基于单个球形熔接的光纤探头式的温度与应力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于单个球形熔接的光纤探头式的温度与应力传感器，所述光纤为任意单模光纤，先将左段光纤熔成球形结构，再与右段光纤进行熔接，在其端面上渡上反射层（金、银、铝均可），构成光纤探头结构，经过反射形成M‑Z干涉效果。将熔接好的光纤探头固定放置在应力调节器上，然后光通过循环器进入光纤探头，然后反射光再次通过循环器，并同过光谱分析仪观察光谱，在温度变化时光纤膨胀，同时光纤直径随之改变，且当施加应力时，导致光纤长度和球形直径发生改变，从而导致透射谱发生变化，实现对温度与应力的测量。这种新型M‑Z光纤探头式传感器比传统的M‑Z光纤传感器灵敏度更高，它可以作为探头直接插入待测物体或溶液当中，更方便检测。本发明专利技术可以应用于化学和生物传感领域。

Optical fiber probe based temperature and stress sensor based on single spherical fusion

The invention discloses a fiber probe type temperature and stress sensor based on a single spherical fusion. The fiber is an arbitrary single-mode fiber. The left fiber is melted into a spherical structure, and then welded with the right fiber, and the reflective layer (gold, silver and aluminum can be crossed on the end surface) of the fiber probe is formed. Reflection results in the interference effect of M Z. The fused fiber probe is fixed on the stress regulator, and then the light enters the fiber probe through the circulator, and then the reflected light passes through the circulator again. The spectrum is observed with the hyperspectral analyzer. The fiber expands when the temperature changes, and the diameter of the fiber changes accordingly. When the stress is applied, the fiber length and the diameter of the fiber are changed. The diameter of the sphere changes, resulting in the change of transmission spectrum and the measurement of temperature and stress. This new type of M_Z fiber probe sensor has higher sensitivity than the traditional M_Z fiber sensor. It can be used as a probe to insert directly into the object or solution to be measured, and it is more convenient to detect. The invention can be applied to the fields of chemical and biological sensing.

