基于双芯光纤干涉解调的三芯光纤并联式干涉传感器

1.发明涉及的是一种基于双芯光纤解调的三芯光纤并联式干涉传感器，属于光纤解调技术领域。


背景技术：

2.光学干涉测量技术是以光波干涉原理为基础的一门技术，在测量领域中获得了广泛应用。与一般的光学测量方法相比，光学干涉测量技术具有更高的灵敏度和精度。任何物理量，如弯曲、温度、应变、折射率、位移、振动、压力、温度等，只要能够通过光纤的光程差的变化表示出来，光纤干涉仪就能测量出该物理量的特性。
3.随着现代技术对传感器的要求日益增长，为了满足快速和具体的检测出机械、生物、化学等物质的物理特性的需求，促使了集成光波导传感器的快速发展。与普通的光纤传感器不同的是，集成光纤传感器可以很容易地小型化，因此有可能在一个很小的区域内进行大规模集成，以实现小型化的实验平台。在过去的几十年里，针对各种物理参数，获得了许多不同结构的光纤传感器。总的来说，这些传统的传感器可以满足物理参数检测的基本要求。
4.而近年来，某些特殊应用领域对光纤温度、应变传感器的灵敏度提出了更高要求，研究人员开始将游标效应作为一种增敏手段进一步应用于光学检测中。游标效应原本是游标卡尺中利用主尺与游标之间微小的刻度差异来提升测量灵敏度的一种现象，将游标效应用在光纤传感中，可以同时提高光纤干涉仪的灵敏度和动态范围。游标效应适用于具有周期性光谱的干涉仪，为了形成游标效应，一般将两个自由光谱范围接近的干涉仪级联。在级联后的光谱中，相位相同处对比度较高，相位相差π处对比度很低，从而形成一个大包络，灵敏度和动态范围都会明显放大，放大倍数取决于动态范围接近程度。
5.专利cn 113959606 a中提出了一种基于级联增强游标效应的混合型横向压力传感器，将fabry-perot干涉仪和michelson干涉仪级联，fabry-perot干涉仪作为参考部分，michelson干涉仪作为传感部分，在制作时控制两个干涉仪的自由光谱范围，使两个干涉信号叠加，形成游标效应。当外界环境变化使fabry-perot干涉仪和michelson干涉仪的干涉条纹向相反方向移动时，大干涉包络呈现出增强游标效应，通过对干涉谱提取、解调，实现对横向压力的测量。
6.专利cn 110057389 a提出了一种基于边孔光纤双马赫曾德干涉游标效应的光纤传感器，其利用单模光纤，无芯光纤及边孔光纤构成了双马赫曾德结构。沿单模光纤传输的光经无芯光纤进入边孔光纤的纤芯、与外界环境连通的孔以及封闭的孔。这三路光在第二个无芯光纤处合并，再经单模光纤传输至光谱仪。边孔光纤的纤芯同时与两个孔的光发生干涉，形成双马赫曾德干涉仪，纤芯与封闭的孔所构成的干涉仪作为参考部分，与外界环境连通的孔构成的干涉仪作为传感部分。所构成的折射率传感器具有超高的灵敏度。
7.但现阶段所制备的实现光纤游标效应的传感器都是无源光纤器件，光谱不可调节。且解调手段都是应用光谱仪等大型设备，先提取光谱再进行数据分析处理，成本高昂，
体积庞大，解调过程较为复杂。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种基于双芯光纤干涉解调的三芯光纤并联式干涉传感器，该系统省去了光谱仪等大型解调设备，整体结构简单，集成度高，三芯光纤干涉仪构成了游标效应，灵敏度高，通过压电陶瓷控制电压进行解调，响应速度快。
9.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
10.一种基于双芯光纤干涉解调的三芯光纤并联式干涉传感器。它由光源、单模光纤、光纤环形器、光纤1
×
