基于多模光纤形状调制的应变传感器及其制备和应用方法

1.本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于多模光纤形状调制的应变传感器及其制备和应用方法。


背景技术：

2.自从20世纪七八十年代以来，光纤传感技术伴随着光纤的发展而出现并且一直在快速发展，光纤传感器由于具有体积小，重量轻，灵敏度高，耐腐蚀性，有抗电磁干扰能力等特点，被广泛应用于航空航天、军事、国防、医疗、石油、金属冶炼等领域，可以用于测量环境的温度、湿度、压力、应变、距离、电磁场等物理量。光纤传感器的应用广泛性和各种性能优点，使得目前有许多团队在从事相关研究。
3.单模
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多模
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单模(single-mode
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multimode
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single-mode,sms)光纤结构是由一段多模光纤嵌在两段单模光纤中间组成，其结构简单、制作成本低、灵敏度高，是一种实际应用广泛的光纤传感结构。1995年，lucas b.soldano等人首次在理论上解释了多模干涉效应和自成像原理。1997年，denis donlagic等人首次提出可以将单模多模单模光纤结构用于传感测量，并在两根单模光纤之间嵌入了一段多模光纤，研究制作出了一种高灵敏度的传感器，并在1999年又进一步分析了单模
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多模
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单模光纤结构内的微弯损耗，进一步减小了光在光纤结构中的传输损耗，自此单模
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多模
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单模光纤结构被各团队研究应用于光纤传感领域。
4.随着光纤传感领域的不断发展，对光纤传感性能有了更高的要求，为了满足传感器在实际应用、日常生活中的灵敏度要求，各研究团队探索了不同方法来进一步提高单模
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多模
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单模光纤结构的灵敏度。
5.2009年，王凯军等人使用氢氟酸溶液腐蚀多模光纤的包层，让更多的光在包层传输来增强光纤中的倏逝场效应，从而提高传感器的折射率灵敏度，并在1.33
–
1.37范围内实现了5.4
×
10-5
nm/riu的传感器灵敏度。2010年，susana silva等人提出了一种弯曲型单模
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多模
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单模光纤结构，实现了对温度和应力的同时独立测量。2013年，天津理工大学杨娇使用无芯光纤代替普通的石英多模光纤，将其用于温度和液位的同时测量，实验得到传感器的温度灵敏度为66pm/℃、139pm/℃、31pm/℃，并且实验探索了不同液体对液面灵敏度的影响，实验中所得到的最高灵敏度为-121.5pm/mm。2014年，song dawei等人在多模光纤部分刻写光纤布拉格光栅(fiber bragg grating,fbg)用于应变传感，得到fbg透射峰的应变灵敏度为2.7pm/με。2017年ke tian等人使用葫芦形接口的多模光纤制备了单模
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多模
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单模光纤结构，并用于应变传感测量，在0
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1000με范围内应变灵敏度可达-2.60pm/με，次年提出基于s型多模光纤的单模
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多模
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单模光纤结构，应变灵敏度为103.8pm/με。2020年，ling chen等人提出了一种单模光纤
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拉锥双无芯光纤
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单模光纤结构，用于检测灭活金黄色葡萄球菌的超高灵敏度的光纤生物传感器，当金黄色葡萄球菌浓度为70cfu/ml时，传感器具有的最大波长偏移为2.04nm，检测极限为3.1cfu/ml。2021年大连理工大学李桐使用单模无芯单模光纤结构进行腐蚀监测，进行了仿真模拟和实验验证，无芯光纤的长度会对外部环境
折射率灵敏度造成显著影响，并研究了au膜和fe-c膜涂层对光纤结构折射率灵敏度的影响，得到具有fe-c膜涂层的单模无芯单模光纤在灵敏度、量程和使用寿命等方面有着较好的性能。
6.因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于多模光纤形状调制的应变传感器及其制备和应用方法，通过错位熔接的方法来进一步提高单模
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多模
–
单模光纤结构的应变灵敏度，多模光纤部分由多个小段多模光纤错位熔接而成，调制区域更易受到应变和外部环境影响，从而透射光谱有着更大的漂移。


