本發(fā)明涉及光纖干涉?zhèn)鞲衅鳎貏e涉及一種基于螺旋纖芯的mzi應變傳感器及其制作使用方法。

背景技術：

1、根據(jù)mzi傳感器的應變檢測機理，大多數(shù)增敏研究集中于增大彈光效應對應變檢測的影響，但受光纖材料彈光系數(shù)的限制，其增敏效果有限。故而有必要進行深入研究，以其他機制繼續(xù)突破由彈光效應響應的光纖mzi應變傳感器的靈敏度極限，實現(xiàn)高靈敏應變mzi。

2、mzi受到應變時，干涉波長移動由彈光效應和應變效應共同決定，因彈光效應引起的干涉波長移動量遠大于應變效應引起的干涉波長移動量，忽略應變效應對其應變檢測的影響，通過加強彈光效應可實現(xiàn)應變增敏。彈光效應由光纖纖芯和包層的折射率差變化量與纖芯和包層的傳感路徑長度差值的乘積決定，故而可從這兩個因素入手，進行光纖mzi應變增敏研究。目前光纖mzi應變增敏方法研究集中于增大應變過程中纖芯模式和包層模式的折射率差變化量，常通過激發(fā)高階包層模式和應變集中兩種方法實現(xiàn)。如bianchetti等人在兩段單模光纖中間以錯位熔接的方式拼接一段單模光纖，通過激發(fā)高階包層模增大芯包模式折射率差變化量，將應變檢測靈敏度提升至7.46pm/με(susana?avila-garcia?m,bianchetti?m,le?corre?r,et?al.high?sensitivity?strain?sensors?based?onsingle-mode-fiber?core-offset?mach-zehnder?interferometers[j].optics?andlasers?in?engineering,2018,107:202-6.)；andré等人對單多單結構中間的多模光纖進行拉錐，以應變集中的方式加強彈光效應對應變檢測的影響，傳感器應變檢測靈敏度提升至23.69pm/με(andre?r?m,biazoli?c?r,silva?s?o,et?al.strain-temperaturediscrimination?using?multimode?interference?in?tapered?fiber[j].ieeephotonics?technology?letters,2013,25(2):155-8.)。也有研究者將激發(fā)高階包層模和應變集中兩種方法聯(lián)合應用，以加強彈光效對應變的響應，如dong等人將兩單模光纖中間拼接一段

3、空芯光纖，并對空芯光纖進行拉錐處理，具有2.7pm/με的應變靈敏度(dong?l,gang?t,bian?c,et?al.a?high?sensitivity?optical?fiber?strain?sensor?based?onhollow?core?tapering[j].optical?fiber?technology,2020,56.)。然而，受光纖材料彈光系數(shù)的限制，彈光效應對應變檢測的響應有限，光纖mzi應變傳感器靈敏度進一步提升較為困難。

4、綜上所述，目前雖然有一些關于mzi應變傳感器的增敏方法，但是目前的增敏方法無法突破材料彈光系數(shù)對mzi應變傳感器靈敏度的限制，mzi的應變增敏效果受到限制，難以實現(xiàn)高靈敏的mzi應變傳感器。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于一種基于螺旋纖芯的mzi應變傳感器及其制作使用方法，以解決現(xiàn)有的mzi應變傳感器的應變靈敏度不足的技術問題。

2、為了解決上述問題，本技術提供一種基于螺旋纖芯的mzi應變傳感器，包括順次設置于光纖上的注光區(qū)、分光區(qū)、偏芯螺旋區(qū)、合光區(qū)、收光區(qū)；所述偏芯螺旋區(qū)光纖的長度為2cm-4cm，纖芯呈螺旋形狀，光在纖芯中傳播的路徑長度大于在包層中傳播的路徑長度；所述偏芯螺旋區(qū)螺旋纖芯可由d形光纖或偏芯光纖螺旋形成，包層呈螺紋狀或圓柱狀；所述偏芯螺旋區(qū)螺旋纖芯的螺距大于400μm，其中，螺旋形纖芯的螺距與應變靈敏度成反比，通過選擇螺旋形纖芯的螺距調(diào)整傳感器應變靈敏度。

