基于谐振反射波导和马赫曾德尔的传感器及传感实验装置

1.本实用新型涉及基于谐振反射波导和马赫曾德尔的传感器及传感实验装置，属于光纤传感技术领域。


背景技术：

2.近年来，随着传感技术的飞速发展，光纤传感器以其体积小、重量轻、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优异的特性倍受青睐，可用于高温高压、强电磁场、强腐蚀等恶劣环境中的探测。光纤位移测量在复合材料健康监测、土木工程结构、微机械系统、医学应用等领域有着广泛的应用。目前报导的位移传感器大多是基于电子传感技术，如电容式和磁阻式位移传感器。但是基于电子传感技术的位移传感器长期稳定性低、耐久性差、容易受到高强度电磁干扰。在先前的报导中，基于光纤光栅的位移传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、一根光纤中可以包含多个测点等优点。目前，部分光纤光栅的位移传感器在裸光纤上刻写布拉格光栅后直接用于位移测量，在使用不仅中存在灵敏度低和易损坏的问题，难以实现对微小位移的精确测量以及长期稳定的使用，而且由于制作工艺复杂、成本高，难以实现工业化生产。在基于光干涉的位移传感器中，马赫-曾德尔干涉仪(mzi)具有结构紧凑、灵敏度高、波长编码检测和高再现性等优点，是一种极具吸引力的结构。虽然mzi具有高精度的优点，但对于位移测量而言，温度串扰是一个重要问题。
3.针对以上不足，本发明设计了一款制作温度串扰低、工艺简单、性能稳定、价格低廉的位移、温度传感器。对于谐振反射波导结构，谐振透射光强度对位移敏感而对温度变化不敏感。通过解调用于温度传感的mzi的波长偏移和用于位移传感的谐振反射波导的光强度变化，解决了位移和温度的交叉灵敏度问题。由于不同的传感机理，因此本发明可用作温度、位移同时传感。仅采用单模光纤(smf)、空芯硅管(hst)和简单的熔接技术，降低了传感器的成本和制造难度。因此可以将此传感器应用于复合材料健康监测、土木工程结构、微机械系统、医学应用等领域。


