一种基于Mach-Zehnder干涉的光纤微位移传感器及其制作方法

摘要

本发明公开了一种基于Mach-Zehnder干涉的光纤微位移传感器及其制备方法，该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，光经输入单模光纤传输到第一微弯曲结构光纤并在其中分成两部分，一部分在第一微弯曲结构光纤中以纤芯基模传播，另一部分在第一微弯曲结构光纤的包层中以包层模传播，以纤芯基模传播的光经传导单模光纤传输到第二微弯曲结构光纤的纤芯，以包层模传播的光经过传导单模光纤传输到第二微弯曲结构光纤的包层，且部分以包层模传播的光被耦合到第二微弯曲结构光纤的纤芯并与以纤芯基模传播的光形成干涉光，该干涉光再经输出单模光纤输出；优点是灵敏度高，且制作简单，成本低。

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：

①准备两根长至少为10cm的单模光纤，用光纤剥皮钳分别剥去两根单模光纤一端的涂覆层，被剥去的涂覆层长为2～4cm，用脱脂棉蘸取酒精后反复擦拭上述两根单模光纤上已剥去涂覆层的部分以去除涂覆层的残余物，再用光纤切割刀分别切割上述两根单模光纤被剥去涂覆层一端的端面，使得端面平整；

②将步骤①中处理过的两根单模光纤被剥去涂覆层的一端分别放置在光纤熔接机里的两个光纤夹具上并固定，然后采用光纤熔接机的自动熔接模式对两根单模光纤被剥去涂覆层一端的端面进行熔接；

③将光纤熔接机从自动熔接模式切换成手动熔接模式，向上或向下移动光纤熔接机里的其中一个光纤夹具，且向上或向下移动该光纤夹具的距离为30～130μm，然后启动熔接放电程序，放电结束后，即形成第一微弯曲结构光纤；

④将经过步骤③处理后得到的带有第一微弯曲结构光纤的单模光纤从光纤熔接机中取出，然后用光纤切割刀切割，其切割端面与步骤③中制成的第一微弯曲结构光纤靠近该切割端面的一端相距设定长度，该设定长度比待制备得到的光纤微位移传感器中作为传导单模光纤的一段单模光纤的预设长度大300～450μm；

⑤将步骤④所得到的两段单模光纤的切割端再分别放置在光纤熔接机里的两个光纤夹具上并固定，采用光纤熔接机的自动熔接模式对经过步骤④得到的两段单模光纤的切割端面进行熔接；

⑥将光纤熔接机从自动熔接模式切换成手动熔接模式，向上或向下移动光纤熔接机里的其中一个光纤夹具，且向上或向下移动该光纤夹具的距离为30～130μm，然后启动熔接放电程序，放电结束后，即形成第二微弯曲结构光纤，至此制备得到光纤微位移传感器；在此，第一微弯曲结构光纤和第二微弯曲结构光纤之间的一段单模光纤即为传导单模光纤，与第一微弯曲结构光纤的一端连接的包括剥去涂覆层和未剥去涂覆层的一段单模光纤为输入单模光纤，与第二微弯曲结构光纤的一端连接的包括剥去涂覆层和未剥去涂覆层的一段单模光纤为输出单模光纤。

所述的步骤④中待制备得到的光纤微位移传感器中作为传导单模光纤的一段单模光纤的预设长度为1～20mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：该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，来自光源的光依次经过输入单模光纤、第一微弯曲结构光纤、传导单模光纤、第二微弯曲结构光纤后经输出单模光纤输出，当该光纤微位移传感器因受到外界微位移的作用而被拉伸时，其结构发生形变，引起第一微弯曲结构光纤到第二微弯曲结构光纤光传播的有效距离发生改变，且由于受到拉伸，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的直径会随之发生改变，从而导致上述单模光纤内纤芯基模的有效折射率和包层模的有效折射率发生改变，使得输出单模光纤输出的干涉光谱中的干涉极大值或者干涉极小值对应的波长发生漂移，然后通过光谱分析仪探测干涉极大值或者干涉极小值对应波长的漂移量实现对外界微位移的高精度测量，该光纤微位移传感器不仅结构简单且灵敏度高；此外，该光纤微位移传感器的制作，只涉及单模光纤的切割和熔接，工艺简单，操作方便且成本低。

