[发明专利]一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器

说明书

本发明公开了一种基于双芯光纤‑光子晶体光纤结构的应变传感器，由放大自发辐射光源，固定台，光纤传感头，移动台和光谱分析仪组成，所述光纤传感头是由双芯光纤和光子晶体光纤级联而成，一端熔接单模光纤通过固定台固定与放大自发辐射光源连接，另一端熔接单模光纤通过移动台固定和光谱分析仪连接形成光通路，通过观察光谱分析仪可得到随应变变化而移动的干涉光谱。该发明具有制作简单、体积小、灵敏度高、条纹可见度好等优点。

技术领域

本发明属于光纤传感器领域，具体涉及一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器。

背景技术

光学传感器因其体积小、分辨率高、抗电磁干扰等独特优点，被广泛应用于温度、折射率、磁场、湿度、应变等传感参数的监测。其中，应变在桥梁和建筑物健康检测中的应用起到了至关重要的作用。尤其是与功能材料相结合的多氯联苯传感技术，目前在传感领域得到了广泛的应用，并引起了人们的广泛关注。对于应变传感器来说，光纤传感器易于实现嵌入式、分布式测量，在建筑结构健康监测、桥梁建设、地质勘探等应用领域中能够发挥更大的作用。

传统上有多种方法可获得结构的应变大小，但大都受到一定条件的制约。利用电阻应变片测量结构的应变，可间接得到结构的变形，但应变片的测量范围有限，在大弯曲变形的测量中受到限制，因为它经过大变形后无法恢复原状，更不适于埋入式测量；并且在测量薄结构时，结构表面的应变很小，用应变片测量就显得比较困难。因此，研究者们提出了基于光纤传感器的测量方法，如Sagnac环、布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅、法布里-珀罗腔、布里渊散射、拉曼散射等方法。目前使用最多的光纤应变传感器，一般是采用光纤光栅、长周期光纤光栅的波长检测技术，这些方法系统复杂，造价昂贵，受外界环境(如温度等)的影响较大，会出现交叉敏感的问题。因此，开发一种结构简单、不受环境温度变化影响的高灵敏度光纤应变传感器，具有重要的应用价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出了一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器，该传感器采用双芯光纤-光子晶体光纤结构，使传感器具有机械强度高、融合损失小的优点。

本发明通过以下技术方案实现：一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器，由放大自发辐射光源(1)，固定台(2)，光纤传感头(3)，移动台(4)和光谱分析仪组成(5)；其特征在于：所述光纤传感头(3)是由双芯光纤(7)和光子晶体光纤(8)级联而成，一端熔接单模光纤(6)通过固定台(2)固定与放大自发辐射光源(1)连接，另一端熔接单模光纤(9)通过移动台(4)固定和光谱分析仪(5)连接形成光通路，通过观察光谱分析仪(5)可得到随应变变化而移动的干涉光谱，并用计算机处理、计算和拟合后可以得到应变传感器的应变特性。

所述的双芯光纤(7)包层直径为125微米，中间为双芯结构，双芯的直径分别为2微米和2.5微米，双芯距离光纤中心轴线距离为1微米；双芯中直径为2微米的芯的折射率范围是1.4544-1.4599，直径为2.5微米的芯的折射率范围是1.4540-1.4590，双芯光纤的包层折射率范围为1.4115-1.4539。

所述的光子晶体光纤(8)为由六层气孔组成，芯直径为10.1微米，包层直径为125微米的光纤。

所述的传感头结构是由单模光纤-双芯光纤-光子晶体光纤-单模光纤熔接而成的级联结构，且双芯光纤(7)和光子晶体光纤(8)长度均为45毫米。

所述的光源为C+L波段1528纳米-1602纳米的放大自发辐射光源(1)。

本发明的工作原理是：输入光将在光纤芯和光纤包层中传输，光纤芯和包层中的两条光路会在光纤端部产生干涉。对于马赫曾德耳干涉仪，M阶包层模式的共振波长可以简单地写为：