技术实现要素：

4.为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供基于谐振反射波导和马赫曾德尔的传感器及传感实验装置，解决了现有技术中在精密光纤位移传感中，现有光纤位移传感器稳定性差以及在位移测量中存在温度串扰的问题。
5.为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：
6.基于谐振反射波导和马赫曾德尔的传感器，包括空芯硅管hst、单模光纤smf和毛细微管，空芯硅管hst的两端分别对称连接有一段单模光纤smf，整体构成气球形结构的传感回路，单模光纤smf的另一端分别穿过毛细微管。
7.优选地，前述空芯硅管hst内径为50μm、外径为125μm、长度为1.5cm。
8.优选地，前述单模光纤smf为通信单模光纤。
9.优选地，前述毛细微管内径为1mm、外径为1.5mm。
10.优选地，前述传感回路的最大弯曲直径d＝1.2cm。
11.一种传感实验装置，包括紫外线胶、玻璃片、光源bbs、光谱分析仪osa以及前述的传感器，紫外线胶将传感器固定于玻璃片上，传感器两端分别连接光源bbs、光谱分析仪osa。
12.优选地，前述光源bbs为宽谱光源。
13.优选地，前述光谱分析仪osa最小分辨率为0.05nm。
14.本实用新型所达到的有益效果：
15.本发明通过在两段smf间熔接一段hst后将传感器固定为气球状，制作了一个mzi与谐振反射波导混合的传感器。对于谐振反射波导结构，谐振透射光强度对位移敏感而对温度变化不敏感。通过解调用于温度传感的mzi的波长偏移和用于位移传感的谐振反射波导的光强度变化，解决了位移和温度的交叉灵敏度问题。由于不同的传感机理，因此本发明可用作温度、位移同时传感，并且传感探头结构简单、性能稳定、价格低廉。
附图说明
16.图1是本实用新型传感器结构图；
17.图2是本实用新型弯曲状态空芯硅管hst内的光路示意图；
18.图3是本实用新型位移传感验证装置；
19.图4是本实用新型温度传感验证装置。
20.图中附图标记的含义：1-空芯硅管hst；2-单模光纤smf；3-紫外线胶；4-毛细微管； 5-玻璃片；6-光源bbs；7-光谱分析仪osa。
具体实施方式
21.下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
22.本实施例公开了一种基于谐振反射波导和马赫曾德尔的传感器，如图1所示，包括空芯硅管hst1、单模光纤smf2和毛细微管4。在空芯硅管hst1的两端分别对称连接有一段单模光纤smf2，整体构成气球形结构的传感回路。两段单模光纤smf2的另一端分别穿过毛细微管4。其中空芯硅管hst 1内径为50μm、外径为125μm、长度为1.5cm。单模光纤smf 2为通信单模光纤。毛细微管4内径为1mm、外径为1.5mm。
23.本实施例传感器制作方法的具体步骤如下：首先用光纤钳将一段单模光纤smf2和一段空芯硅管hst1涂覆层剥去，长度各2cm左右，用棉花蘸取酒精擦拭干净，用光纤切割刀将剥除涂覆层的单模光纤smf2和空芯硅管hst1端面切平整，然后分别放入光纤熔接机两端，关闭夹具，使单模光纤smf2和空芯硅管hst1不会松动。设置光纤熔接机放电参数，放电使单模光纤smf2和空芯硅管hst1熔接。打开夹具，在光学移动平台的帮助下移动空芯硅管hst1，切取空芯硅管hst1长度1.5cm，将切断后的空芯硅管hst1断面置于光纤熔接机一端。取另一段单模光纤smf2剥去涂覆层长约1cm左右，用棉花蘸取酒精擦拭干净，用光纤切割刀将剥除涂覆层的单模光纤smf2端面切平整，然后放入光纤熔接机另一端，关闭夹具，设置光纤熔接机放电参数，放电使空芯硅管hst1和单模光纤smf2熔接。将熔接完成后的结构中两段单模光纤smf2穿过毛细微管4弯曲为气球结构。其中最大弯曲直径d＝1.2cm。
24.本专利结构的原理图如图1所示。当光进入气球结构时，由于模场失配，会激发高阶包层模。纤芯模和包层模继续在空芯硅管hst1内传播，直到它们离开气球结构。入射光束被合并，部分激发包层模式被耦合回单模光纤smf2的纤芯。由于纤芯模和激发包层模之间的光学相位差，形成了典型的mzi。mzi的干涉强度和相位差可以分别表达如下：
[0025][0026][0027]
其中i1和i2分别是纤芯模和高阶包层模的光强；n
co
和n
cl
分别是纤芯和包层的折射率；λ是光在真空中的波长；l1和l2分别是与干涉相关的单模光纤smf2和空芯硅管hst1的长度； n
air
和n
hst
分别是空气和二氧化硅的折射率；是两干涉光的相位差：l
opd
为纤芯模和高阶包层模的光程差。
[0028]
当相位差满足条件m＝0,1,2,
…
[0029]
即
[0030]
出现干涉波谷。其中m为整数，λm为第m级干涉条纹的波长。
[0031]
对于谐振反射效应，谐振波长λm′
可用包层厚度d表示如下：
[0032][0033]
这里，m
′
是表示谐振级数的正整数，n
hst
是二氧化硅的折射率。透射条纹的强度可表示为：
[0034][0035]
其中i
arrow
是谐振波长处入射光的强度。
[0036]
当外部温度变化时，纤芯模和包层模的折射率将发生变化，导致纤芯模和高阶模之间的光学相位差发生变化，因此mzi条纹将发生偏移。然而，考虑到石英的高热光系数(1.2
×
10-5
) 和5.5
×
10-7
/℃的低热膨胀系数，温度对空芯硅管hst1的折射率和厚度影响较小，因此谐振透射光强度对温度变化不敏感。在曲率变化的情况下，空芯硅管hst1在一侧被压缩的同时另一侧被拉伸。这有两个后果，一方面，纤芯模式和包层模式在空芯硅管hst1周围不对称传播。因此，mzi干涉的长度在不同的弯曲条件下有所不同。因此，mzi的波长随着曲率的变化而移动。另一方面，当曲率发生变化时，空芯硅管hst1周围干涉光束的对称性被破坏：拉伸侧的干涉光束光程增加，而压缩侧的干涉光束光程减少。考虑到引导光的入射角有限，随着曲率的增加，谐振波长处的光强度会发生变化。弯曲状态空芯硅管hst1内的光路如图2所示。
[0037]
鉴于上述的传感器，可搭建传感实验装置，用于检测待测物体的位移和/或温度。首先将传感器探头用紫外线胶3固定于玻璃片5上，再将玻璃片5置于待测物体上，传感器两端分别连接光源bbs 6和光谱分析仪osa7。在利用上述传感装置测试时，有必要验证该传感装置的稳定性。其中，光源bbs为6宽谱光源，光谱分析仪osa7最小分辨率为0.05nm。
[0038]
可搭建如图3所示的位移传感实验装置。在位移传感验证实验中，将玻璃片5垂直固定于位移平台。通过调节位移平台使传感器发生位移，位移0μm时记录初始反射谱线，位移从 0μm增加到150μm时，步长为10μm。再将位移由150μm减小到0μm，步长为10μm，共记录32组数据。以此验证传感器在位移传感中的稳定性。
[0039]
可搭建如图4所示的温度传感实验装置。在温度传感验证实验中，将传感器用玻璃片5 固定好后放入温控箱tc中。通过调节温控箱的温度来记录传感器对温度的响应，20℃时记录初始反射谱线，每隔10℃记录一次，从20℃到90℃，共记录8次。再将温度由从90℃减小到20℃，步长为10℃，共记录16组数据。以此验证传感器在温度传感中的稳定性。
[0040]
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。