附图说明

图1为本发明的光纤微位移传感器的结构示意图；

图2为实施例一中的第一微弯曲结构光纤的显微图片；

图3为用于测试实施例一至实施例六给出的光纤微位移传感器的位移传感特性的测试实验装置的组成示意图；

图4a为实施例一给出的光纤微位移传感器在0-200微米位移范围内每间隔10微米位移下测得的干涉光谱；

图4b为图4a的干涉光谱中一干涉极小值对应的波长在0-200微米位移范围内随位移变化的关系图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：一种基于Mach-Zehnder干涉的光纤微位移传感器，如图1所示，其由输入单模光纤11、第一微弯曲结构光纤12、传导单模光纤13、第二微弯曲结构光纤14和输出单模光纤15组成，光通过输入单模光纤11的纤芯传输到第一微弯曲结构光纤12中，光在第一微弯曲结构光纤12中分成两部分，一部分光保留在第一微弯曲结构光纤12的纤芯中以纤芯基模传播，另一部分光进入第一微弯曲结构光纤12的包层中以包层模传播，第一微弯曲结构光纤12输出的以纤芯基模传播的光经过传导单模光纤13的纤芯传输到第二微弯曲结构光纤14的纤芯中，第一微弯曲结构光纤12输出的以包层模传播的光经过传导单模光纤13的包层传输到第二微弯曲结构光纤14的包层中，且部分以包层模传播的光被耦合到第二微弯曲结构光纤14的纤芯中并与第二微弯曲结构光纤14的纤芯中以纤芯基模传播的光形成干涉光，第二微弯曲结构光纤14输出的干涉光再由输出单模光纤15输出。

上述基于Mach-Zehnder干涉的光纤微位移传感器的制作方法，包括以下步骤：

①准备两根长为10cm的单模光纤，用光纤剥皮钳分别剥去两根单模光纤一端的涂覆层，被剥去的涂覆层长为3cm，用脱脂棉蘸取酒精后反复擦拭上述两根单模光纤上已剥去涂覆层的部分以去除涂覆层的残余物，再用光纤切割刀分别切割上述两根单模光纤被剥去涂覆层一端的端面，使得端面平整。

②将步骤①中处理过的两根单模光纤被剥去涂覆层的一端分别放置在光纤熔接机里的两个光纤夹具上并固定，然后采用光纤熔接机的自动熔接模式对两根单模光纤被剥去涂覆层一端的端面进行熔接。

③将光纤熔接机从自动熔接模式切换成手动熔接模式，向上移动光纤熔接机里的其中一个光纤夹具，且向上移动该光纤夹具的距离为125μm，然后启动熔接放电程序，放电结束后，即形成第一微弯曲结构光纤12，图2给出了此处制得的第一微弯曲结构光纤12的显微图片。

④将经过步骤③处理后得到的带有第一微弯曲结构光纤12的单模光纤从光纤熔接机中取出，然后用光纤切割刀切割，切割端面与步骤③中制成的第一微弯曲结构光纤12靠近该切割端面的一端相距设定长度，该设定长度比待制备得到的光纤微位移传感器中作为传导单模光纤13的一段单模光纤的预设长度大400μm，在此，待制备得到的光纤微位移传感器中作为传导单模光纤13的一段单模光纤的预设长度为1mm。

⑤将步骤④所得到的两段单模光纤的切割端再分别放置在光纤熔接机里的两个光纤夹具上并固定，采用光纤熔接机的自动熔接模式对经过步骤④得到的两段单模光纤的切割端面进行熔接。

