本發(fā)明屬于光纖傳感研究領(lǐng)域，具體涉及一種光纖應(yīng)力傳感器件。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的繼續(xù)，在很多上至規(guī)模較大的建筑結(jié)構(gòu)下至一些精細(xì)工程結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)里，應(yīng)力傳感在整個(gè)施工的安全監(jiān)測(cè)中是一個(gè)極為重要的問題。眾所周知，測(cè)量應(yīng)力的傳統(tǒng)方法通常是隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的繼續(xù)，在很多上至規(guī)模較大的建筑結(jié)構(gòu)下至一些精細(xì)工程結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)里，應(yīng)力傳感在整個(gè)施工的安全監(jiān)測(cè)中是一個(gè)極為重要的問題。眾所周知，測(cè)量應(yīng)力的傳統(tǒng)方法通常是靠電阻應(yīng)變片所反映出來的阻值和應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系來檢測(cè)工程施工。電阻應(yīng)變片雖然價(jià)格低廉，但是它對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性并不好，特別是容易受到來自電磁場(chǎng)的影響，同時(shí)不能在很多具有腐蝕性的環(huán)境下工作，這對(duì)于應(yīng)用于工程檢測(cè)的應(yīng)力傳感器是非常大的缺陷。并且傳統(tǒng)的這種應(yīng)力傳感器只能進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量。但是自19世紀(jì)70年代，因?yàn)楣饫w型應(yīng)力傳感器具有一般光纖型傳感器的體積小、質(zhì)量輕、精度高、免電磁干擾和抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)[1]，因而在應(yīng)力傳感器的發(fā)展過程中，各種光纖型應(yīng)力傳感器也相繼應(yīng)運(yùn)而生。并且其中很多都已經(jīng)商業(yè)化。基于光纖的應(yīng)力傳感結(jié)構(gòu)或裝置已經(jīng)有很多種。比如，基于光纖微彎結(jié)構(gòu)的^[2]和基于法布里-珀羅光纖結(jié)構(gòu)的傳感器早已得以應(yīng)用[2-4]。

在所有的測(cè)量應(yīng)變的光纖傳感器中,基于FBG結(jié)構(gòu)的傳感器使用的最為廣泛。此類傳感器將FBG作為敏感元件,其原理是基于應(yīng)變對(duì)Bragg中心波長(zhǎng)的調(diào)制實(shí)現(xiàn)測(cè)量。此后也相繼出現(xiàn)一些基于SMS光纖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力傳感器的研究[5]，這種結(jié)構(gòu)采用多模光纖，通過與單模光纖的連接實(shí)現(xiàn)模式干涉的效果。然而，多模光纖中模式數(shù)量多，模式干涉效應(yīng)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)高精度傳感。

參考文獻(xiàn)：

【1】彭仕玉.光纖光柵軸向應(yīng)力傳感模型的研究[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007,20(2):35-37。

【2】Nicholas Laoakos,Cole J,bucaro J A.Microbend fiber optic sensor[J].Applied Optics,1987,26(11):2171-2180。

【3】Heredero R L,Santos J L,Ferndndez de Caleya R,et al..Micromachined low-finesse Fabry-Perot interferometer for the measurement of DC and AC electrical currents[J].Sensors Journal,IEEE,2003,3(1):13-18。

【4】Furstenau N,Schmidt M,Horack H,et al..ExtrinsicFabry-Perot interferometer vibration and acoustic sensorsystems for airport ground traffic monitoring[J].Optoelectronics,IEE Proceedings,1997,144(3):134-144。

【5】Wu Q,Hatta A M,Wang P,et al.Use of a bent single SMS fiber structure for simultaneous measurement of displacement and temperature sensing[J].IEEE Photonics Technology Letters,2011,23(2):130-132。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述問題提供一種光纖應(yīng)力傳感器件，通過第一單模光纖、少模光纖和第二單模光纖依次連接的簡(jiǎn)單組合實(shí)現(xiàn)應(yīng)力傳感，提高應(yīng)力傳感靈敏度。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種光纖應(yīng)力傳感器件，包括單模光纖和少模光纖；所述單模光纖包括第一單模光纖和第二單模光纖；所述第一單模光纖、少模光纖和第二單模光纖依次連接；