2耦合器、纤维集成耦合器、双芯光纤、三芯光纤、端面反射膜、压电陶瓷、光电探测器、数据采集卡、计算机和压电陶瓷控制系统组成。三芯光纤的三个纤芯构成两个自由光谱相近的干涉仪，叠加形成游标效应，用于传感。双芯光纤构成的干涉仪缠绕在压电陶瓷上，用于信号解调。当所测参量变化时，三芯光纤干涉仪光谱发生改变，导致最终输出的光信号发生变化，光电探测器对输出信号进行探测，数据采集卡将探测的结果传输至数据处理单元，数据处理单元对结果进行分析，反馈至压电陶瓷控制系统，压电陶瓷控制系统调节施加到电陶瓷上的电压，使得双芯光纤干涉仪的干涉谱发生变化，使最终探测到的信号与初始信号相同，利用预先标定得到的电压-传感量曲线，通过施加电压实现传感信号的解调。
11.所述的光源为窄线宽可调谐激光器。
12.所述的纤维集成耦合器由单模光纤分别与双芯光纤和三芯光纤焊接后采用熔融拉锥或热扩散等方式制成，起到分束和合束的作用。沿单模光纤传输的光经过耦合器后可以以特定的分光比将光分散到各个纤芯中，后经端面反射膜，各纤芯传输的光反向传输，通过纤维集成耦合器进行合束，发生干涉，以此构成双芯光纤michelson干涉仪和三芯光纤michelson干涉仪，该系统中包含多个并联的干涉仪。
13.所述的双芯光纤具有两个纤芯，且两个纤芯在传输时不会发生耦合。
14.所述的三芯光纤通过纤维集成耦合器构成并联式光纤干涉仪，且光谱叠加后可以形成游标效应。
15.双芯光纤michelson干涉仪缠绕在压电陶瓷上作为解调部分，三芯光纤michelson干涉仪作为传感部分，用于探测外界环境参量，两个干涉仪通过光纤1
×
2耦合器连接。
16.所述的压电陶瓷在施加电压后会发生形变，根据所探测传感参量的变化范围，所使用的压电陶瓷可以是单个的压电陶瓷，也可以由多个具有不同弹性系数的压电陶瓷组合而成。
17.光源发出的光经光纤1
×
2耦合器传输至并联的双芯光纤michelson干涉仪和三芯光纤michelson干涉仪，双芯光纤干涉仪的光谱可以通过压电陶瓷进行调通；三芯光纤通过两个自由光谱相近的干涉仪叠加形成游标效应，使传感灵敏度得到放大。当所测参量变化时，经光纤环形器输出的光信号发生变化，光电探测器对输出信号进行探测，数据采集卡将探测的结果传输至数据处理单元，数据处理单元对结果进行分析，然后反馈至压电陶瓷控制系统，压电陶瓷控制系统调节施加到电陶瓷上的电压，控制双芯光纤干涉仪的干涉谱变化，使最终探测到的信号与初始信号相同，利用预先标定得到的电压-传感量曲线，通过读取施加到压电陶瓷上电压的大小实现传感信号的解调。
18.本发明所使用的原理为：
19.根据光的叠加原理，当两列单色光波叠加式，出射光强i为：
20.式中：i1和i2为两列单色光波的光强，为两列光波的相位差，有：
21.要想两列光波相互叠加并产生干涉，必须同时满足:两光波频率相同；两光波在相遇处的振动方向相同；两光波在相遇处有固定不变的相位差。在光纤中，不同光波的间相位差可以表示为：
22.其中，δn
eff
为光纤中传输光波的模式有效折射率，δl为两束光波传输的长度差，λ为输入光波长。由上式可知，输出光强会随着入射波长的变化发生相应的改变。当时，出现干涉极大值，当时，出现干涉极小值。输出谱中两个相邻波峰或者波谷的间距称为自由光谱范围(fsr)，可近似表示为：
23.当两个干涉仪共振光谱的fsr之差相差不大时，组成传输光谱的共振峰将会叠加并产生一个周期的包络信号，形成游标效应，使得传感灵敏度得到放大。假定两干涉仪的干涉谱分别为假定两干涉仪的干涉谱分别为
24.a和c分别为两干涉仪的非干涉分量。b和d分别为两干涉仪的振幅。和分别表示两干涉仪的相位，与干涉仪中干涉光路之间的光程差有关。当量干涉仪并联时，叠加后的输出光谱为：
25.此时，级联干涉仪的fsr为：
26.从上式可知，干涉仪的动态范围被放大，相比于干涉仪1，其动态范围放大系数为：
27.游标效应除了放大了动态范围外，传感灵敏度也被放大。在传感时，假定第一个干涉仪用做传感，第二个干涉仪用作参考，当环境变化后，包络出现漂移，漂移量满足：
28.可以看出，灵敏度被放大了，其系数为：
29.如果不考虑灵敏度的正负号，则游标效应对动态范围与灵敏度的放大系数相同，且只由两个独立干涉仪的fsr决定。
