一种螺旋多芯掺镱微结构光纤传感器

1.本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种螺旋多芯掺镱微结构光纤传感器。


背景技术：

2.在桥梁、建筑、大型机械等领域中，测量结构形变及其内部应力，检测大型结构，评估桥梁健康状况等工作至关重要。对于这种应用，要求传感器对于弯曲或应力的敏感性是极高的。此外，传感器必须紧凑、简单、准确、可靠。因此，高灵敏度的传感器在工业制造领域中具有极大的应用价值。
3.近几年，随着现代智能结构检测技术和光纤制造技术的进步，微光学传感器件得到了迅速的发展。光纤传感器利用光纤本身作为传感器，特定的外界信号可改变光纤中传输光波的物理特征参量，因此对于应力、弯曲、温度、湿度、倾角、化学成分等参量有很优秀的感知能力。一系列基于光纤的应力和弯曲传感的研究已经展开：例如基于光纤光栅、光子晶体光纤(pcf)、马赫
‑
曾德尔干涉仪、多芯光纤传感器、s型结构的光纤传感器。但是，基于光纤布拉格光栅(fbg)的弯曲传感器对小角度的灵敏度低，通常需要额外的参考传感器。基于长周期光栅的定向弯曲传感器灵敏度高，但是环绕介质会损害传感器的性能。干涉弯曲传感器虽然已经提出了高度敏感的建议，但它们往往更加复杂。
4.微结构光纤是基于光子晶体技术发展起来的的下一代新型结构光纤，微结构光纤是由多个二氧化硅晶体管沿着光纤轴排列成六角形蜂窝状图案阵列组成，当微结构光纤被扭曲时，螺旋的微结构光纤中纤芯周围的周期性螺旋空气通道会引起一系列独特的现象，因此螺旋的微结构光纤为开发高灵敏度的应力、弯曲和温度传感器提供了的新可能性。


