[发明专利]一种基于球状光纤和布拉格光栅级联的微位移传感器及其制备方法

说明书

技术领域

 本发明属于光纤传感领域，特别是一种基于球状光纤和布拉格光栅级联的微位移传感器。

背景技术

随着光纤通信相关领域的发展，光纤传感技术有了很大的进步。其中微位移传感器在工业生产、环境安全、临床检测等方面有着广泛的应用。微位移作为反应物体状态的重要参数，在生产实践中占有重要地位。目前已知的微位移的方法有很多，由于光纤传感器具有体积小、成本低、抗电磁干扰、灵敏度高抗腐蚀等诸多优点，光纤微位移传感器在应用领域引起人们的广泛兴趣。

对于常规的光纤光栅传感器，光能量集中于光纤纤芯，反射波峰的功率对外界微位移的响应不够灵敏。对于由两个分光结构组成的线性马赫增德尔干涉仪，其带宽较大，探测灵敏度和光栅传感器相比有很大差距。一般使用腐蚀或者特殊的分光结构，将纤芯中光激发到包层中去。然而腐蚀后的几何尺寸不规则，制作复杂，重复性差。特殊的分光结构如偏芯结构、拉锥结构、激光刻蚀等的机械强度难以保证，易折断。微位移传感器一般易受到温度的影响，出现交叉敏感的现象，这也制约着微位移传感器的精度。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提出一种基于球状光纤和布拉格光栅级联的微位移传感器，该微位移传感器不受温度干扰，结构简单且容易制作，成本低，有利于推广应用。

本发明的技术方案：

一种基于球状光纤和布拉格光栅级联的微位移传感器，由入射端单模光纤、球状光纤和布拉格光栅串联组成，球状光纤的直径为160-180μm，球状光纤与布拉格光栅的距离＜2cm。

一种所述基于球状光纤和布拉格光栅级联的微位移传感器的制备方法，步骤如下：

1）在距布拉格光栅的栅区2cm以内的位置，剥下光纤涂覆层，用酒精擦拭清洁；

2）将去掉涂覆层带有栅区的光纤放到光纤熔接机中，使用手动操作方式，控制步进电机将光纤端面越过电极棒180μm，放电量为160-200bit，时间为1350ms，放电后制得光纤球；

3）将单模光纤去掉涂覆层，端面切屑整齐，与光纤球分别放入熔接机两端，使用手动操作方式，控制步进电机将光纤端面与光纤球的距离为15μm，放电量为65-85bit，时间为1750ms，推进量为25μm，放电后光纤球与单模光纤完成连接，即可制得所述微位移传感器。

本发明的工作机理：

光从入射端单模光纤进入球状光纤，受球状光纤的影响，纤芯中的光被激发到包层，成为前向的纤芯模式和前向的包层模式。这两种光到达布拉格光栅时，满足布拉格条件的波长发生反射，其中前向的纤芯模式反射为后向的纤芯模式，前向包层模式反射为后向的包层模式。这两种后向模式的光到达球状光纤时耦合到纤芯，可通过光谱仪测量结果。

本发明的优点和有益效果是：

1）通过球形结构和布拉格光栅级联的传感器对微位移进行测量，避免了传统光栅传感器需要的腐蚀、研磨等处理，降低了制作难度与成本；

2） 通过测量光栅后向包层模式反射峰的功率，有效的提高了微位移测量的灵敏度，避免传感器受到温度的影响，提高了稳定性；

3） 传感器设计紧凑、便于使用、成本低。

附图说明

图1 为该微位移传感器结构示意图。

图中：1.入射端单模光纤   2.球状光纤   3.布拉格光栅的栅区

图2 为该微位移传感器的反射谱图，图中：（a）为后向的包层模式所代表的反射波长λ_n ，（b）为后向的纤芯模式所代表的反射波长λ_core。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例：

一种基于球状光纤和布拉格光栅级联的微位移传感器，如图1所示，由入射端单模光纤1、球状光纤2和布拉格光栅3串联组成，球状光纤2的直径为160-180μm，球状光纤2与布拉格光栅3的距离＜2cm。

光从入射端单模光纤进入球状光纤，受球状光纤的影响，纤芯中的光被激发到包层，成为前向的纤芯模式和前向的包层模式。这两种光到达布拉格光栅时，满足布拉格条件的波长发生反射，其中前向的纤芯模式反射为后向的纤芯模式，前向包层模式反射为后向的包层模式。这两种后向模式的光到达球状光纤时耦合到纤芯，通过光谱仪测量结果。

一种所述基于球状光纤和布拉格光栅级联的微位移传感器的制备方法，步骤如下：

1）在距布拉格光栅的栅区1.5cm的位置，剥下光纤涂覆层，用酒精擦拭清洁；