3、傳感器偏芯螺旋區(qū)螺旋纖芯的螺距大于400μm，當螺距小于400μm時，纖芯的彎曲程度過大，光束無法在纖芯中傳輸；偏芯螺旋區(qū)的長度一定時，螺旋纖芯的螺距越小時，光纖纖芯的傳感長度越長，光纖包層的傳感長度不變，導致光在纖芯中傳播的路徑長度越長，而在包層中傳播的路徑長度不變，光在纖芯中傳播的路徑長度與在包層中傳播的路徑差越大，傳感器的應變靈敏度更高；可以通過在該區(qū)域調(diào)節(jié)螺旋纖芯的螺距調(diào)整傳感器的靈敏度。

4、馬赫曾德爾干涉儀(mzi)遵循雙光束干涉原理，其干涉波長可表示為：

5、

6、其中和分別表示光纖的纖芯和包層的有效折射率，lcore和lclad分別表示纖芯和包層的傳感路徑長度。

7、利用mzi進行應變檢測，其應變靈敏度可表示為，即式(1)對應變求導：

8、

9、其中前兩項由光纖的彈光效應決定，后兩項由光纖彈性形變量即應變效應決定。對于mzi應變傳感器，由彈光效應引起的干涉波長移動量遠大于由應變效應所引起的干涉波長移動量，故而可忽略式上式中的后兩項，即：

10、

11、由式(3)可知，可通過增大芯包有效折射率差變化量(即)和傳感區(qū)域纖芯和包層路徑的長度差(即lcore-lclad)來實現(xiàn)應變增敏。當傳感區(qū)域中光在纖芯中傳播的路徑長度與在包層中傳播的路徑長度差越大，應變靈敏度越高。

12、傳感器偏芯螺旋區(qū)的長度決定了干涉光譜的自由光譜范圍，為了在1510nm-1610nm波段出現(xiàn)穩(wěn)定的干涉光譜，可將偏芯螺旋區(qū)的長度可設置為2cm-4cm；在螺旋纖芯的螺距一定時，偏芯螺旋區(qū)域的長度越長，光在纖芯中傳播的路徑與光在包層中傳播的路徑差越大，應變靈敏度越高；可以通過在該區(qū)域調(diào)節(jié)偏芯螺旋區(qū)域的長度調(diào)整傳感器的應變靈敏度。

13、作為優(yōu)選方案，所述偏芯螺旋區(qū)由d形光纖螺旋形成時，d形光纖與分光區(qū)多模光纖連接時兩者的幾何中心軸完全重合，其光纖包層為螺紋結構。

14、作為優(yōu)選方案，所述傳感器偏芯螺旋區(qū)由d形光纖螺旋形成時，所述d形光纖是由單模光纖側拋制作而成，單模光纖的纖芯直徑為9μm，包層直徑為125μm，通過光纖側面拋磨機將單模光纖上半部分拋磨去除形成d形光纖，再通過氫氧火焰螺旋加工形成螺旋纖芯結構；所述偏芯螺旋區(qū)的光纖包層呈螺紋結構，螺紋直徑為70μm-90μm。纖芯呈螺旋形狀，由于螺旋形狀增大了光在纖芯中傳播的路徑長度，光在包層中傳播的路徑長度不變，導致光在纖芯中傳播的路徑長度大于在包層中傳播的路徑長度。

15、傳感器偏芯螺旋區(qū)為d形光纖螺旋形成時，光纖包層呈螺紋形狀，螺紋直徑?jīng)Q定了傳感器的應變靈敏度；為了保證在不破壞光纖纖芯的同時，在光纖包層上形成明顯的螺紋，偏芯螺旋區(qū)的螺紋直徑可設置為70μm-90μm；螺紋直徑越小，傳感器在應變過程應變更集中于螺紋區(qū)域，螺紋區(qū)域所受的應變更大，傳感器的應變靈敏度越大；可以在該范圍通過調(diào)節(jié)螺紋直徑的大小調(diào)整傳感器的應變靈敏度。

16、作為優(yōu)選方案，所述偏芯螺旋區(qū)為偏芯光纖螺旋形成時，偏芯光纖與分光區(qū)多模光纖連接時兩者的包層外表面完全重合，其光纖包層為圓柱結構。

17、作為優(yōu)選方案，所述傳感器偏芯螺旋區(qū)由偏芯光纖螺旋形成時，所述偏芯光纖的纖芯直徑為9μm，纖芯距離光纖軸心30.5μm，通過氫氧火焰螺旋加工形成螺旋纖芯結構。纖芯呈螺旋形狀，由于螺旋形狀增大了光在纖芯中傳播的路徑長度，光在包層中傳播的路徑長度不變，導致光在纖芯中傳播的路徑長度大于在包層中傳播的路徑長度。

