[实用新型]基于多孔微结构光纤的应变传感器

说明书

技术领域

本实用新型属于传感技术，是一种基于多孔微结构光纤的应变传感器，可以应用于静态及动态的径向、轴向、扭曲、弯曲应变以及应力的传感。

背景技术

光纤传感器由于具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、可构成光纤传感网等诸多优点，在工业、农业、生物医疗、国防等各领域均有广阔应用前景。

光纤应变传感器目前大致上有这样几种技术方案，包括光纤布拉格光栅(FiberBragg Grating，简称为FBG)、长周期光栅(Long Period Grating，简称为LPG)、马赫曾德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，简称为MZ-I)和光纤Sagnac环等，尽管其结构各有不同，实际上都是基于干涉相关的原理。在多模光纤中，由于不同的传播模式具有不同的传播常数，模式间的相互干涉也可应用于应变的传感。利用多模光纤中的模式干涉实现应变传感有多种技术路线，其中一个常用的方法是单模-多模-单模光纤结构(single mode-multimode-single mode fiber，以下简称为SMS)。也就是将多模光纤串接在两根单模光纤之间，其中一根单模光纤用以导入光场，另外一根单模光纤用以导出光场。在SMS光纤结构中，由于多模光纤中可以存在不止一个传输模式，模式之间相互干涉的作用会导致光场在光纤的出口端形成较为复杂的空间分布，这种分布一般称为散斑。同时，因为导出单模光纤的纤芯孔径小于多模光纤，只能接收部分的散斑能量，而散斑的形状和位置会随着入射光波长而变化，所以整个SMS光纤结构具有不平坦的传输光谱。光谱的透过率随波长上下振荡，其周期与多模光纤的长度有关。对多模光纤施加应变，各个传输模式都会因此而变化，导致散斑的空间分布产生相应变化，因而整个结构的传输光谱也会有相应变化。如果使用单色光源或者多纵模激光光源，传输光谱的改变就会导致出射光功率的变化，检测这种光功率变化可以实现应变传感。

近年来，一类新的光纤——微结构光纤的研究成为一个热点。在微结构光纤中存在着很多纵贯整个光纤长度的空气孔，微结构光纤的导光机理就依赖这种空气石英微结构。目前，已经在微结构光纤应力应变量传感方面展开了一些探索性的研究，主要的技术路径有光子晶体光纤中的FBG及LPG，多芯光纤等等。

在先技术之一，Byung Hyuk Park等[Optical Fiber Communication Conference，2005.Technical Digest.OFC/NFOEC 4：3-5]在光子晶体光纤中写入LPG，当施加应变于此装置，LPG的共振峰的位置会随应变而变化，但是变化的方向与普通光纤中的LPG不同。尽管这一独特现象可能有潜在的应用价值，但是与现有技术相比，优势并不明显。

在先技术之二，P M Blanchard等[Smart Mater.Struct.，2000，9：132-140]利用多芯光纤数个光斑的相对位置实现了二维应变量的传感，但是光斑位置变化的规律较为复杂，给解调带来困难。

在先技术之三，Yu Liu等[APPLIED OPTICS，2007，46：2516-2519]利用渐变折射率(Graded Index，GI)多模光纤，基于SMS光纤结构实现了应变及温度传感。但是其装置的传输光谱比较平坦，震荡幅度大约只有0.4dB，而且其震荡周期较大，达到几十纳米，所以灵敏度不高。

在先技术之四，Joel Villatoro等[OPTIC LETTERS，2006，313：305-307]利用熔融拉锥的折射率导引型光子晶体光纤，基于SMS光纤结构实现了应变传感。这种结构的优点是传输光谱震荡幅度大，而震荡周期小，所以灵敏度较高。同时该装置对温度变化不敏感，避免了温度变化的影响。但是其所用的光子晶体光纤价格较为昂贵，并且其熔融拉锥工艺较难以控制。

多孔微结构光纤中的一种是所谓柚子光纤，这种光纤的特征为：在包层中有一圈环绕着纤芯的大孔，孔的形状可以是圆形的也可以是接近于扇形的形状，孔的数目从几个到十几个不等，因为光纤横截面的形状像是切开的柚子，故名柚子光纤，如图1所示。柚子光纤的纤芯可以是掺锗的单模纤芯，也可以是纯石英构成的多模纤芯。因为包层中的空气孔尺寸较大，可以很方便地在微结构光纤中注入液体和聚合物以形成某些特殊性能，比如可调双折射、衰减器等等功能，也可以将待测物质注入微结构光纤的孔中，实现气相或液相物质传感。

发明内容