纤曲率传 感器

技术领域

本发明属于光纤曲率测量的技术领域，具体的，涉及一种基于细芯超长周期光纤光栅可判别弯曲方向的无温度交叉灵敏的高灵敏度光纤曲率传感器。

背景技术

高灵敏、大动态测量范围的光纤曲率传感在结构健康监测中起着十分重要的作用，而外界环境温度的变化往往是高精度曲率测量的一个重要交叉干扰因素；因此，高灵敏无温度交叉干扰的曲率传感是工程应用达到高标准的基本要求。与普通的电传感器相比，光纤传感器具有无电磁干扰，耐腐蚀性强，易制造，低成本，响应快和高灵敏等优势。

为了实现实际工程应用中高灵敏无温度交叉干扰的光纤曲率传感器，国内外研究人员对高灵敏的光纤曲率测量进行了大量研究。在光纤曲率测量方面，相关研究人员提出了多种基于单个光纤器件或在线干涉仪的测量方法：基于光纤在线马赫泽德(Mach-Zehnder,MZ)干涉结构的光纤曲率灵敏度实现了-22.227nm/m^-1；基于长周期光纤光栅(LongPeriod Grating, LPG)，实现了-12.55nm/m^-1较低的曲率灵敏度测量；此外，也有学者提出采用双偏芯光纤(Dual-Concentric-Core Fiber，DCCF)实现了温度不敏感的光纤曲率传感器，但其曲率灵敏度仅为-9.046nm/m^-1。可以看到，上述光纤曲率传感器结构大都采用单一的波长解调方式来实现光纤曲率的测量；如果曲率的测量过程中，外界环境温度发生变化，所述结构的光谱会产生或大或小的漂移现象，则必然产生交叉串扰，导致所测曲率灵敏度不精确。在光纤曲率的测量过程中，往往需要判断光纤弯曲的方向来，而上述单一的光纤器件的折射率分布均呈现圆对称性，不具有明显的方向性。因此，目前已有的测量方法并不能满足高灵敏的光纤曲率测量需求，且往往存在着交叉串扰；另外，不能判别弯曲方向也是限制其发展的一个重要因素。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于细芯超长周期光纤光栅可判别弯曲方向的无温度交叉灵敏的高灵敏度光纤曲率传感器，其目的在于通过细芯超长周期光纤光栅产生的不同谐振波长来测量曲率和外界温度的变化，分别通过监测谐振波长的功率变化和波长位置的变化来实现曲率和温度的同时且无交叉干扰测量，此外，可通过所测曲率灵敏度的符号及大小来判断光纤弯曲的方向。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于细芯超长周期光纤光栅可判别弯曲方向的无温度交叉灵敏的高灵敏度光纤曲率传感器，包括宽带光源、第一单模光纤、第一细芯光纤、第一石墨烯薄膜、细芯超长周期光纤光栅、第二石墨烯薄膜、第二细芯光纤、第二单模光纤；第一单模光纤的第一端连接所述宽带光源的输出端；所述第一单模光纤的第二端连接所述第一细芯光纤的第一端，且所述第一单模光纤与所述第一细芯光纤的连接端作为第一熔接点；所述细芯超长周期光纤光栅连接在所述第一细芯光纤的第二端和所述第二细芯光纤的第一端之间；所述第二细芯光纤的第二端连接所述第二单模光纤的第一端，且所述第二细芯光纤与所述第二单模光纤的连接端作为第二熔接点；所述第一石墨烯薄膜和所述第二石墨烯薄膜对称的分布在所述细芯超 长周期光纤光栅的两端；所述第一石墨烯薄膜和所述第二石墨烯薄膜分别无间隔的裹覆在所述第一细芯光纤和所述第二细芯光纤上是为了消除因细芯光纤和单模光纤模场不匹配而激发出的包层模，那么所得光谱即为所述细芯超长周期光纤光栅的纯净透射谱。

