基于锥形光纤的光纤布拉格光栅液压传感方法

摘要

本发明公开了基于锥形光纤的光纤布拉格光栅液压传感方法。目前方法存在灵敏度低、传感光纤过长等缺点。本发明首先确定宽带光源、三端口光耦合器、光谱分析仪和锥形光纤的光纤布拉格光栅；然后将上述器件按照测量方案连接，最后将锥形光纤的光纤布拉格光栅置于需要测量液压的环境中，通过测量锥形光纤的光纤布拉格光栅的中心波长漂移来确定施加在光纤布拉格光栅上的液压。本发明具有不受电磁干扰、价格低廉、结构紧凑、高灵敏度等优点。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于锥形光纤的光纤布拉格光栅液压传感方法。

背景技术

光纤的发明带来了通信领域的革命性发展，促进了信息社会的诞生。另一方面光纤的发明也带来了传感技术的革命性发展，成为物联网技术发展不可或缺的一部分。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且当光波在光纤中传输时，其特征参量振幅、相位、偏振态、波长等会因外界因素如温度、压力、应变、磁场、电场、位移等值接或间接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件探测物理量。光纤传感技术就是利用光纤对某些物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接测量的信号的技术。光纤传感技术是光学领域最为重要的传感技术之一，已经被广泛应用于生物、医学、航天、航空、机械、石化、建筑、高铁、桥梁、国防工业等领域。

光纤布拉格光栅是光纤传感技术中最为成熟的器件之一，利用光纤布拉格光栅可以实现温度、应力、折射率等物理量的传感。目前基于普通光纤的光纤布拉格光栅也可以实现液压传感，但是由于光纤布拉格光栅对液压影响不灵敏，该技术方案存在着低灵敏度的缺点。此外目前有关特种光纤液压传感技术的报道主要是利用现有商用的光子晶体光纤来实现液压传感，存在着灵敏度低、传感光纤过长等缺点。因此，发明一种价格低廉、结构紧凑、高灵敏度的液压传感方法具有重要意义。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提出了基于锥形光纤的光纤布拉格光栅液压传感方法。

本发明的方法包括以下步骤：

步骤(1)选择一个输出波长覆盖1500nm至1600nm的宽带光源、一个三端口光纤耦合器、一个锥形光纤的光纤布拉格光栅和一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱分析仪；

步骤(2)将宽带光源的输出端口和光纤耦合器的一个输入端口光纤连接；将该光纤耦合器的一个输出端口和锥形光纤的光纤布拉格光栅以光纤熔接方式连接，该光纤耦合器的一个输出端口和光谱分析仪的输入端口光纤连接；

步骤(3)将锥形光纤的光纤布拉格光栅置入需要测量液压的液体环境。所说的锥形光纤的光纤布拉格光栅是由以下步骤制作而成：1）截取一段长度10厘米以上、直径为D(120～130微米)的普通单模光纤，采用现有成熟的技术将其拉成锥形光纤，锥形光纤腰部直径d（25～50微米）, 腰部长度L（2～10厘米）；2）在锥形光纤腰部写入光纤布拉格光栅，其技术为现有成熟技术；3）在锥形光纤的腰部涂上固化胶，加强锥形光纤的光纤布拉格光栅的机械强度，并增加传感器的灵敏度。

锥形光纤的光纤布拉格光栅的中心波长为

其中、分别为光纤布拉格光栅周期和锥形光纤的有效折射率。当施加在锥形光纤的光纤布拉格光栅上的液压发生改变的时候，光纤布拉格光栅的中心波长对应有一个波长漂移，其液压和波长漂移满足以下关系

其中，

为一常数。因此，可以通过测量锥形光纤的光纤布拉格光栅的中心波长漂移来确定施加在光纤布拉格光栅上的液压。

本发明主要适用于测量液体中的液压，利用了锥形光纤的光纤布拉格光栅的中心波长随液压变化的特性，通过中心波长漂移来确定液压数值大小，实现了液压传感。由于采用锥形光纤的光纤布拉格光栅作为传感介质，本发明具有不受电磁干扰、价格低廉、结构紧凑、高灵敏度本等优点。

附图说明

图1为本发明方法中光学器件的结构示意图；

图2为锥形光纤的光纤布拉格光栅示意图；

图3为锥形光纤腰部涂上固化胶的示意图；

图4为利用本发明方法具体测量结果图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，基于锥形光纤的光纤布拉格光栅液压传感的装置包括一个宽带光源1、一个光纤耦合器2、一个锥形光纤的光纤布拉格光栅3和一个光谱分析仪4。

将宽带光源1的输出端口和光纤耦合器2的一个输入端口光纤连接；将该光纤耦合器2的一个输出端口和锥形光纤的光纤布拉格光栅3以光纤熔接方式连接，该光纤耦合器2的一个输出端口和光谱分析仪4的输入端口光纤连接。锥形光纤经一段长度10厘米以上、直径为D(120～130微米)的普通单模光纤拉成锥形光纤，锥形光纤腰部直径d（25～50微米）, 腰部长度L（2～10厘米）；在锥形光纤腰部写入光纤布拉格光栅5；在锥形光纤的腰部涂上固化胶形成锥形光纤的光纤布拉格光栅6。

利用该检测装置的液压传感方法包括以下步骤：

(1)选择一个输出波长覆盖1500nm至1600nm的宽带光源1、一个三端口光纤耦合器2、一个锥形光纤的光纤布拉格光栅3和一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱分析仪4；

(2)将宽带光源的输出端口1和光纤耦合器2的一个输入端口光纤连接；将该光纤耦合器2的一个输出端口和锥形光纤的光纤布拉格光栅3以光纤熔接方式连接，该光纤耦合器2的一个输出端口和光谱分析仪4的输入端口光纤连接；

(3)将锥形光纤的光纤布拉格光栅3置入需要测量液压的液体环境。开启宽带光源1，锥形光纤的光纤布拉格光栅4的中心波长为

当施加在锥形光纤的光纤布拉格光栅上的液压发生改变的时候，光纤布拉格光栅的中心波长对应有一个波长漂移，其液压和波长漂移满足以下关系

其中，

为一常数。因此，可以通过测量锥形光纤的光纤布拉格光栅的中心波长漂移来确定施加在光纤布拉格光栅上的液压。具体测量结果如图4所示。

本发明利用了近年来刚刚被发展起来的锥形光纤制作技术和在锥形光纤上刻写光纤布拉格光栅技术，利用光纤布拉格光栅技术中心波长对液压敏感的特性，提出了光纤液压传感的新技术方案。本发明采用锥形光纤的光纤布拉格光栅技术作为传感介质，具有不受电磁干扰、价格低廉、结构紧凑、高灵敏度等优点。