30.在传感器制备时，要保证双芯光纤干涉仪的光谱与三芯光纤干涉仪产生游标效应后干涉谱的包络具有相同的fsr，为了便于解调，调整预先施加的电压，使缠绕在压电陶瓷上的双芯干涉仪光谱波谷处得波长与三芯干涉仪形成游标效应后包络光谱波峰处的波长相对应，即解调干涉仪波谷处波长与三芯光纤干涉仪包络波峰处波长相同。
31.在使用本发明进行传感测量前，要对系统进行标定，得到电压-传感量的相关曲线。在进行测量时，光源发出的光经过并联的干涉仪以后被光电探测器探测到，经数据采集卡上传至数据处理单元，数据处理单元记录下初始信号；当外界环境变化时，三芯光纤干涉仪的光谱发生漂移，使得光电探测器探测到的信号发生变化，计算机对信号进行分析，将结果反馈至压电陶瓷控制单元，改变施加到压电陶瓷上的电压，调节双芯光纤干涉仪光谱，引起并联干涉仪干涉谱的改变，使最终探测到的信号与初始信号相同，读取此时施加的电压，根据标定的曲线得到传感量的变化量，实现解调功能。
32.本发明的有益效果为：
33.1、使用压电陶瓷调控手段实现解调，不需使用光谱仪等大型设备，提高了系统的集成度，简化了解调过程中的数据运算；
34.2、两个级联干涉仪通过光纤耦合器连接，可以相距较远的距离，解决了解调干涉仪易受传感量影响的问题。
附图说明
35.图1是基于双芯光纤干涉解调的三芯光纤并联式干涉传感器结构示意图；
36.图2(a)是非对称双芯光纤结构示意图，图2(b)是对称双芯光纤结构示意图；
37.图3(a)是纤芯成线形排列的三芯光纤结构示意图，图3(b)是纤芯成三角形排列的三芯光纤结构示意图；
38.图4(a)是三芯光纤干涉仪光谱，图4(b)是双芯光纤干涉仪光谱；
39.图5是两干涉仪叠加后的光谱。
40.图中：1、光源；2、单模光纤；3、光纤环形器；4、光纤1
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2耦合器；5-1、5-2、纤维集成耦合器；6、双芯光纤；7、三芯光纤；8、端面反射膜；9、压电陶瓷；10、光电探测器；11、数据采集卡；12、计算机；13、压电陶瓷控制器。
具体实施方式
41.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在没有去做出创造性劳动的前提下
所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.本发明公开了一种基于双芯光纤干涉解调的三芯光纤并联式干涉传感器，以michelson干涉仪并联为例，其结构如图1所示，由光源、单模光纤、光纤环形器、光纤1
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2耦合器、纤维集成耦合器、双芯光纤、三芯光纤、端面反射膜、压电陶瓷、光电探测器、数据采集卡、计算机和压电陶瓷控制系统组成。所述的双芯光纤包含两个纤芯，典型的双芯光纤纤芯排布如图2所示，图2(a)为非对称式双芯光纤，图2(b)为对称式双芯光纤。本实施例所使用的双芯光纤为非对称式双芯光纤。所述的三芯光纤包含三个纤芯，典型的三芯光纤纤芯排布如图3所示，图3(a)为纤芯成线形排列的三芯光纤，图3(b)为纤芯成三角形排列的三芯光纤。本实施例所使用的为纤芯成线形排列的三芯光纤，三个纤芯的折射率不同，其中两个纤芯的折射率差远小于这两个纤芯与另外一个纤芯的折射率差，这在三个纤芯构成干涉仪时，两个折射率差较小的纤芯构成干涉仪的fsr远远大于另外两个干涉仪的fsr，因此该干涉仪对游标效应的影响很小，可以忽略不计。