更进一步地，光纤传感器还包括光谱仪，光谱仪的输入端连接至第二单模光纤的第二端；所述光谱仪用于显示所述细芯超长周期光纤光栅的透射谱。

其中，第一石墨烯薄膜无间隔的裹覆在第一细芯光纤上来消除细芯光纤与单模光纤模场不匹配产生的包层模，同样第二石墨烯薄膜无间隔的裹覆在第二细芯光纤上来消除细芯超长周期光纤光栅中激发的包层模。

细芯超长周期光纤光栅的周期为1mm～5mm，其周期比普通的细芯超长周期光纤光栅高数倍至十几倍，其透射谱比普通的细芯超长周期光纤光栅多了因前向高阶闪耀模与纤芯基模耦合而成的谐振波长；细芯超长周期光纤光栅的不同谐振波长是由于所述光栅中纤芯模与不同衍射极次的包层模耦合的结果，采用单侧非对称结构的细芯超长周期光纤光栅可以在 100nm的宽带窗口内显示出四个谐振波长的损耗光谱。

用于光纤曲率测量时，将光谱仪上产生的四个谐振波长位置调节至窗口的最中间；当外界温度发生变化时，可以通过记录光谱上谐振波长的位置变化来测量温度的变化；同理，当外界压力或应力作用在所述光纤曲率传感器时，可以通过光谱仪上谐振波长的强度变化来测量光纤弯曲的灵敏度；当光纤弯曲方向不同时，可以通过所测光纤灵敏度的符号和大小来判断光纤的弯曲方向。

优选地，所述光纤弯曲测量还包括第一夹具和第二夹具，所述第一夹具和所述第二夹具分别固定夹持着所述光纤曲率传感器的第一单模光纤和第二单模光纤，所述第一夹具和所述第二夹具之间的部分处于自由伸直的状态，所述第一夹具的位置固定，所述第二夹具能移动。该方法可以将曲率调节的精确度控制在10^-6量级，极大的提高了曲率测量的动态范围及分辨率。

优选地，第一细芯光纤的第一端与第一单模光纤的第二端对芯熔接，所述第二细芯光纤的第二端与所述第二单模光纤的第一端也采用对芯熔接方式；且第一细芯光纤和第二细芯光纤的长度相等，为2cm～5cm。所述第一细芯光纤和第二细芯光纤的包层直径取62.5μm～100μm，该直径范围小于普通单模光纤的包层直径，相当于部分空气充当了细芯光纤的包层，对外界环境的变化更灵敏。

所述第一细芯光纤和所述第二细芯光纤的光纤纤芯直径为2μm～6μm。

优选地，所述第一石墨烯薄膜和第二石墨烯薄膜的厚度相同，均取 10nm～50nm，该厚度能很好的消除由于模场不匹配激发的包层模和细芯超长周期光纤光栅耦合出的包层模，滤掉了模式干涉产生的干涉谱，使得光谱上呈现出干净的细芯超长周期光纤光栅透射谱。

所述第一石墨烯薄膜和第二石墨烯薄膜的长度相同，均取2cm～4cm。

优选地，所述细芯超长周期光纤光栅的长度取2～5cm，该长度可将细芯超长周期光纤光栅的四个谐振波长有效的控制在1520nm～1620nm的低损耗窗口范围内，同时使得该光纤曲率的测量结构紧凑。

优选地，所述细芯超长周期光纤光栅为单侧非对称结构光栅，该非对称结构可在曲率测量的同时，能根据所测曲率的大小和符号来精确的判断出光纤的弯曲方向。

采用细芯超长周期光纤光栅能耦合出包层模阶数更高的前向高阶闪耀包层模，其包层模的阶数越高，则前向高阶闪耀包层模与纤芯基模耦合形成的谐振峰的对比度越大；且包层模的序数越高，对应的弹光系数绝对值越大，当曲率在相同范围内变化时，细芯超长周期光纤光栅谐振峰的功率强度变化更大，因而相比普通的细芯长周期光纤光栅，细芯超长周期光纤光栅功率强度解调的曲率灵敏度更高。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的可判别弯曲方向的光纤曲率传感器，采用细芯超长周期光纤光栅能产生多个谐振波长，且通过对谐振波长采用不同的监测方式，可实现无温度交叉干扰的高灵敏度光纤曲率测量，由于不同谐振波长对应不同的包层模式，即对应着不同的灵敏度，从而可实现多物理参数同时测量。

