[发明专利]基于单模光纤的光纤法珀应变传感器及制作方法、测量方法

权利要求书

1.一种基于单模光纤的光纤法珀应变传感器，其特征在于，该传感器为传输单模光纤(1)、空芯光纤(2)和传感单模光纤(3)所构成的一个整体结构，且在该结构中形成法珀腔；其中：

所述传输单模光纤(1)用于传输入射光和出射光；

所述空芯光纤(2)与传输单模光纤(1)的后端面紧密熔接，形成异质光纤-微管熔接点，

所述传感单模光纤(3)用于应变的传感；

在不同的应变环境下，所述法珀腔作为应变敏感元件，引起传感单模光纤(3)的折射率和传感长度均发生变化，从而改变法珀腔的干涉相位；该传感器的测量方法包括以下步骤：

将法珀腔的干涉相位表示为：

其中，λ是输入光的波长，实现应变测量转化为光程差测量，L₂是传感单模光纤的传感长度，n_SMF是传感单模光纤的折射率；

将干涉光谱信号的总光强表示为：

其中，I₁、I₂和I₃是三束反射光的光强；

求出法珀腔的粗略光程差Δ＝2k/Nδv，其中，N是傅里叶变换的采样点数，k是对应法珀腔频率分量峰值的横坐标，δv＝δλ/λ²是傅里叶变换的采样间隔；构造理想带通滤波器，分离出法珀腔的干涉光谱；

根据公式m＝Δ/λ_m，计算一个特定干涉波峰λ_m的干涉级次m，将m取整后，记为m’，求出精确光程差Δ'＝m'λ_m；

当应变ε施加于被测物体时，光程差、光纤的折射率分别发生改变；

折射率变化量表示为

其中，p₁₁,p₁₂是材料的应变弹光系数，υ是泊松比，ε＝ΔL₂/L₂是应变；

光程差变化量表示为：

其中，是光纤的弹光系数；

从而实现应变信息转化为光程差信息。

2.一种如权利要求1所述的基于单模光纤的光纤法珀应变传感器的制作方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、采用外径125μm、内径9μm的单模光纤，量取长度为50mm～100mm，用光纤切割刀将单模光纤的端面切平，制成传输单模光纤；

步骤2、采用外径为150μm、内径75μm的空芯光纤，一端经光纤切割刀切平后，与传输单模光纤的后端面通过熔接机进行手动熔接，在熔接时采用小放电量接近150mA，并且熔接时电弧放电中心要与空芯光纤偏离30μm～40μm的距离；熔接后，使用光纤切割刀将空芯光纤的前端面切平，保留空芯光纤的长度为30μm～50μm，空芯光纤与传输单模光纤之间形成紧密的异质光纤-微管熔接点；

步骤3、采用外径125μm、内径9μm的单模光纤，一端经光纤切割刀切平后，与空芯光纤的后端面通过熔接机进行手动熔接，制成传感单模光纤，手动熔接的方法同步骤二，熔接后，使用光纤切割刀将传感单模光纤的另一个端面切平，形成法珀腔，切割的位置决定了传感单模光纤的传感长度L₂，保留传感单模光纤的长度为5cm～10cm；

从而使传输单模光纤、空芯光纤和传感单模光纤形成一个整体结构。