[发明专利]一种基于kagome光纤光栅的张力传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感领域，主要特点是对温度不敏感，适合在温度变化较大的环境里测试张力。

背景技术

张力的测量在工业领域有着重要的作用，例如两个电线杆之间的天线由于温度的变化自身张力也会发生变化，张力过大会有天线断裂的危险。对于张力的实时监测是有必要的。相比于其他气体传感器，光纤气体传感器具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高、便于复用成网等诸多优点而备受重视。

现有测量技术中，使用机械传动装置可以对张力进行定时的测量与分析，该传感系统复杂，成本较高。采用微纳光纤光栅作为光纤传感头，可以充分利用光纤光栅的波长选择特性以及谐振峰对于外界张力敏感的特点，大大提高其传感器的灵敏度，而且具有制作简单、易于实现等优点。长周期光纤传感器因为其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度方面独一无二的优势，成为传感领域的重要组成部分。而一般的长周期光纤传感器都在单模光纤上写制而成，这种微纳器件不仅仅对张力敏感，也会有一定的温度交叉效应，对张力测量会产生干扰。尤其是在室外的张力监测，一定要考虑张力传感器的温度补偿效应。Kagome晶格结构的光子晶体光纤，具有高的空气填充率，独特的几何结构，光束可以在空气孔中传播。而空气的热光系数很低。因而可以在温度变化明显的环境下实现有效的张力测量。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种结构简单、响应时间短、灵敏度高，对温度不敏感的基于kagome光纤的光栅张力传感器。

为了到达上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于kagome光纤光栅的张力传感器，包括光源光谱仪和连接所用的光纤，还包括光纤传感元件，所述的光源发出的光通过光纤注入光纤传感元件，然后通过输出光纤到达光谱仪，光纤传感元件附着于张力测试部位，其中的光纤传感元件为单模-微纳光纤光栅-单模结构，其由两段单模光纤和位于两段单模光纤中间的一段kagome光纤光栅通过熔接构成。

进一步的，以上所述的连接所用的光纤为单模光纤。

进一步的，以上所述的光源装置为超连续光源。

进一步的，以上所述的kagome光纤参数为纤芯尺寸22μm，空气孔包层直径为70μm，外包层直径为140μm。

本发明的优点以及有益效果：

本发明将长周期光栅和kagome晶格光子晶体光纤结合形成的微纳器件，有效消除温度的交叉敏感效应，最终利用kagome晶格光子晶体光纤的传感器张力敏感度高达-2.09pm/με，是使用相同长周期光栅参数下单模光纤灵敏度的五倍。温度敏感性低至0.59pm/℃，是使用相同长周期光栅参数下单模光纤温度敏感性的六分之一。

附图说明

图1是本发明中整体结构示意图。

图2是本发明图1中kagome光纤光栅放大示意图。

图中：1、超连续光源；2、光谱仪；3、单模光纤；4、kagome光纤光栅；5、张力测试环境。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

由附图1可知，本发明包括光源、连接所用的光纤、kagome光纤光栅4、光谱仪2，其中的光源为超连续光源1，连接所用的光纤为单模光纤3，超连续光源1通过单模光纤3连到kagome光纤光栅4上，kagome光纤光栅4的另一端与光谱仪2连接。

参见附图2，本发明的光纤传感元件是将单模光纤3、基于Kagome光纤光栅4以及单模光纤3按照单模-kagome光纤光栅-单模的结构熔接起来，当入射光进入kagome光纤光栅4后，将会形成谐振峰，外界的张力变化的时候，致使其导模折射率发生变化，从而使得谐振峰谐振波长发生漂移。

该kagome光纤光栅制作方法是，取一根kagome光纤，然后用刀片剥去kagome光纤的涂覆层，利用二氧化碳激光器制作kagome光纤光栅4。用光纤熔接机将制作好的kagome光纤光栅4的两端与单模光纤3相连接。本发明所用的kagome光纤参数为纤芯尺寸22μm，空气孔包层直径为70μm，外包层直径为140μm。

将以上制作的kagome光纤光栅4放置于测试张力的环境5中，由于张力与kagome光纤光栅4的作用，使得kagome光纤光栅4的导模折射率发生变化，因此，长周期光栅的谐振波长也会发生漂移。