[发明专利]一种基于Mach-Zehnder干涉的光纤微位移传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术，尤其是涉及一种基于Mach-Zehnder干涉的光纤微位移传感器及其制作方法。

背景技术

光在光纤中传输时表征光波的特征参量(如振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、折射率、压力、位移、振动、转动等)的作用会直接或间接地发生变化，光纤传感器就是一种利用这一基本原理来实现对外界的物理量进行探测的光纤传感元件。与通常的光电传感器相比，光纤传感器具有重量轻、体积小、抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高且可远距离操控的优点，能够在恶劣的环境中有效地进行传感操作，安全可靠。因此，随着光纤传感技术的飞速发展，光纤传感器件在水利水电、铁路交通、航空航天、石油化工、采矿与船舶、建筑、生产自动化、数控机床等众多领域获得了广泛的应用。

作为一种重要的光纤传感器，光纤微位移传感器是利用光波的特征参量对外界位移量的敏感变化进行精密测量的常用工具，可以实现工程结构的安全监控和精密机械的位移检测等。目前，常用的光纤微位移传感器有多种类型，如反射式强度调制型、布拉格光栅型、长周期光栅型、Fabry-Peort干涉型、Michelson干涉型和Mach-Zehnder干涉型等。其中，反射式强度调制型光纤微位移传感器的传感信号取决于发射光和接收光的强度，容易受外界环境的干扰；布拉格光栅型和长周期光栅型光纤微位移传感器都以共振波长为传感信号，排除了光强起伏的干扰，具有较高的可靠性和稳定性，然而这两种光纤微位移传感器的制作需要精密的掩模板和昂贵的专业设备，不仅制作成本高，而且制作程序复杂；Fabry-Peort干涉型光纤微位移传感器内两个光纤端面之间的空隙构成微腔，该微腔的长度随外界位移量的改变而变化，从而导致干涉输出信号发生相应的改变，这种光纤微位移传感器具有很高的灵敏度，然而由于两个光纤端面需要精密对准，因此它对环境的稳定性要求极高；Michelson干涉型光纤微位移传感器需要在光纤端面镀上反射膜，这一制作过程难度较大；现有的基于Mach-Zehnder的干涉型微位移传感器是先将部分纤芯基模的光耦合到包层模，然后再把部分包层模的光耦合到纤芯基模，由于纤芯基模的光和包层模的光之间存在一定的光程差而形成干涉，从而根据形成的干涉光谱来测定外界微位移量，如锥形光纤、错位熔接结、芯径失配等模式耦合结构的Mach-Zehnder干涉型微位移传感器，然而上述几种基于Mach-Zehnder的干涉型微位移传感器的灵敏度相对较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单和高灵敏度的基于Mach-Zehnder干涉的光纤微位移传感器及其相应的制作方法，且制作工艺简单、成本低。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于Mach-Zehnder干涉的光纤微位移传感器，由输入单模光纤、第一微弯曲结构光纤、传导单模光纤、第二微弯曲结构光纤和输出单模光纤组成，光通过所述的输入单模光纤的纤芯传输到所述的第一微弯曲结构光纤中，光在所述的第一微弯曲结构光纤中分成两部分，一部分光保留在所述的第一微弯曲结构光纤的纤芯中以纤芯基模传播，另一部分光进入所述的第一微弯曲结构光纤的包层中以包层模传播，所述的第一微弯曲结构光纤输出的以纤芯基模传播的光经过所述的传导单模光纤的纤芯传输到所述的第二微弯曲结构光纤的纤芯中，所述的第一微弯曲结构光纤输出的以包层模传播的光经过所述的传导单模光纤的包层传输到所述的第二微弯曲结构光纤的包层中，且部分以包层模传播的光被耦合到所述的第二微弯曲结构光纤的纤芯中并与所述的第二微弯曲结构光纤的纤芯中以纤芯基模传播的光形成干涉光，所述的第二微弯曲结构光纤输出的干涉光再经所述的输出单模光纤输出。

所述的输入单模光纤、所述的第一微弯曲结构光纤、所述的传导单模光纤、所述的第二微弯曲结构光纤和所述的输出单模光纤均为通信单模光纤或者细径单模光纤或者单模光子晶体光纤。

所述的第一微弯曲结构光纤的两端所在平面之间的垂直距离和所述的第二微弯曲结构光纤的两端所在平面之间的垂直距离均为620～845μm。

所述的第一微弯曲结构光纤和所述的第二微弯曲结构光纤的径向偏移量均为43～116μm。

所述的第一微弯曲结构光纤和所述的第二微弯曲结构光纤的径向偏移的方向均为任意。

所述的传导单模光纤的长度为1～20mm。

一种所述的基于Mach-Zehnder干涉的光纤微位移传感器的制作方法，包括以下步骤：