一种用于应变测量的干涉型光纤传感器制造技术

本发明专利技术涉及应变光学测量仪器领域，其目的在于提供一种传感器结构，使其能够适用光纤耦合与多光束干涉的原理，使得测量结果能够与理论模型的分析结果相适应。结构上包括入射光纤、出射光纤和套管，入射光纤的一端和出射光纤的一端分别固定于套管的两端，端部位于套管腔内，端部之间留有距离为微米级别的间隙，并且在上述端部分别镀上高反膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及应变光学测量仪器领域，更具体的说是一种用于应变测量的白光干涉型光纤传感器。
技术介绍
光纤传感器是一种新型的传感器。与传统传感器相比，它具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、便于与光纤传输系统组成遥测网络等优点。相对于其它光纤传感器而言，法布里-帕罗腔光纤应变传感器结构简单、体积小、成本较低，适合批量生产。因此在大型建筑结构、复合材料、宇航飞行器、军工产品等领域有着良好的应用前景。其中非本征法布里-帕罗腔干涉型光纤应变传感器更是近年来的研究热点。光纤法布里-帕罗腔应变传感器可分为强度调制型和相位调制型，其中相位型传感器通过对输出信号光谱分析来计算应变值。由于采用低相干光源的白光干涉仪，不仅可以对物理量绝对测量，而且传感的动态范围大、分辨力高、不易受外界干扰等优点而在实际工程中广为应用。但是，对于干涉型非本征法布里-帕罗腔干涉型光纤应变传感器的理论分析才刚刚起步，且仅局限于输出强度与法布里-帕罗腔长度的关系，不是真正意义上的相位型的理论模型，因此很难在开发出适用于理论分析的实际传感器结构，现有结构的实验结果均与理论模型的计算结果有较大的出入。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种传感器结构，使其能够适用光纤耦合与多光束干涉的原理，使得测量结果能够与理论模型的分析结果相适应。本专利技术主要是通过以下技术方案来实现其专利技术目的。本专利技术公开了一种用于应变测量的白光干涉型光纤传感器，包括入射光纤、出射光纤和套管，入射光纤的一端和出射光纤的一端分别固定于套管的两端，端部位于套管腔内，端部之间留有距离为微米级别的间隙，并且在上述端部分别镀上高反膜。由置于石英毛细管中的两段切割好的光纤端面和中间的空气隙组成谐振腔，光纤端面在垂直光纤光轴切割平整后，镀上多层介质的高反膜，相距约为几十微米，与中间的空气隙在石英管中形成非本征法布里-帕罗腔干涉腔。在光纤的端面镀上光学介质的高反膜，一方面提高了传感器的灵敏度，另一方面使得本传感器结构的测量结果能够与理论模型的分析结构相符合。本专利技术传感器的套管采用石英材料制作，使得本传感器具备对温度的不敏感性，由于石英毛细管和光纤有相同的热膨胀系数以及中间空气隙的存在，因此本专利技术特别适用于进行单一微位移或应变量的测量。两光纤在石英管中处于自由状态，不受外力或应变的作用。在石英管两端，光纤和石英管胶粘合在一起。当这种结构用于应变的测量时，石英毛细管两端粘结点之间的距离为应变型传感器的标距。传感器的腔距在外力作用下将发生变化，通过测量腔距的改变量就能得到微位移。本专利技术应用于测量系统中可以分为反射型和透射型两种。光纤之间耦合的原因有多种，其中最为主要的有两光纤之间的横向偏移、光纤之间的轴向偏移和光纤端面成一定的夹角等几种情况。在此传感器的制作中，采用光纤切割刀对端面进行了与轴线垂直的加工处理后，在光纤端面镀上多层介质的光学高反膜。再用内径略大于光纤外径的石英毛细管套于两段光纤之间。因此可以忽略了光纤轴向偏移和端面角度引起的耦合损耗，而主要考虑横向偏移引起的耦合损耗。对于反射型非本征法布里-帕罗腔应变传感器，只要关心两根光纤反射光的干涉，而不要关心透射光的情况；对于透射型非本征法布里-帕罗腔应变传感器，只要关心两根光纤透射射光的干涉，而不要关心反射光的情况。对于反射型非本征法布里-帕罗腔应变传感器，其光纤端部镀上的高反膜可以同为介质膜，或者是入射光纤的一端镀上的高反膜为介质膜，出射光纤的一端镀上高反膜为金属膜两种结构。对于透射型非本征法布里-帕罗腔应变传感器，其光纤端部镀上的高反膜必须同为介质膜。