【技术实现步骤摘要】
基于单个球形熔接的光纤探头式的温度与应力传感器
本专利技术是属于光纤传感领域，尤其涉及到利用单个球形结构实现温度与应力传感技术，具体涉及一种基于单个球形熔接的光纤探头式的温度与应力传感器。
技术介绍
在过去的几十年里，随着光纤通信和光电技术的迅速发展，光纤传感技术也得到了比较全面的发展。光纤传感器以其体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、可弯曲扭曲、及进行点式和分布式测量等优点而在建筑工程、电力工业、航天航海、医学和化学等领域得到广泛的应用。美国最早研究出了光纤陀螺仪、水声器、磁强计等光纤传感系统和用于核辐射监测的光纤传感器。日本、英国、法国和德国等许多国家也纷纷积极参与了光纤传感器的研究竞争中。目前，光纤传感器已经从军事上到民用上都得到了广泛的应用。光纤M-Z传感器近年来在光纤传感领域引起了很大的研究兴趣，其体积小巧、结构牢固，灵敏度高，马赫曾德尔干涉仪(M-Z)原理，将一束光首先分离成两束，两束光分别经历不同的光路再合束。由于两束光经历的光路不同，就产生了光程差，当两束光再次合束时则会出现干涉现象。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述技术分析，提供一种基于单个球形熔接的光纤探头式的温度与应力传感器，由光纤包层模、纤芯模进行干涉产生对温度与应力的敏感特性，实现对温度与应力的测量。本专利技术采用以下的技术方案实现上述目的。基于单个球形熔接的光纤探头式的温度与应力传感器，包括宽带光源和光谱分析仪，宽带光源和光谱分析仪分别通过单模光纤与循环器连接，循环器通过单模光纤上的球形熔接点连接光纤探头，光纤探头固定放置在应力调节器上，然后光通过循环器进入光纤探头，然后反射光再次通过循环器，并通过光谱分析仪观察光谱，以监测和记录反射光谱变化；所述球形熔接点的一端为左段光纤，另一端为右段光纤，在其端面上镀有反射层，经过反射形成M-Z干涉效果，在温度变化时光纤膨胀，同时光纤直径也随之改变，且当对光纤施加应力时，导致光纤长度和球形直径发生改变，从而导致透射谱发生变化，实现对温度与应力的测量。进一步，所述球形熔接点的直径为150-190um。进一步，所述光纤探头的长度是错位熔接点到其端面反射层的距离为1-3cm。进一步，所述反射层为金、银或铝镀层。本专利技术基于单个球形熔接的光纤探头式的温度与应力传感器，采用单模光纤，取材方便，价格低廉。反射层不仅有利于增强反射，还用于保护光纤端面免受污染。这种光纤结构能够抵抗更大的拉力，同时也增大了应力测量的范围。由光纤包层模、纤芯模进行干涉，提高对温度与应力的敏感特性，在温度变化时光纤膨胀，同时光纤直径也随之发生改变，且当施加应力时，导致光纤长度和球形直径发生改变，从而导致透射谱发生变化，实现对温度与应力的测量。本专利技术的新型M-Z光纤探头式传感器比传统的M-Z光纤传感器灵敏度更高，它可以作为探头直接插入待测物体或溶液当中，更方便检测。本专利技术所设计的结构在光纤温度与应力传感方面具有巨大的应用。附图说明图1是本专利技术整体结构示意图；图2是本专利技术中光纤内的光结构图；图3是本专利技术的透射光谱曲线图；图中：1.宽带光源，2.光谱分析仪，3.单模光纤，4.循环器，5.光纤探头，6.应力调节器；01.左段光纤，02.球形熔接点，03.右段光纤，04.反射层。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明，参见图1至图2，基于单个球形熔接的光纤探头式的温度与应力传感器，包括宽带光源1和光谱分析仪2，宽带光源1和光谱分析仪2分别通过单模光纤3与循环器4连接，循环器4通过单模光纤3上的球形熔接点02连接光纤探头5，光纤探头5固定放置在应力调节器6上，然后光通过循环器4进入光纤探头5，然后反射光再次通过循环器4，并通过光谱分析仪2观察光谱，以监测和记录反射光谱变化；所述球形熔接点02的一端为左段光纤01，另一端为右段光纤01，在其端面上镀有反射层，经过反射形成M-Z干涉效果，在温度变化时光纤膨胀，同时光纤直径也随之改变，且当对光纤施加应力时，导致光纤长度和球形直径发生改变，并导致透射谱发生变化，实现对温度与应力的测量。所述单模光纤3为任意单模光纤。所述球形熔接点02的直径为150-190um。，所述光纤探头5的长度L是错位熔接点到其端面反射层的距离为1-3cm。本专利技术中的宽带光源1在光纤探头5中发生光干涉，在光纤M-Z的情况下，由反射光产生干涉考虑纤芯模式，因为光纤尾纤足够长以衰减包层模能量。然而，在光纤探头中，由于L的长度，反射包层模式不能被忽略。因此光纤探头5中的整个干涉过程分为两步。首先，输入光通过光纤传播，经过球形熔接点02发生干涉，输出端的总光强为：其中：I1和I2是纤芯模和包层模的光强度，ΔΦ是它们之间的相位差。ΔΦ＝2πΔneffLeff/λ，其中Δneff是纤芯与包层模之间的有效折射率差，Leff是光纤探头干涉仪的有效长度，λ是输入光波长。其次反射光通过反射层反射再次回到球形熔接点02发生第二次干涉。当单模光纤受到轴向应力作用时，其光纤长度和球形直径会发生微小变化。因为掺锗石英纤芯的弹光系数大于纯石英构成的包层的弹光系数，所以纤芯和包层之间的有效折射率差减小。此时，传输谱线也会受到影响。则输出波长的变化量可以表示为：式中：ν为光纤的泊松系数，pe为有效弹光系数，ε为单位长度的形变量。从式可以看出，当施加轴向应力时，透射光谱曲线会向发生偏移。当温度变化时，对公式温度求偏导，可以得到温度变化对传感器的影响被表达为：式中，T是温度的变化量，根据公式(5)我们可以得到温度-波长公式：式中是M-Z传感器的热光系数，是传感器的热膨胀系数，可以从公式(6)看出传感器光谱的波长变化与温度变化之间的关系是线性的，可以用提出的M-Z传感器做温度传感。如图2所示，宽带光源1在左段光纤1纤芯模式输入，经过球形熔接点02时，激发输入光的包层模，经过反射层04反射后，再次经过球形熔接点时包层模与纤芯模耦合发生干涉。利用温度变化时光纤膨胀光纤直径也随之改变，同时当施加应力时，也会导致光纤长度和球形直径发生改变。从而导致透射谱发生变化，实现对温度与应力的测量。如图3所示,a峰干涉消光比较好,FSR合适,损耗较低。选取1500nm和1550nm附近的波谷,选取图中a峰作为参考点，分别观察温度和应力的响应特性。当单模光纤3周围相对温度变化时和单模光纤3受应力影响时，其长度和直径会发生变化，同时透射光谱也会按图方向红移，从而达到温度和应力的测量目的。本专利技术模型是先将左段光纤01熔成球形结构，再与右段光纤03进行熔接，在其端面上渡上反射层(金、银、铝均可)，经过反射形成M-Z干涉效果。输入光在左段光纤01的纤芯基模传输，经过球形熔接点02时，激发输入光的包层模，包层模和纤芯模均在光纤探头中传输，经过反射层反射后，再次经过球形熔接点时包层模与纤芯模耦合发生干涉。在周围温度变化时光纤膨胀，同时光纤直径随之改变，且当施加应力时，也会导致光纤长度和球形直径发生改变，从而导致透射谱发生变化，实现对温度与应力的测量。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于单个球形熔接的光纤探头式的温度与应力传感器，包括宽带光源和光谱分析仪，其特征在于，宽带光源和光谱分析仪分别通过单模光纤与循环器连接，循环器通过单模光纤上的球形熔接点连接光纤探头，光纤探头固定放置在应力调节器上，然后光通过循环器进入光纤探头，然后反射光再次通过循环器，并通过光谱分析仪观察光谱，以监测和记录反射光谱变化；所述球形熔接点的一端为左段光纤，另一端为右段光纤，在其端面上镀有反射层，经过反射形成M‑Z干涉效果，在温度变化时光纤膨胀，同时光纤直径也随之改变，且当对光纤施加应力时，导致光纤长度和球形直径发生改变，并导致透射谱发生变化，实现对温度与应力的测量。

【技术特征摘要】
1.基于单个球形熔接的光纤探头式的温度与应力传感器，包括宽带光源和光谱分析仪，其特征在于，宽带光源和光谱分析仪分别通过单模光纤与循环器连接，循环器通过单模光纤上的球形熔接点连接光纤探头，光纤探头固定放置在应力调节器上，然后光通过循环器进入光纤探头，然后反射光再次通过循环器，并通过光谱分析仪观察光谱，以监测和记录反射光谱变化；所述球形熔接点的一端为左段光纤，另一端为右段光纤，在其端面上镀有反射层，经过反射形成M-Z干涉效...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘彬，廖云程，刘娟，万生鹏，何兴道，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西,36