(2)本发明提供的细芯超长周期光纤光栅为单侧非对成结构，对于不同方向的弯曲，谐振波长的功率变化会不同，即可根据所测的曲率符号和灵敏度的大小来判别光纤弯曲的方向。

(3)本发明提供的石墨烯薄膜无间隔的裹覆在细芯光纤上，可实现大动态温度变化范围内的光纤曲率测量，石墨烯薄膜能承受比光纤更高的温煦；因此，相比传统的需要耦合器构成的光纤干涉仪，具有结构简单、价格低廉、易于集成和测量动态范围大优势。

附图说明

图1是本发明实施例1的基于细芯超长周期光纤光栅可判别弯曲方向的无温度交叉灵敏的高灵敏度光纤曲率传感器结构示意图；

图2是本发明实施例1中细芯光纤与单模光纤熔接以及石墨烯薄膜无间隔的裹覆在细芯光纤上的示意图；

图3是本发明实施例1中细芯超长周期光纤光栅与细芯长周期光纤光栅所测光纤曲率灵敏度的对比曲线图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中： 1-宽带光源，2-第一单模光纤，3-第一熔接点，4-第一细芯光纤，5-第一石墨烯薄膜，6-细芯超长周期光纤光栅，7-第二石墨烯薄膜，8-第二细芯光纤， 9-第二熔接点，10-第二单模光纤，11-光谱仪。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的一种基于细芯超长周期光纤光栅可判别弯曲方向的无温度交叉灵敏的高灵敏度光纤曲率传感器，包括宽带光源、第一单模光纤、第一熔接点、第一细芯光纤、第一石墨烯薄膜、细芯超长周期光纤光栅、第二石墨烯薄膜、第二细芯光纤、第二熔接点、第二单模光纤和光谱仪；

其中，第一单模光纤的两端分别与宽带光源的输出端和第一细芯光纤的第一端相连接；第一单模光纤的第二端连接细芯超长周期光纤光栅的第一端；第一石墨烯薄膜无间隔的裹覆在第一细芯光纤上；细芯超长周期光纤光栅的第二端连接第二细芯光纤的第一端；第二石墨烯薄膜无间隔的裹覆在第二细芯光纤上；第二细芯光纤的第二端连接第二单模光纤的第一端；第二单模光纤的第二端与光谱仪的输入端相连。

以下结合实施例1提供的可判别弯曲方向的无温度交叉灵敏的光纤曲率传感器，进一步阐述本发明；本发明实施例1的可判别弯曲方向的无温度交叉灵敏的光纤曲率传感器结构如图1所示，包括宽带光源1、第一单模光纤2、第一熔接点3、第一细芯光纤4、第一石墨烯薄膜5、细芯超长周期光纤光栅6、第二石墨烯薄膜7、第二细芯光纤8、第二熔接点9、第二单模光纤10和光谱仪11；宽带光源1连接第一单模光纤2的第一端口；第一单模光纤2的第二端口与第一细芯光纤4的第一端口熔接构成第一熔接点3；第一细芯光纤4的第二端口连接细芯超长周期光纤光栅6的第一端；第一石墨烯薄膜5无间隔的裹覆在第一细芯光纤4上；细芯超长周期光纤光栅6的第二端连接第二细芯光纤8的第一端；第二石墨烯薄膜7无间隔的裹覆在第二细芯光纤8上；第二细芯光纤8的第二端与第二单模光纤10 的第一端熔接构成第二熔接点9；第二单模光纤10的第二端与光谱仪11的输入端连接；

具体地，实施例1中，第一细芯光纤4、细芯超长周期光纤光栅6和第二细芯光纤8在同一根细芯光纤上，其细芯光纤的纤芯直径为5.65μm，细芯光纤包层直径为80μm；第一单模光纤2的第二端与第一细芯光纤4的第一端以及第二细芯光纤8的第二端与第二单模光纤10的第一端采用对芯熔接的方式连接，第一单模光纤2的第一端与宽带光源1以及第二单模光纤 10的第二端与光谱仪之间利用FC/APC光纤接头通过法兰盘对接。