⑥将光纤熔接机从自动熔接模式切换成手动熔接模式，向上移动光纤熔接机里的其中一个光纤夹具，且向上移动该光纤夹具的距离为125μm，然后启动熔接放电程序，放电结束后，即形成第二微弯曲结构光纤14，至此制备得到光纤微位移传感器。在此，第一微弯曲结构光纤12和第二微弯曲结构光纤14之间的一段单模光纤即为传导单模光纤13，与第一微弯曲结构光纤12的一端连接的包括有剥去涂覆层和未剥去涂覆层的一段单模光纤为输入单模光纤11，与第二微弯曲结构光纤14的一端连接的包括剥去涂覆层和未剥去涂覆层的一段单模光纤为输出单模光纤15。

测量得到传导单模光纤的长度L_C=1mm，第一微弯曲结构光纤12的径向偏移量L_d1=107μm，第二微弯曲结构光纤14的径向偏移量L_d2=100μm，第一微弯曲结构光纤12的两端所在平面之间的垂直距离L_b1为751μm，第二微弯曲结构光纤14的两端所在平面之间的垂直距离L_b2为748μm。

上述制得的光纤微位移传感器中的输入单模光纤11、第一微弯曲结构光纤12、传导单模光纤13、第二微弯曲结构光纤14和输出单模光纤15的结构均包括光纤芯层101和光纤包层102，其中，输入单模光纤11的输入端的部分单模光纤和输出单模光纤15的输出端的部分单模光纤均包括涂覆层103。在上述制备过程中，所采用的光纤熔接机为南京吉隆光纤通信股份有限公司出产，型号为KL-280，其工艺参数如下：预熔电流为5mA，预熔时间为0.1s，熔接电流为4.5mA，熔接时间为1.5s。

在实际制备本发明的光纤微位移传感器时，用来制备的单模光纤还可以为细径单模光纤或者单模光子晶体光纤，即输入单模光纤11、第一微弯曲结构光纤12、传导单模光纤13、第二微弯曲结构光纤14和输出单模光纤15还可以均为细径单模光纤或者单模光子晶体光纤；在第一微弯曲结构光纤12和第二微弯曲结构光纤14的制备过程中，光纤熔接机的其中一个光纤夹具也可以向下移动，该光纤夹具移动的距离越大，得到的微弯曲结构光纤（包括第一微弯曲结构光纤12和第二微弯曲结构光纤14）的径向偏移量就越大，且第一微弯曲结构光纤和第二微弯曲结构光纤的径向偏移的方向均为任意。

实施例二：本实施例制备光纤微位移传感器的制作方法与实施例一相同，仅光纤微位移传感器的结构参数不同，即：传导单模光纤13的长度L_C=2.5mm；第一微弯曲结构光纤12的两端所在平面之间的垂直距离L_b1=745μm，第二微弯曲结构光纤14的两端所在平面之间的垂直距离L_b2=762μm；第一微弯曲结构光纤12的径向偏移量L_d1=100μm，第二微弯曲结构光纤14的径向偏移量L_d2=110μm。

实施例三：本实施例制备光纤微位移传感器的制作方法与实施例一相同，仅光纤微位移传感器的结构参数不同，即：传导单模光纤的长度L_C=11.5mm；第一微弯曲结构光纤12的两端所在平面之间的垂直距离L_b1=743μm，第二微弯曲结构光纤14的两端所在平面之间的垂直距离L_b2=752μm；第一微弯曲结构光纤12的径向偏移量L_d1=102μm，第二微弯曲结构光纤14的径向偏移量L_d2=105μm。

实施例四：本实施例制备光纤微位移传感器的制作方法与实施例一相同，仅光纤微位移传感器的结构参数不同，即：传导单模光纤的长度L_C=1mm；第一微弯曲结构光纤12的两端所在平面之间的垂直距离L_b1=755μm，第二微弯曲结构光纤14的两端所在平面之间的垂直距离L_b2=744μm；第一微弯曲结构光纤12的径向偏移量L_d1=80μm，第二微弯曲结构光纤14的径向偏移量L_d2=78μm。

