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申请/专利权人：中国计量大学

摘要：本发明公开了一种基于双芯光纤‑光子晶体光纤结构的应变传感器，由放大自发辐射光源，固定台，光纤传感头，移动台和光谱分析仪组成，所述光纤传感头是由双芯光纤和光子晶体光纤级联而成，一端熔接单模光纤通过固定台固定与放大自发辐射光源连接，另一端熔接单模光纤通过移动台固定和光谱分析仪连接形成光通路，通过观察光谱分析仪可得到随应变变化而移动的干涉光谱。该发明具有制作简单、体积小、灵敏度高、条纹可见度好等优点。

主权项：1.一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器，由放大自发辐射光源1，固定台2，光纤传感头3，移动台4和光谱分析仪5组成；其特征在于：所述光纤传感头3是由双芯光纤7和光子晶体光纤8级联而成，所述的双芯光纤7包层直径为125微米，中间为双芯结构，双芯的直径分别为2微米和2.5微米，双芯光纤长度为45毫米，双芯距离光纤中心轴线距离为1微米；双芯中直径为2微米的芯的折射率范围是1.4544-1.4599，直径为2.5微米的芯的折射率范围是1.4540-1.4590，双芯光纤的包层折射率范围为1.4115-1.4539；所述的光子晶体光纤8为由六层气孔组成，芯直径为10.1微米，包层直径为125微米，长度为45毫米的光纤，传感头一端熔接第一单模光纤6通过固定台2固定与放大自发辐射光源1连接，另一端熔接第二单模光纤9通过移动台4固定和光谱分析仪5连接形成光通路；通过观察光谱分析仪5可得到随应变变化而移动的干涉光谱，并用计算机处理、计算和拟合后可以得到应变传感器的应变特性，对于马赫曾德耳干涉仪，M阶包层模式的共振波长可以简单地写为： 其中分别是基波模式和M阶包层模式的折射率，λm是共振波长，L是MZI的物理长度，当施加轴向应变时，MZI的长度会增加，通过微分方程可以表示出共振波长的偏移，其公式如下： 可以看出，共振波长漂移是施加应变的线性函数，同时，应变敏感性主要取决于应变的变化Δneff,由MZI的延伸长度诱导。