下面结合实施例1对上述可判别弯曲方向的曲率和温度同时测量的光纤传感器的工作原理进行阐述。

宽带光源1发出的宽谱光经由第一单模光纤2传输至第一熔接点3；由于第一单模光纤2与第一细芯光纤4的光纤纤芯直径不同，在第一熔接点处会出现模场不匹配的现象，导致在第一单模光纤2中传输的纤芯模激发了第一细芯光纤4中的包层模；由于第一石墨烯薄膜5无间隔的裹覆第一细芯光纤4的表面上，且石墨烯薄膜的折射率较光纤包层的折射率要大，因此；第一细芯光纤4中被激发的包层模由于界面折射率的大小分布导致其泄漏到第一石墨烯薄膜5中，且包层模在石墨烯薄膜的向前传输中会逐渐损耗掉，导致在细芯超长周期光纤光栅6的栅区处将不会产生模式干涉。当纤芯模继续向前传输至细芯超长周期光纤光栅6时，由于细芯超长周期光纤光栅能使部分纤芯模耦合到包层称为前向传输的包层模；当光信号经过细芯超长周期光纤光栅后，如上述超长周期光纤光栅能实现纤芯模和包层模间的相互耦合，导致在第二细芯光纤8中传输的模式仍为纤芯模和包层模；同理，由于第二石墨烯薄膜7无间隔的裹覆在第二细芯光纤8上，导致包层模在传输过程中也会逐渐的全部损耗掉；当光信号到达第二熔接点9时，第二细芯光纤8中只有纤芯模的存在，没有包层模的存在；第二细芯光纤8中的纤芯模直接传输至第二单模光纤10中，最后光信号进入光谱仪11，在光谱仪11上可观察到细芯超长周期光纤光栅6产生的4个较为明显的损耗峰，其中最大损耗峰的对比度可达25dB，非常适合光纤曲率测量过程中采用的强度解调方式。

当外界环境的温度发生变化时，所述光纤曲率传感器中的细芯超长周期光纤光栅6中纤芯模耦合出的不同阶数和衍射极次的包层模具有不同的热光系数和热膨胀系数，从而导致纤芯模和前向传输的包层模之间的有效折射率差发生变化，即在光谱仪11上不同的谐振波长会同时产生漂移现象，二谐振波长的功率强度未发生变化，通过波长解调的方式，可以得出该光纤曲率传感器中不同温度灵敏度；即采用波长解调的方式来监测外界环境温度的变化。

当外界压力或应力作用在所述光纤曲率传感器时，细芯超长周期光纤光栅6的周期会随着压力或应力出现变大或变小的现象，细芯超长周期光纤光栅6中的包层模会向压力或应力作用的方向泄漏出去，导致光纤中模式耦合的强度降低，可以在光谱仪11上观察到谐振波长仅有强度的变化，而未产生波长漂移的现象；从而通过强度解调的方式得出光纤曲率灵敏度的大小。当细芯超长周期光纤光栅6所受压力方向不同时，可通过细芯超长周期光纤光栅产生的不同谐振波长强度的变化的符号和计算所得灵敏的大小来判别光纤弯曲的方向。

附图3中所示为细芯超长周期光纤光栅与细芯长周期光纤光栅所测光纤曲率灵敏度的对比曲线，从图中可看出，细芯超长周期光纤光栅和细芯长周期光纤光栅在相同曲率变化范围内，其拟合曲线的线性度均在99％附近，对应不同曲线线性拟合的斜率分别为97.77dB/m^-1和15.50dB/m^-1，即所述细芯超长周期光纤光栅比细芯长周期光纤光栅的光纤曲率灵敏度高了 6倍多，是一种通过功率强度解调的高灵敏光纤曲率传感器。