所述少模光纖的歸一化頻率滿足：

$V=\frac{2{\mathrm{\πa}}_1}{{\mathrm{\λ}}_0}{(n_1^2-n_2^2)}^{1/2},$

3.83171<V<7.01559，

其中，n₁表示少模光纖纖芯的折射率；

n₂表示少模光纖包層的折射率；

a₁表示少模光纖纖芯的半徑；

λ₀表示工作波長(zhǎng)。

上述方案中，所述少模光纖的纖芯與包層折射率差Δ滿足：0.007≥Δ≥0.002。

上述方案中，所述單模光纖與少模光纖的橫向偏差d_m滿足：d_m≤0.8μm。

上述方案中，所述少模光纖的長(zhǎng)度L滿足：L≥120mm。

上述方案中，應(yīng)力僅作用于少模光纖上。

本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出采用單模光纖、少模光纖、單模光纖的簡(jiǎn)單組合以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力傳感，無須采用光柵等復(fù)雜的制作工藝，且可以獲得高靈敏度的傳感。與采用多模光纖的傳感結(jié)構(gòu)相比，采用歸一化頻率值較小、光纖中模式數(shù)量少的少模光纖組成的傳感結(jié)構(gòu)靈敏度高、頻譜規(guī)律，傳感靈敏度穩(wěn)定，且少模光纖長(zhǎng)度選擇范圍大，易于確定光纖長(zhǎng)度等參數(shù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的一種光纖傳感器件的組成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明光纖傳感器件的輸出能量隨少模光纖長(zhǎng)度的變化曲線，其中(a)d_core＝25μm，(b)d_core＝40μm，(c)d_core＝50μm；

圖3為本發(fā)明光纖傳感器件的輸出能量隨少模光纖長(zhǎng)度L的變化曲線；

圖4為本發(fā)明光纖傳感器件在不同應(yīng)力作用下的輸出頻譜曲線；

圖5本發(fā)明所述光纖傳感器件一實(shí)施方式的光纖靈敏度和檢測(cè)極限與少模光纖長(zhǎng)度的關(guān)系曲線圖；

圖中，1.第一單模光纖；2.少模光纖；3.第二單模光纖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

圖1為本發(fā)明的光纖結(jié)構(gòu)示意圖，所述光纖應(yīng)力傳感器件包括單模光纖和少模光纖2；所述單模光纖包括第一單模光纖1和第二單模光纖3；所述少模光纖2兩端分別連接第一單模光纖1和第二單模光纖3，以組成干涉耦合機(jī)制，即從第一單模光纖1輸入的光進(jìn)入到少模光纖2，激發(fā)出少模光纖2中的模式，在少模光纖2輸出端再經(jīng)第二單模光纖3實(shí)現(xiàn)模式相干，少模光纖2的長(zhǎng)度、纖芯直徑、折射率等參數(shù)都會(huì)影響其激發(fā)的模式數(shù)量和能量分布以及耦合到單模光纖的能量，因而為傳感應(yīng)用提供了很好的機(jī)制。

圖2為少模光纖2取不同折射率差和直徑時(shí)，輸出能量隨多模長(zhǎng)度的變化情況。由圖2(a)可知當(dāng)少模光纖的纖芯與包層折射率差Δ和直徑較小時(shí)，其輸出能量不能呈現(xiàn)周期性耦合的特性；由圖2(c)所示，當(dāng)其直徑和纖芯與包層折射率差Δ過大時(shí)，其耦合特性也變化不規(guī)律；由圖2(b)所示，當(dāng)取適中值時(shí)，其耦合曲線呈現(xiàn)周期性的特點(diǎn)，且其最小值區(qū)域(即波谷)較窄，有利于獲得高的靈敏度和檢測(cè)效果。其原因是，當(dāng)少模光纖2的纖芯直徑和折射率差過小時(shí)，少模光纖2接近于單模傳輸，因而在少模光纖2中難以形成有效的模式耦合，而當(dāng)其纖芯直徑和纖芯與包層折射率差Δ都很大時(shí)，少模光纖2中的模式數(shù)量過多，使得激發(fā)出的模式數(shù)量過多，因而，其耦合曲線不規(guī)律。事實(shí)上，由于光纖模式之間本身會(huì)因?yàn)橥饨缫蛩?、光纖折射率分布偏差等而發(fā)生耦合，由此，其實(shí)際耦合特性會(huì)受更多因素的影響，從而難以形成傳感所需的頻譜曲線。由此可見，采用合適參數(shù)的少模光纖2才能有利于模式耦合和傳感。為此，要求少模光纖2的歸一化頻率滿足：3.83171<V<7.01559，這里其中，n₁，n₂分別表示少模光纖2的纖芯和包層的折射率；a₁表示纖芯半徑，λ₀為工作波長(zhǎng)。即光纖至少能夠支持傳輸LP₀₂且可支持的最高階模式為L(zhǎng)P₀₃模。與多模光纖通常可支持幾十甚至上百個(gè)模式相比，本發(fā)明少模光纖僅支持4～9個(gè)模式。同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)和參數(shù)的特點(diǎn)，其僅能被激發(fā)出2～3個(gè)模式，因而，其干涉效應(yīng)和規(guī)律獲得極大的提升，并能夠被應(yīng)用于應(yīng)力傳感等需要高靈敏度的傳感領(lǐng)域。