技术实现要素：

7.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何制备一种基于多模光纤形状调制的高灵敏度应变传感器。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种基于多模光纤形状调制的应变传感器，包括依次连接的输入单模光纤、多段多模光纤、输出单模光纤；所述输入单模光纤与首段多模光纤对向错位熔接在一起，下一段多模光纤与上一段多模光纤对向错位熔接在一起，下一段的错位方向与上一段的错位方向相反，错位距离相同；所述输出单模光纤和末段多模光纤对芯熔接在一起；所述输入单模光纤和输出单模光纤中心轴在同一直线上，所述输入单模光纤和输出单模光纤分别作为所述应变传感器的一端和另一端。
9.进一步地，所述多段多模光纤形成多模光纤调制区域，所述多模光纤调制区域的长度为2000至10000μm。
10.进一步地，所述输入单模光纤、输出单模光纤的包层直径均为125μm，纤芯直径均为4至10μm；所述多段多模光纤的包层直径均为125μm，纤芯直径均为50至100μm。
11.进一步地，所述多段多模光纤为2至20之间的偶数段；每段多模光纤的长度相同，均为200至2000μm；所述错位距离均为4至25μm。
12.本发明还提供了一种基于多模光纤形状调制的应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
13.步骤1、将一根输入单模光纤与一根多模光纤剥掉涂覆层，擦拭干净后切平端面，将切割后的输入单模光纤与多模光纤进行熔接，熔接时设置一段错位距离；
14.步骤2、将熔接后的光纤放入高精度光纤切割平台，在高精度电荷耦合器件相机下寻找光纤熔点，移动光纤切割刀与光纤熔点的相对位置，使得光纤切割刀在多模光纤中距离光纤熔点预定长度处，将光纤进行切割；
15.步骤3、将切割后的光纤与另一段多模光纤进行熔接，熔接时设置相同的错位距离，错位方向与上一段错位方向相反；
16.步骤4、重复步骤2和步骤3，直至预定段数的多模光纤与输入单模光纤依次错位熔接；
17.步骤5、将熔接后的光纤与一根输出单模光纤进行对芯熔接，得到所制备的应变传感器。
18.进一步地，所述步骤4中所述预定段数的多模光纤形成多模光纤调制区域，所述多模光纤调制区域的长度为2000至10000μm。
19.进一步地，所述步骤1中的所述输入单模光纤、所述步骤5中的所述输出单模光纤
的包层直径均为125μm，纤芯直径为4至10μm；所述步骤1、2、3、4中的所述多模光纤的包层直径均为125μm，纤芯直径为50至100μm。
20.进一步地，所述步骤4中的所述预定段数为2至20之间的偶数；所述步骤2中的所述预定长度为200至2000μm；所述步骤3中的所述错位距离均为4至25μm。
21.本发明又提供了一种如上所述的基于多模光纤形状调制的应变传感器的应用方法，包括以下步骤：
22.步骤一、将所述应变传感器一端使用光纤夹具固定在三维高精度位移平台上，另一端使用光纤夹具固定在电动位移平台上，通过位移控制器对电动位移平台进行控制，从而实现对施加应变的精确控制；
23.步骤二、将所述应变传感器的输入单模光纤与输出单模光纤分别和宽带光源与光谱分析仪进行熔接，使用位移控制器对传感器施加应变，得到应变在预定范围内增加和降低时相应变化的透射光谱。
24.进一步地，所述应变增加和降低的预定范围为0-720με。
25.本发明的有益效果在于：
26.本发明中基于多模光纤形状调制的高灵敏度应变传感器的应变灵敏度为-55.63pm/με，相较于相同调制长度sms光纤传感器，灵敏度提升33倍，温度灵敏度为-16.86pm/℃，测量范围为30
–
130℃。应变升高和降低过程中，应变灵敏度基本相同，波谷可以恢复原位，因此性能稳定，可以重复多次使用。
27.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
28.图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图；
29.图2是本发明的另一个较佳实施例的制备过程示意图；
30.图3是本发明的另一个较佳实施例的透射光谱图；
31.图4是本发明的又一个较佳实施例的应变上升和降低过程的数据拟合图。
32.其中，10-输入单模光纤，11-输入单模光纤纤芯，12-输入单模光纤包层，20-多模光纤，21-多模光纤纤芯，22-多模光纤包层，30-输出单模光纤，31-输出单模光纤纤芯，32-输出单模光纤包层。
具体实施方式
33.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
34.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
35.本发明为一种基于多模光纤形状调制的高灵敏度应变传感器，探索了其制备方法和传感性能，属于光纤传感领域。通过对多模光纤区域进行形状调制使得多模光纤区域更
易受到应变的影响，从而提升sms光纤应变传感器的性能，为进一步提高光纤传感器的应变灵敏度提供了一种思路。
36.实施例1
