[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

说明书

本发明公开了一种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，由传输单模光纤(1)、空芯光纤(2)和传感单模光纤(3)构成整体结构，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，形成的异质光纤‑微管熔接点，所述传感单模光纤(3)用于应变的传感；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。本发明具有较长的传感长度，可以有效测量分布范围较大的应变；制作成本较低，同时便于大批量制作；能够在测量应变的基础上，同时实现温度参量的测量。

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，该传感器可以用于检测应变不均匀区域的平均应变。

背景技术

应变传感广泛应用于民生、国防安全等多个领域中，比如航天器、船舶、桥梁、大坝、核电站等重点部位的结构健康监控。传统的电阻应变技术因其元件易受到测量环境的化学腐蚀、传输信号易受电磁干扰等因素影响，在长期实时监测方面有较大局限，同时由于传感器尺寸有限，因此只能对有限范围的应变进行测量。光纤法布里-珀罗(F-P)传感器以其紧凑的尺寸、抗电磁干扰、抗腐蚀等诸多优点，引起了大量用于应变传感的研究。但是，常规的光纤法珀应变传感器的传感长度由于空气腔的传输损耗，制作的成本较高以及结构的稳定的因素，都不能满足应变分布范围较大的应变传感。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述一系列问题，本发明提出一种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，所实现的传感器结构具有传感长度较长的特点，该传感器结构可以避免传统光纤法布里-珀罗传感器腔长有限、无法测量较大应变分布范围的缺陷。

本发明的基于单模光纤的光纤法珀应变传感器，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