所述少模光纖2的纖芯與包層折射率差Δ滿足：0.007≥Δ≥0.002，其效果是在保證少模光纖與單模光纖折射率相近，以減小其連接損耗。

圖3為輸出能量隨少模光纖長(zhǎng)度的變化曲線。由圖3可知在少模光纖不同長(zhǎng)度處出現(xiàn)相應(yīng)的波谷，因而當(dāng)少模光纖長(zhǎng)度取在這些波谷位置時(shí)，輸出頻譜會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的極小值。由于其輸出能量隨少模光纖長(zhǎng)度呈現(xiàn)周期性的耦合特性，若對(duì)少模光纖施加應(yīng)力進(jìn)行拉伸或壓縮，則其輸出頻譜也會(huì)發(fā)生移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力傳感的目的。

圖4為在不同應(yīng)力條件下所述光纖器件的輸出頻譜變化的情況。由圖4可見隨著應(yīng)力隨所加物體的質(zhì)量的增加而增大時(shí)，輸出頻譜的特征波長(zhǎng)向右偏移。因而通過檢測(cè)其頻譜谷值的移動(dòng)量就可以測(cè)得光纖上所施加的應(yīng)力值。

圖5為本發(fā)明光纖傳感器件一種實(shí)施方式的檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)極限的變化曲線。由圖5可見少模光纖長(zhǎng)度變化時(shí)，其靈敏度只在小范圍波動(dòng)情況下保持穩(wěn)定。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)檢測(cè)極限隨著少模光纖長(zhǎng)度的增加逐漸減小，并且逐步趨于穩(wěn)定。因而，少模光纖長(zhǎng)度應(yīng)取較大值，從而保證其具有較小的檢測(cè)極限值。對(duì)于圖5結(jié)果，其靈敏度的平均值為0.3942nm/g，這個(gè)結(jié)果高于基于FBG結(jié)構(gòu)光纖應(yīng)力傳感器的4倍左右。由圖5可見，所述少模光纖2的長(zhǎng)度L應(yīng)滿足：L≥120mm，即采用較長(zhǎng)的少模光纖，以獲得穩(wěn)定的檢測(cè)效果和高靈敏度的檢測(cè)。單模光纖與少模光纖連接時(shí)，其連接偏差會(huì)導(dǎo)致激發(fā)出的模式能量大小不同，其最終結(jié)果是影響光纖的檢測(cè)極限，為保證其傳感效果，要求所述單模光纖與少模光纖2的橫向偏差d_m滿足：d_m≤0.8μm。

實(shí)施例：

所述少模光纖2纖芯直徑取為25μm，纖芯與包層折射率差Δ＝0.0057，其輸出頻譜如圖4所示。不同光纖長(zhǎng)度下的傳感靈敏度與檢測(cè)極限如圖5所示。當(dāng)取少模光纖長(zhǎng)度L＝120mm時(shí)，其靈敏度的平均值為0.3942nm/g,檢測(cè)極限為16.5×10^-6με。

應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書是按照各個(gè)實(shí)施例描述的，但并非每個(gè)實(shí)施例僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。

上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對(duì)本發(fā)明的可行性實(shí)施例的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施例或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。