实施例五：本实施例制备光纤微位移传感器的制作方法与实施例一相同，仅光纤微位移传感器的结构参数不同，即：传导单模光纤的长度L_C=1mm；第一微弯曲结构光纤12的两端所在平面之间的垂直距离L_b1=745μm，第二微弯曲结构光纤14的两端所在平面之间的垂直距离L_b2=701μm；第一微弯曲结构光纤12的径向偏移量L_d1=43μm，第二微弯曲结构光纤14的径向偏移量L_d2=50μm。

实施例六：本实施例制备光纤微位移传感器的制作方法与实施例一相同，仅光纤微位移传感器的结构参数不同，即：传导单模光纤的长度L_C=20mm；第一微弯曲结构光纤12的两端所在平面之间的垂直距离L_b1=620μm，第二微弯曲结构光纤14的两端所在平面之间的垂直距离L_b2=845μm；第一微弯曲结构光纤12的径向偏移量L_d1=92μm，第二微弯曲结构光纤14的径向偏移量L_d2=116μm。

上述实施例一至实施例六所描述的光纤微位移传感器的工作原理为：来自光源的光由输入单模光纤11传输到第一微弯曲结构光纤12时，一部分光在包层中以包层模传播，一部分光在纤芯中以纤芯基模传播，假设以纤芯基模传播的光主要和以一个包层模传播的光发生干涉，那么设纤芯基模和该包层模的有效折射率分别为n₁和n₂，以纤芯基模传播的光和以包层模传播的光从第一微弯曲结构光纤12到第二微弯曲结构光纤14传播的有效距离为L_eff，则以纤芯基模传播的光和以包层模传播的光发生干涉所形成的干涉光强为I，其中，I₁为纤芯基模的光强度，I₂为包层模的光强度，λ为入射光波长，然后根据当满足2π(n₁-n₂)L_eff/λ=(2m+1)π条件时，干涉光强度达到极小值，所对应的波长为λ_m，且其中，m为正整数。

当本发明的光纤微位移传感器受到外界的作用而被拉伸时，其结构发生形变，引起L_eff发生改变，且由于单模光纤受到拉伸，其直径也随之发生改变，从而导致纤芯基模的有效折射率n₁和包层模的有效折射率n₂发生改变，使得输出单模光纤15输出的干涉光谱中的干涉极大值或者干涉极小值对应的波长发生漂移，再通过光谱分析仪探测干涉极大值或者干涉极小值对应波长的漂移量实现对位移的高精度测量。

为说明本发明提出的光纤微位移传感器具有高灵敏度特性，利用图3所示的测试实验装置分别对上述实施例一至实施例六制备的光纤微位移传感器进行位移传感测试实验。

图3所示的测试实验装置包括宽带光源2、第一传输单模光纤3、第一光纤夹具4、第二光纤夹具5、第一微位移平台6、第二微位移平台7、第二传输单模光纤8、光谱分析仪9、计算机10。第一微位移平台6由第一底座61、第一滑动台62和第一精密测微丝杆63组成，第二微位移平台7由第二底座71、第二滑动台72和第二精密测微丝杆73组成。第一光纤夹具4固定在第一微位移平台6的第一滑动台62上，第二光纤夹具5固定在第二微位移平台7的第二滑动台72上。调整第一微位移平台6和第二微位移平台7，使得两者之间的距离大于或者等于光纤微位移传感器的长度，在测试过程中，各实施例给出的光纤微位移传感器位于第一微位移平台6和第二微位移平台7之间，如图3中所示位置1，把光纤微位移传感器的两端分别夹在第一光纤夹具4和第二光纤夹具5上并使得光纤微位移传感器处于绷紧状态，光纤微位移传感器的输入单模光纤11通过第一传输单模光纤3与宽带光源2连接，光纤微位移传感器的输出单模光纤15通过第二传输单模光纤8与光谱分析仪9连接。