基于上述光纤曲率的测量方式，仅采用强度解调的方法即可获得高灵敏的光纤曲率传感器；即使外界温度时刻产生变化，对所述光纤曲率传感器谐振波长的强度没有影响，只会引起波长的漂移，从而很好的避免了光纤曲率测量过程中由温度产生的交叉干扰；因此，所述光纤曲率传感器是一种高灵敏可判别弯曲方向无温度交叉干扰的测量装置。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高灵敏可判别弯曲方向的无温度交叉灵敏的光纤曲率传感器，其特征在于，包括宽带光源(1)、第一单模光纤(2)、第一细芯光纤(4)、第一石墨烯薄膜(5)、细芯超长周期光纤光栅(6)、第二石墨烯薄膜(7)、第二细芯光纤(8)、第二单模光纤(10)；

所述第一单模光纤(2)的第一端连接所述宽带光源(1)的输出端；所述第一单模光纤(2)的第二端连接所述第一细芯光纤(4)的第一端，且所述第一单模光纤(2)与所述第一细芯光纤(4)的连接端作为第一熔接点(3)；

所述细芯超长周期光纤光栅(6)连接在所述第一细芯光纤(4)的第二端和所述第二细芯光纤(8)的第一端之间；所述第二细芯光纤(8)的第二端连接所述第二单模光纤(10)的第一端，且所述第二细芯光纤(8)与所述第二单模光纤(10)的连接端作为第二熔接点(9)；

所述第一石墨烯薄膜(5)和所述第二石墨烯薄膜(7)分别对称设置在所述细芯超长周期光纤光栅(6)的两端；且所述第一石墨烯薄膜(5)无间隔的裹覆在所述第一细芯光纤(4)上，所述第二石墨烯薄膜(7)无间隔的裹覆在所述第二细芯光纤(8)上，用于消除因细芯光纤和单模光纤模场不匹配而激发出的包层模，使得进入所述细芯超长周期光纤光栅(6)的光谱为纯净透射谱。

2.如权利要求1所述的光纤曲率传感器，其特征在于，所述光纤曲率传感器还包括光谱仪(11)，所述光谱仪(11)的输入端连接至所述第二单模光纤(10)的第二端；所述光谱仪(11)用于显示所述细芯超长周期光纤光栅的透射谱。

3.如权利要求1所述的光纤曲率传感器，其特征在于，所述第一细芯光纤(4)的第一端与所述第一单模光纤(2)的第二端对芯熔接，所述第二细芯光纤(8)的第二端与所述第二单模光纤(10)的第一端对芯熔接。

4.如权利要求3所述的光纤曲率传感器，其特征在于，所述第一细芯光纤(4)和所述第二细芯光纤(8)的长度相等，均为2cm～5cm。

5.如权利要求4所述的光纤曲率传感器，其特征在于，所述第一细芯光纤(4)和所述第二细芯光纤(8)的光纤包层直径为62.5μm～100μm。

6.如权利要求4所述的光纤曲率传感器，其特征在于，所述第一细芯光纤(4)和所述第二细芯光纤(8)的光纤纤芯直径为2μm～6μm。

7.如权利要求1-6任一项所述的光纤曲率传感器，其特征在于，所述细芯超长周期光纤光栅(6)的长度为2cm～5cm。

8.如权利要求1-6任一项所述的光纤曲率传感器，其特征在于，所述细芯超长周期光纤光栅(6)为单侧非对称结构细芯超长周期光纤光栅。

9.如权利要求1-6任一项所述的光纤曲率传感器，其特征在于，所述第一石墨烯薄膜(5)和第二石墨烯薄膜(7)的厚度和长度均相同，厚度为10nm～50nm，长度为2cm～4cm。

10.如权利要求1所述的光纤曲率传感器，其特征在于，所述光纤曲率传感器还包括第一夹具和第二夹具，所述第一夹具和所述第二夹具分别固定夹持着所述光纤曲率传感器的第一单模光纤(2)和第二单模光纤(10)，所述第一夹具和所述第二夹具之间的部分处于自由伸直的状态，所述第一夹具的位置固定，所述第二夹具能移动。