37.本实施例提供了一种基于多模光纤形状调制的高灵敏度应变传感器，此应变传感器的结构示意图如图1所示，此传感器由输入单模光纤10、十段多模光纤20和输出单模光纤30组成。输入单模光纤10由输入单模光纤纤芯11和输入单模光纤包层12组成，每段多模光纤20由多模光纤纤芯21和多模光纤包层22组成，输出单模光纤30由输出单模光纤纤芯31和输出单模光纤包层32组成。每段多模光纤20与前一段光纤错位熔接，最后一段多模光纤20与输出单模光纤30对芯熔接。每段多模光纤20长度相同，定义为l，每两段光纤的错位距离相同，定义为δx。
38.此传感器的基本原理为：光在单模光纤中以基模传输，因此多模光纤区域的输入光可以表示为：
[0039][0040]
其中(x,y)为光纤横截面中的坐标，m为多模光纤中存在的总的模式数，fm(x,y)为单模光纤中基模的场分布，cm是激励系数，cm与多模光纤区域的输入光e(x,y,0)与fm(x,y)有关，可以表示为：
[0041][0042]
当光由输入单模光纤10传输进入多模光纤20时，一部分光继续在多模光纤纤芯21内传输，另一部分光进入多模光纤包层22，激发出光的高阶模式。光场会随着在多模光纤20中的传输发生变化，在距离输入单模光纤10和多模光纤20交界面距离z的位置光场e(x,y,z)可以表示为：
[0043][0044]
其中βm是多模光纤20中第m阶本征模的传播常数。对于阶跃型多模光纤，基模传输进入多模光纤20时所激发的模式数m可以表示为：
[0045][0046]
其中a是多模光纤20的直径，n
co
和n
cl
分别为多模光纤20的纤芯折射率和包层折射率，λ是自由空间波长。
[0047]
此传感器通过多段多模光纤错位熔接构成，改变了单模
–
多模
–
单模光纤结构的调制形状，使得其在相同拉力下更易发生形变，从而导致光谱发生漂移，有着更高的应变灵敏度。
[0048]
实施例2
[0049]
本实施例提供了一种如上所述的传感器的制备过程如图2所示，包括以下步骤：
[0050]
s1、将一根输入单模光纤10与一根多模光纤30剥掉涂覆层，擦拭干净后切平端面，
将切割后的输入单模光纤10与多模光纤20使用光纤熔接机进行熔接，熔接时设置错位距离为12微米；
[0051]
s2、将熔接后的光纤放入高精度光纤切割平台，在高精度电荷耦合器件(charge coupled device,ccd)相机下寻找光纤熔点，移动光纤切割刀与光纤熔点的相对位置，使得光纤切割刀在多模光纤中距离光纤熔点400微米处，将光纤进行切割；
[0052]
s3、将切割后的光纤与另一段多模光纤20进行熔接，错位距离仍为12微米，错位方向与上一段错位方向相反；
[0053]
s4、重复步骤s2与步骤s3，直至十段多模光纤20与输入单模光纤10依次错位熔接；
[0054]
s5、将熔接后的光纤与一根输出单模光纤30进行对芯熔接，得到所制备的应变传感器。
[0055]
高精度光纤切割平台由两个三维高精度位移平台、一个二维高精度位移平台、光纤切割刀、高分辨率ccd相机构成，两个三维高精度位移平台位于切割平台两端，用于固定光纤，防止光纤移动，光纤切割刀固定在二维高精度位移平台上方，将两个三维高精度位移平台和二维高精度位移平台调节至同一直线，使用高分辨率ccd相机监测光纤切割刀的刀刃，确定光纤和切割刀的相对位置，在ccd相机的监测下移动二维高精度位移平台对光纤进行高精度切割。
[0056]
所制备的传感器结构紧凑，其调制区域长度仅为4毫米，相较于传统sms光纤结构的42毫米的调制区域长度有明显的减小。测量得到此传感器在1400
–
1625nm范围内的透射光谱如图3所示，传感器在1589.3纳米处有一个消光比为25.8db的谐振峰，此谐振峰可以用于应变的测量。
[0057]
实施例3
[0058]
本实施例提供了一种如上所述的传感器的应变测量平台，应变测量平台由一个三维高精度位移平台、一个电动位移平台、位移控制器、宽带光源、光谱分析仪构成。分别使用三维高精度位移平台、电动位移平台固定光纤两端，调节三维高精度位移平台，使得两平台位置在同一直线。光纤输入端连接宽带光源，光纤输出端连接光谱分析仪对光纤传输光谱进行监测，通过操控位移控制器使得电动位移平台移动，对光纤施加应变，从而光纤光谱发生变化。
[0059]
实施例4
[0060]
本实施例提供了一种如上所述的传感器的应变测量步骤，具体如下：
[0061]
将传感器一端使用光纤夹具固定在三维高精度位移平台上，另一端使用光纤夹具固定在电动位移平台上，通过位移控制器可以对电动位移平台进行控制，从而实现对施加应变的精确控制。将传感器的输入单模光纤与输出单模光纤分别和宽带光源与光谱分析仪进行熔接，使用位移控制器对传感器施加应变，得到应变在0-720με范围内增加和降低时相应变化的透射光谱。
[0062]
传感器的谐振峰位置随应变变化的数据拟合图如图4所示，在应变上升过程中的应变灵敏度为-55.63pm/με，应变降低过程中的应变灵敏度为-55.39pm/με。相较于传统sms应变传感器，此多模光纤形状调制的高灵敏度应变传感器有效的缩短了调制区域，提高了应变灵敏度，同时具有制备简单、成本极低、所需仪器简单、抗干扰能力强等优点，为提高应变传感器件性能提供了一种思路。
[0063]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。