43.首先进行双芯光纤干涉仪的制备，本实施例采用热扩散技术制备纤维集成耦合器，首先将单模光纤与双芯光纤对芯焊接，因为采用的是非对称双芯光纤，中间芯可以完全与单模光纤对芯连接，因此在进行热扩散时可以采用对双芯光纤加热的方式。将一段双芯光纤放入炉子加热区中心轴上进行热扩散处理，经过一定时间的加热，双芯光纤热扩散区的中纤芯掺杂剂的浓度分布渐变为准高斯分布，以实现光束的耦合。炉子加热区的长度通常在厘米量级以上，保证梯度温度场中的折射率缓慢变化为准高斯分布。纤维集成耦合器制备完成后，在双芯光纤端面通过离子溅射技术制备金膜用于信号反射，以实现michelson干涉仪的制备。采用同样的方法制备三芯光纤干涉仪。
44.三芯光纤干涉仪作为传感干涉仪，用于对外界参量的测量，其光谱如图4(a)所示，叠加后光谱包络的fsr为80nm。双芯光纤干涉仪作为解调干涉仪，缠绕在压电陶瓷上，调节压电陶瓷的电压，使得双芯光纤干涉仪的fsr与三芯光纤干涉仪的包络fsr相同为80nm，并且双芯光纤波谷的波长与三芯光纤干涉仪包络波峰的波长相同，光谱如图4(b)所示。两个干涉仪通过光纤1
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2耦合器连接，两个干涉仪叠加后的光谱如图5所示。通过对光源输出波长调节，使入射波长为三芯光纤干涉仪光谱包络波谷处的波长，如图5中圆圈所指示的波长。
45.首先将各部分按图1所示进行连接，并通过已知的传感变化量进行标定。在标定时，光电探测器探测传感参量未变化时的光强度并记录，作为初始值；然后对传感干涉仪施加确定的传感变化量，此时光电探测器探测到的光强度会发生变化，数据采集卡将探测的数据上传至计算机，计算机通过压电陶瓷控制器对压电陶瓷施加电压，改变解调干涉仪的光谱，使光电探测器探测到的信号发生变化，通过调整施加电压，使最终探测到的信号值与初始值相同，记录下当前施加的电压值并与已知传感变化量对应，通过改变传感变化量，最终得到施加电压与传感变化量相关曲线，实现系统的标定。
46.在使用本系统进行传感测量时，将传感光纤置于所需探测的环境中，当测量环境发生变化时，探测信号发生变化，通过不断调整施加电压，最终使探测到的信号与初始值相同，读取此时的电压值，通过预先标定的曲线确定环境的变化量。

技术特征：
1.基于双芯光纤干涉解调的三芯光纤并联式干涉传感器，其由光源、单模光纤、光纤环形器、光纤1
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2耦合器、纤维集成耦合器、双芯光纤、三芯光纤、端面反射膜、压电陶瓷、光电探测器、数据采集卡、计算机和压电陶瓷控制系统组成；三芯光纤的三个纤芯构成两个自由光谱相近的干涉仪，叠加形成游标效应，用于传感；双芯光纤构成的干涉仪缠绕在压电陶瓷上，用于信号解调；当所测参量变化时，输出的光信号发生变化，光电探测器对输出信号进行探测，数据采集卡将探测的结果传输至计算机，计算机对结果进行分析，反馈至压电陶瓷控制系统，压电陶瓷控制系统调节施加到电陶瓷上的电压，使得双芯光纤干涉仪的干涉谱发生变化，使最终探测到的信号与初始信号相同，利用预先标定得到的电压-传感量曲线，通过施加电压实现传感信号的解调。2.根据权利要求1所述的基于双芯光纤干涉解调的三芯光纤并联式干涉传感器，其特征是：所述的光源为窄线宽可调谐激光器。3.根据权利要求1所述的基于双芯光纤干涉解调的三芯光纤并联式干涉传感器，其特征是：所述的三芯光纤经纤维集成耦合器可以构成并联式光纤干涉仪，且其光谱可以叠加形成游标效应。4.根据权利要求1所述的基于双芯光纤干涉解调的三芯光纤并联式干涉传感器，其特征是：所述的压电陶瓷可以是单个的压电陶瓷，也可以由多个具有不同弹性系数的压电陶瓷组合而成。

技术总结
本发明提供的是一种基于双芯光纤干涉解调的三芯光纤并联式干涉传感器。它由光源、单模光纤、光纤环形器、光纤1


技术研发人员：苑立波 王洪业 王剑
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/10/6