所述介质膜的材料为二氧化硅、二氧化钛或为若干二氧化硅层和二氧化钛层构成的复合介质膜，也可以是物理性质类似的材料。金属膜的材料为金或其他具有高反性质的金属材料。本专利技术相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和进步1.本专利技术公开的传感器结构实际测量结果与理论分析结果相符合；2.可以适用于微米级别的应变测量，因此在大型建筑结构、复合材料、宇航飞行器、军工产品等领域有着良好的应用前景； 3.适用于宽带光源，克服了光强波动对系统的影响；4.采用和光纤有相同的热膨胀系数的石英套管配合光纤中间的空气隙，降低了传感器对温度的敏感性，使本专利技术具有更广泛的应用范围；5.结构简单，且工艺难度低，降低了制作成本，提高了市场竞争力。附图说明图1为本专利技术传感器结构示意图；图2为测量中光纤耦合损耗示意图；图3为耦合损耗系数与距离变化关系数值模拟图；图4为光线在法布里-帕罗腔中反射的示意图；图5为传感器输出的光强和波长关系；图6为测量系统模块图；图7为传感器的反射光谱图；图8为理论数值模拟曲线和实际测量曲线的对比图；图9为传感器测量时位于初始状态的光谱图；图10为传感器测量时位于变形状态的光谱图。具体实施例方式光纤应变传感器的结构如图1所示，传感器由入射光纤1、出射光纤2和石英毛细套管3构成。光纤1，2的端部11，21分别镀上高反膜12，22后，插入内外直径分别为126um、1.8mm，长为20mm的石英毛细套管3中，两光纤端部11，21相距约为几十微米，与中间的间隙4在套管3中形成非本征法布里-帕罗腔干涉腔。两光纤1，2在套管3中处于自由状态，不受外力或应变的作用。在套管3两端，光纤1，2和套管3用胶4粘合在一起。S为非本征法布里-帕罗腔的腔距，两粘结点之间的距离Lg为传感器的标距。非本征法布里-帕罗腔腔距S在外力作用下将发生相应的微位移，通过测量腔距的改变量ΔS，将该传感器用于应变测量时，所受的应变可用公式(1)计算ϵ=ΔSLg---(1)]]>其中，ΔS为腔距的变化量，Lg为传感器的标距。光纤1，2之间耦合的原因有多种，其中最为主要的有两光纤1，2之间的横向偏移、光纤1，2之间的轴向偏移和光纤端面11，21之间成一定的夹角等几种情况。在此传感器的制作中，采用光纤切割刀对端面进行了与轴线垂直的加工处理后，在光纤端面镀上多层介质的光学高反膜。再用内径为126um的石英毛细套管3套住外径为125um裸光纤1，2。因此可以忽略光纤轴向偏移和端面角度引起的耦合损耗，而主要考虑横向偏移引起的耦合损耗。对于反射型非本征法布里-帕罗腔应变传感器，只要关心两根光纤反射光的干涉，而不要关心透射光的情况。因此可以把反射光纤简化成一个镜面来处理。如图2所示，图2中(a)为实际光线的传播示意图，把它作一个镜面成像处理后如(b)所示，光从入射光纤传播到反射镜上，经过反射以后又耦合到入射光纤中，可以等效成距离为2s光纤间的耦合。深色部分表示能耦合进的能量，浅色部分表示损耗的能量。在石英阶跃型单模光纤中，传播的基本模型可以用高斯光束的公式来表示为E(r,s)=E0ω0ω(s)exp(-r2ω2(s))---(2)]]>ω0=a(0.65+1.619V1.5+2.879V6)---(3)]]>ω(s)=ω01+(s/sR)2---(4)]]>SR＝πω02/λ (5)其中r为高斯光场传播时柱坐标的半径，s为腔的距离，a为纤芯的半径，V为光纤的归一化频率，ω0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于应变测量的白光干涉型光纤传感器，包括入射光纤（１）、出射光纤（２）和套管（３），入射光纤（１）的一端（１１）和出射光纤（２）的一端（２１）分别固定于套管（３）的两端，端部（１１，２１）位于套管腔内，端部（１１，２１）之间留有距离为微米级别的间隙（４），其特征是在端部（１１），（２１）分别镀上高反膜（１２），（２２）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：江绍基，曾斌，汪河洲，李宝军，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]