测试步骤如下：将第一微位移平台6固定，调节第二精密测微丝杆73，使得第二滑动台72移动并带动一端固定在第二光纤夹具5上的光纤微位移传感器沿着光纤的轴向拉伸，记录第二滑动台72的移动距离，同时光谱分析仪9记录下与第二滑动台72的移动距离相对应的干涉光谱并传送到计算机10进行分析。

实施例一给出的光纤微位移传感器的测试分析结果如下：图4a为实施例一给出的光纤微位移传感器在测试过程中所对应的第二滑动台72从0μm移动到200μm时每间隔10μm所监测到的干涉光谱。从图4a可以看出，干涉光谱的干涉极大值和干涉极小值对应的波长向短波长方向有规律地移动，而且光谱的对比度高，约为15～25dB。

图4b是图4a中干涉光谱的一干涉极小值对应的波长随第二滑动台72的移动距离的变化关系图，其中，方形点为实验测量数据，实线为对实验数据的指数拟合曲线，从图4b中可以看出实验数据吻合很好。拟合计算得到本实施例的光纤微位移传感器的平均微位移灵敏度约为-1nm/μm。

实施例二给出的光纤微位移传感器的测试分析过程与实施例一给出的光纤微位移传感器的测试分析过程相同，仅测量范围不同，即实施例二给出的光纤微位移传感器在测试过程中所对应的第二滑动台72从0μm移动到220μm。拟合计算得到本实施例的光纤微位移传感器的平均微位移灵敏度约为-0.6nm/μm。

实施例三给出的光纤微位移传感器的测试分析过程与实施例一给出的光纤微位移传感器的测试分析过程相同，仅测量范围不同，即实施例三给出的光纤微位移传感器在测试过程中所对应的第二滑动台72从0μm移动到250μm。拟合计算得到本实施例的光纤微位移传感器的平均微位移灵敏度约为-0.23nm/μm。

实施例四给出的光纤微位移传感器的测试分析过程与实施例一给出的光纤微位移传感器的测试分析过程相同，仅测量范围不同，即实施例四给出的光纤微位移传感器在测试过程中所对应的第二滑动台72从0μm移动到220μm。拟合计算得到本实施例的光纤微位移传感器的平均微位移灵敏度约为-0.72nm/μm。

实施例五给出的光纤微位移传感器的测试分析过程与实施例一给出的光纤微位移传感器的测试分析过程相同，仅测量范围不同，即实施例五给出的光纤微位移传感器在测试过程中所对应的第二滑动台72从0μm移动到170μm。拟合计算得到本实施例的光纤微位移传感器的平均微位移灵敏度约为-0.65nm/μm。

实施例六给出的光纤微位移传感器的测试分析过程与实施例一给出的光纤微位移传感器的测试分析过程相同，仅测量范围不同，即实施例六给出的光纤微位移传感器在测试过程中所对应的第二滑动台72从0μm移动到150μm。拟合计算得到本实施例的光纤微位移传感器的平均微位移灵敏度约为-0.16nm/μm。

对比实施例一、实施例二和实施例三所对应的光纤微位移传感器的测试结果，可以看出，当微弯曲结构光纤（包括第一微弯曲结构光纤12和第二微弯曲结构光纤14）的径向偏移量约为100μm时，传导单模光纤13的长度越短，对应的光纤微位移传感器的平均微位移灵敏度越高。

对比实施例一、实施例四和实施例五所对应的光纤微位移传感器的测试结果，可以看出，当传导单模光纤13的长度约为1mm时，微弯曲结构光纤（包括第一微弯曲结构光纤12和第二微弯曲结构光纤14）的径向偏移量越大，对应的光纤微位移传感器的平均微位移灵敏度越高。