全文数据：一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器技术领域本发明属于光纤传感器领域，具体涉及一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器。背景技术光学传感器因其体积小、分辨率高、抗电磁干扰等独特优点，被广泛应用于温度、折射率、磁场、湿度、应变等传感参数的监测。其中，应变在桥梁和建筑物健康检测中的应用起到了至关重要的作用。尤其是与功能材料相结合的多氯联苯传感技术，目前在传感领域得到了广泛的应用，并引起了人们的广泛关注。对于应变传感器来说，光纤传感器易于实现嵌入式、分布式测量，在建筑结构健康监测、桥梁建设、地质勘探等应用领域中能够发挥更大的作用。传统上有多种方法可获得结构的应变大小，但大都受到一定条件的制约。利用电阻应变片测量结构的应变，可间接得到结构的变形，但应变片的测量范围有限，在大弯曲变形的测量中受到限制，因为它经过大变形后无法恢复原状，更不适于埋入式测量；并且在测量薄结构时，结构表面的应变很小，用应变片测量就显得比较困难。因此，研究者们提出了基于光纤传感器的测量方法，如Sagnac环、布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅、法布里-珀罗腔、布里渊散射、拉曼散射等方法。目前使用最多的光纤应变传感器，一般是采用光纤光栅、长周期光纤光栅的波长检测技术，这些方法系统复杂，造价昂贵，受外界环境如温度等的影响较大，会出现交叉敏感的问题。因此，开发一种结构简单、不受环境温度变化影响的高灵敏度光纤应变传感器，具有重要的应用价值。发明内容针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出了一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器，该传感器采用双芯光纤-光子晶体光纤结构，使传感器具有机械强度高、融合损失小的优点。本发明通过以下技术方案实现：一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器，由放大自发辐射光源1，固定台2，光纤传感头3，移动台4和光谱分析仪组成5；其特征在于：所述光纤传感头3是由双芯光纤7和光子晶体光纤8级联而成，一端熔接单模光纤6通过固定台2固定与放大自发辐射光源1连接，另一端熔接单模光纤9通过移动台4固定和光谱分析仪5连接形成光通路，通过观察光谱分析仪5可得到随应变变化而移动的干涉光谱，并用计算机处理、计算和拟合后可以得到应变传感器的应变特性。所述的双芯光纤7包层直径为125微米，中间为双芯结构，双芯的直径分别为2微米和2.5微米，双芯距离光纤中心轴线距离为1微米；双芯中直径为2微米的芯的折射率范围是1.4544-1.4599，直径为2.5微米的芯的折射率范围是1.4540-1.4590，双芯光纤的包层折射率范围为1.4115-1.4539。所述的光子晶体光纤8为由六层气孔组成，芯直径为10.1微米，包层直径为125微米的光纤。所述的传感头结构是由单模光纤-双芯光纤-光子晶体光纤-单模光纤熔接而成的级联结构，且双芯光纤7和光子晶体光纤8长度均为45毫米。所述的光源为C+L波段1528纳米-1602纳米的放大自发辐射光源1。本发明的工作原理是：输入光将在光纤芯和光纤包层中传输，光纤芯和包层中的两条光路会在光纤端部产生干涉。对于马赫曾德耳干涉仪，M阶包层模式的共振波长可以简单地写为：其中分别是基波模式和M阶包层模式的折射率。λm是共振波长，L是MZI的物理长度。当施加轴向应变时，MZI的长度会增加，通过微分方程可以表示出共振波长的偏移，其公式如下：可以看出，共振波长漂移是施加应变的线性函数。同时，应变敏感性主要取决于应变的变化Δneff,由MZI的延伸长度诱导，即，此外，应变还将产生拼接接头的物理变形，因此，输出光强度会随着应变的增加而变化。光波在双芯光纤中传播时，两芯子是同向传输的，每个芯子产生的倏似场会对另一芯子产生影响，传输光的过程中，两个芯子会相互作用，使得芯子之间发生功率交换，即为模式的定向错合，这种定向耦合可以应用到光纤传感领域。下面给出的双芯光纤是两个芯子相互平行且对称的结构。两纤芯之间的距离记为d，两纤芯的截面面积分别记为S1、S2，两纤芯的相对介电常数分别记为ε1、ε2，包层的相对介电常数记为ε3，，其中ε1、ε2、ε3之间满足关系式minε1，ε2ε3。两纤芯的折射率分别记为n1和n2，包层的折射率记为n3；根据相对介电常数和折射率的关系有ε1＝n12，ε2＝n22，ε3＝n32，则可推出两纤芯与包层的折射率差分别为dn1和dn2。两纤芯的本征模分别表示为E1r＝E1x，yexp-iβ1z和E2r＝E2x，yexp-iβ2z.当双芯光纤的两个芯子不对对方造成干扰时，各自的电场为E1r和E2r。实际使用中两个芯子会产生相互影响，发生耦合。本发明的有益效果是：针对一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器进行研究，该传感器具有低成本、高灵敏度、抗电磁干扰等优点，该结构是由双芯光纤、光子晶体光纤级联所形成的干涉结构。新型结构比普通结构具有更好的条纹可见度，在0～4000με范围内，其应变灵敏度可达-1.95pmμε。此外，该传感器制作简单，应变测量范围大，生产损耗小，对应变传感器的发展具有一定的吸引力，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。附图说明图1是基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器应变测量实验装置示意图。图2是传感结构示意图。具体实施方式如图1所示，一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器，由放大自发辐射光源1，固定台2，光纤传感头3，移动台4和光谱分析仪5组成；其特征在于：所述光纤传感头3是由双芯光纤7和光子晶体光纤8级联而成，一端熔接单模光纤6通过固定台2固定与放大自发辐射光源1连接，另一端熔接单模光纤9通过移动台4固定和光谱分析仪5连接形成光通路，通过观察光谱分析仪5可得到随应变变化而移动的干涉光谱，并用计算机处理、计算和拟合后可以得到应变传感器的应变特性。如图2所示，所述的光纤传感头3结构是在两个单模光纤之间拼接一段双芯光纤和光子晶体光纤而成。双芯光纤-光子晶体光纤结构MZI分两个阶段固定。一个是固定台，另一个是移动台。同时，将放大自发辐射光源和光谱分析仪连接起来，实时监测传输光谱的变化。当应变从0逐渐增加到4000με时，整个共振波长向较短的波长方向移动。实验结果表明，MZI的应变灵敏度与包层模的共振波长接近，高阶包层模的波长对外加应变更为敏感。新型结构MZI比普通结构具有更好的条纹可见度，在0-4000με范围内，其应变灵敏度可达-1.95pmμε，大于基于锥形PCF和PM-PCF的MZI。此外，该传感器制作简单，应变测量范围大，生产损耗小，对应变传感器的发展具有一定的吸引力。

权利要求：1.一种基于双芯光纤-光子晶体光纤结构的应变传感器，由放大自发辐射光源（1），固定台（2），光纤传感头（3），移动台（4）和光谱分析仪（5）组成；其特征在于：所述光纤传感头（3）是由双芯光纤（7）和光子晶体光纤（8）级联而成，所述的双芯光纤（7）包层直径为125微米，中间为双芯结构，双芯的直径分别为2微米和2.5微米，双芯光纤长度为45毫米，双芯距离光纤中心轴线距离为1微米；双芯中直径为2微米的芯的折射率范围是1.4544-1.4599，直径为2.5微米的芯的折射率范围是1.4540-1.4590，双芯光纤的包层折射率范围为1.4115-1.4539；所述的光子晶体光纤（8）为由六层气孔组成，芯直径为10.1微米，包层直径为125微米，长度为45毫米的光纤，传感头一端熔接单模光纤（6）通过固定台（2）固定与放大自发辐射光源（1）连接，另一端熔接单模光纤（9）通过移动台（4）固定和光谱分析仪（5）连接形成光通路，通过观察光谱分析仪（5）可得到随应变变化而移动的干涉光谱，并用计算机处理、计算和拟合后可以得到应变传感器的应变特性。

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