技术实现要素：

5.有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本实用新型提出一种螺旋多芯掺镱微结构光纤(helical ytterbium
‑
doped multicore micro
‑
structure fiber)传感器，介绍了该传感器对应力、弯曲和扭转的传感响应，利用熔接机在多芯微结构光纤上制造出螺旋结构，可在应力、弯曲和扭转等度量上有良好的传感特性。
6.本实用新型通过以下技术手段解决上述问题：
7.本实用新型提供一种螺旋多芯掺镱微结构光纤传感器，包括光源、光谱仪以及一段螺旋多芯掺镱微结构光纤；螺旋多芯掺镱微结构光纤的一端与带有pc接头的单模尾纤连接，另一端与带有fc接头的单模尾纤连接；带有pc接头的单模尾纤与光源连接，另一根带有fc接头的单模尾纤与光谱仪连接。
8.本实用新型还提供一种螺旋多芯掺镱微结构光纤传感器，包括自带光源的光谱仪以及一段螺旋多芯掺镱微结构光纤；螺旋多芯掺镱微结构光纤的一端与带有pc接头的单模尾纤连接，另一端与带有fc接头的单模尾纤连接；带有pc接头的单模尾纤与光谱仪光源端连接，另一根带有fc接头的单模尾纤与光谱仪输出端连接。
9.进一步地，所述螺旋多芯掺镱微结构光纤为螺旋三芯掺镱微结构光纤。
10.与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：
11.1、使用多芯光纤，其纤芯的多样性和空间分布使单模光纤无法实现的传感机制得以发展。
12.2、使用强耦合多芯光纤，其超模由同一光源激发，满足光的干涉条件，因此对通过改变多芯光纤的干涉模式的相位进行传感的物理量灵敏度高。
13.3、该光纤由三个掺yb
3+
的芯组成，具有规则的三角形形状和纵向螺旋结构，能够做到高灵敏度地解决弯曲和小角度的传感测量。
附图说明
14.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1是本实用新型螺旋多芯掺镱微结构光纤传感器的实施例1的结构示意图；
16.图2是本实用新型螺旋多芯掺镱微结构光纤传感器的实施例2的结构示意图；
17.图3是本实用新型光纤长度相当时螺旋周期2π、4π、6π(rad/cm)的透射光谱图；
18.图4是本实用新型光纤螺旋周期为2π时，传感器的压力灵敏度与波长之间的关系；
19.图5是本实用新型光纤螺旋周期为4π时，传感器的压力灵敏度与波长之间的关系；
20.图6是本实用新型t＝2π、4π时传感器的压力灵敏指数拟合图；
21.图7是本实用新型光纤螺旋周期为2π时，传感器的弯曲灵敏度与波长之间的关系；
22.图8是本实用新型光纤螺旋周期为2π时，传感器的弯曲灵敏度与波长之间的关系；
23.图9是本实用新型t＝2π、4π时传感器的弯曲灵敏指数拟合图。
具体实施方式
24.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
25.实施例1
26.如图1所示，本实用新型提供一种螺旋多芯掺镱微结构光纤传感器，包括光源、光谱仪以及一段螺旋多芯掺镱微结构光纤；螺旋多芯掺镱微结构光纤的一端与带有pc接头的单模尾纤连接，另一端与带有fc接头的单模尾纤连接；带有pc接头的单模尾纤与光源连接，另一根带有fc接头的单模尾纤与光谱仪连接。
27.具体地，所述螺旋多芯掺镱微结构光纤为螺旋三芯掺镱微结构光纤。
28.具体地，螺旋多芯掺镱微结构光纤结构是利用co2激光聚焦加热，使光纤产生热变形，利用光纤熔接机自定义螺旋程序，使光纤进行匀速移动和旋转，得到不同周期的螺旋微结构光纤，光纤表面的螺旋式折射率调制，进而导致偏振峰的波长漂移，从而实现了对外界
物理因素的测量。
29.将光纤进行螺旋操作的过程中，光纤的包层形状发生改变，这使得光纤横截面上的侧向应力改变，进而改变了光纤的折射率，因此导致了光纤具有双折射特性。当一束光从光纤的一端入射时，沿快轴和慢轴传输的光具有不同的速度，通过螺旋结构之后，两束光累积了一定的光程差，因此在出射端会产生干涉现象。并且改变光纤的螺旋周期时，其干涉效果也会发生明显的改变。
30.实施例2
31.如图2所示，本实用新型提供一种螺旋多芯掺镱微结构光纤传感器，包括自带光源的光谱仪以及一段螺旋多芯掺镱微结构光纤；螺旋多芯掺镱微结构光纤的一端与带有pc接头的单模尾纤连接，另一端与带有fc接头的单模尾纤连接；带有pc接头的单模尾纤与光谱仪光源端连接，另一根带有fc接头的单模尾纤与光谱仪输出端连接。
32.实施例3
33.本实用新型提供一种螺旋多芯掺镱微结构光纤传感器的制备方法，具体步骤如下：
34.步骤a：将一段多芯掺镱微结构光纤除去表面涂覆，长度为6cm，然后使用酒精将此区域擦拭干净；
35.步骤b：将步骤a得到的光纤放置在光纤熔接机上，光纤两端固定在熔接机相应的地方；
36.步骤c：选择自定义螺旋程序，启动螺旋程序；
37.步骤d：退出自定义螺旋程序程序，取出光纤；
38.步骤e：将步骤d得到的6cm螺旋多芯掺镱微结构光纤切割成三份，使用红宝石切割刀将光纤两端端面切平，其中长度分别为1cm、2cm、3cm；
39.步骤f：将步骤e得到的不同长度的螺旋多芯掺镱微结构光纤两端与两根单模尾纤熔接起来。
40.具体地，普通单模光纤的一端需使用剥线钳剥去涂覆层和包层，并用蘸有酒精的试镜纸将光纤末端擦拭干净，使用单模切割刀切除平整的端面。
41.具体地，步骤f中利用光纤熔接机手动熔接模式。
42.具体地，所述多芯掺镱微结构光纤为三芯掺镱微结构光纤。
43.传感器装置如图2所示，其中包括自带光源的光谱仪，螺旋三芯掺镱微结构光纤。
44.螺旋多芯掺镱微结构光纤的扭转传感器测试：
45.分别制备出周期为2π、4π、6π(rad/cm)的螺旋光子晶体光纤后，将不同周期的螺旋多芯掺镱光纤的两端分别与两根带有fc/pc接头的单模尾纤连接，带有pc接头的单模尾纤与光谱仪光源端连接，另一根带有fc接头的单模尾纤与光谱仪输出端连接。光谱仪自带光源的中心波长为1550nm，波长范围是1050
‑
1650nm。当光谱仪自带光源的光从光纤的一端入射时，沿快轴和慢轴传输的光具有不同的速度，通过螺旋结构之后，两束光累积了一定的光程差，因此在出射端会产生干涉现象。由光谱分析仪检测。周期分别为2π、4π、6π(rad/cm)的透射谱图如图3所示。
46.螺旋多芯掺镱微结构光纤的压力传感器测试：
47.同样地，在螺旋多芯掺镱微结构光纤的传感器上依次加上质量为50g的砝码，得到
在9个不同压力梯度下测得透射光谱，并且其谐振峰位置随压力的增加而向长波方向漂移，分析该波长漂移量，进而得到传感灵敏度。如图4
‑
6所示。
48.螺旋多芯掺镱微结构光纤的弯曲传感器测试：
49.同样地，光谱仪自带的光源从传感装置的一端入射，经过整个螺旋区，从另一端出射到光谱仪中，用来监测光谱的实时变化。在实验时，我们在螺旋的光子晶体光纤下面放置一个软钢尺，并用胶带使光纤固定在软钢尺上面，螺旋测微器放在软钢尺上面，当软钢尺与螺旋光纤水平放置时为初始测量的位置。通过挤压软钢尺造成螺旋光纤的弯曲，达到改变螺旋光纤弯曲量而观察到光谱变化的目的。
50.具体地，螺旋光纤的弯曲曲率与软钢尺移动的距离和软钢尺的自由长度存在着数学关系，数学方程式如下：
[0051][0052]
其中，c为光纤的弯曲曲率，h为挤压软钢尺的距离，l为软钢尺的自由长度。在测量螺旋光纤的弯曲传感特性时，每次挤压软钢尺的长度2mm，带入到(1)中，可以得到每次曲率变化为0.069m
‑1，整个弯曲曲率的测量范围是0至0.556m
‑1。如图7
‑
9所示。
[0053]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果至少包括：
[0054]
1、使用多芯光纤，其纤芯的多样性和空间分布使单模光纤无法实现的传感机制得以发展。
[0055]
2、使用强耦合多芯光纤，其超模由同一光源激发，满足光的干涉条件，因此对通过改变多芯光纤的干涉模式的相位进行传感的物理量灵敏度高。
[0056]
3、该光纤由三个掺yb
3+
的芯组成，具有规则的三角形形状和纵向螺旋结构，能够做到高灵敏度地解决弯曲和小角度的传感测量。
[0057]
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。