18、作為優(yōu)選方案，所述傳感器注光區(qū)與收光區(qū)為單模光纖構成，單模光纖纖芯直徑為9μm，包層直徑為125μm，涂覆層直徑為250μm；所述分光區(qū)與合光區(qū)為階躍多模光纖構成，多模光纖長度為1mm-2mm，階躍多模光纖纖芯直徑為105μm，包層直徑為125μm，涂覆層直徑為250μm；所述傳感器偏芯螺旋區(qū)的長度為2cm-4cm，纖芯呈螺旋形狀，由于螺旋形狀增大了光在纖芯中傳播的路徑長度，光在包層中傳播的路徑長度不變，導致光在纖芯中傳播的路徑長度大于在包層中傳播的路徑長度。

19、傳感器的分光區(qū)與合光區(qū)所用多模光纖的長度決定了干涉光譜的損耗、位置以及穩(wěn)定性，多模光纖長度過長會導致引入過多的模式色散和損耗，干涉光譜的穩(wěn)定性變差；多模光纖長度過短會導致無法激發(fā)各種包層模式，干涉效果不明顯；為了在1510nm-1610nm波段出現(xiàn)穩(wěn)定的干涉光譜，可將多模光纖長度設置為1mm-2mm。

20、本發(fā)明又一目的在于提供一種基于螺旋纖芯的mzi應變傳感器的制作方法，當偏芯螺旋區(qū)由d形光纖螺旋形成時，所述傳感器的制作方法為：

21、首先使用米勒鉗剝除單模光纖與階躍多模光纖表面的涂覆層，酒精清潔后，用光纖切割刀將光纖端面切平，將單模光纖與多模光纖正對熔接，在光纖定長切割裝置中將多模光纖定長切割為1mm-2mm；用米勒鉗剝除另外一根單模光纖中間部分涂覆層，夾持于裸光纖側面拋磨機上，將單模光纖上半部分拋磨去除，形成d形光纖，拋磨至d形光纖短徑為70μm-90μm，拋磨區(qū)域長度設置為5cm。將拋磨好的d形光纖熔接于拼接后的單模-多模光纖的多模光纖一端，熔接時需要將d形光纖幾何中心與多模光纖的中軸重合；隨后將d形單模光纖定長切割至2cm-4cm；接著將另一段單模光纖與多模光纖同軸熔接，并將多模光纖切割至1mm-2mm并與d形單模光纖另一端熔接，形成單模-多模-d形單模-多模-單模光纖結構。最后將中間的d形單模光纖扭轉加工成螺旋芯形狀，詳細步驟如下：將熔接好的傳感器放入氫氧火焰螺旋加工機中，一端裝入旋轉夾具，另外一端裝入磁吸夾具，調(diào)整傳感器的位置使d形單模光纖的正中間位于火焰噴頭正下方。點燃火焰噴頭，設置為左右掃描燒模式，加熱后扭轉夾具，扭轉后的纖芯螺距大于400μm，螺紋直徑為70μm-90μm，完成傳感器的制作。

22、本發(fā)明又一目的在于提供一種基于螺旋纖芯的mzi應變傳感器的制作方法，當偏芯螺旋區(qū)由偏芯光纖螺旋形成時，所述傳感器的制作方法為：

23、首先使用米勒鉗剝除單模光纖與階躍多模光纖表面的涂覆層，酒精清潔后，用光纖切割刀將光纖端面切平，將單模光纖與多模光纖正對熔接，在光纖定長切割裝置中將多模光纖定長切割為1mm-2mm；用米勒鉗剝除偏心光纖中間部分涂覆層，將偏芯光纖熔接于拼接后的單模-多模光纖的多模光纖一段，熔接時需要將偏芯光纖與多模光纖的包層外表面完全重合，隨后將偏芯光纖定長切割至2cm-4cm；接著將另一段單模光纖與多模光纖同軸熔接，將多模光纖切割至1mm-2mm并與偏芯光纖另一端熔接，形成單模-多模-偏芯單模-多模-單模光纖結構。最后將中間的偏芯光纖扭轉加工成螺旋芯形狀，詳細步驟如下：將熔接好的傳感器放入氫氧火焰螺旋加工機中，一端裝入旋轉夾具，另外一端裝入磁吸夾具，調(diào)整傳感器的位置使偏芯光纖的正中間位于火焰噴頭正下方。點燃火焰噴頭，設置為左右掃描燒模式，加熱后扭轉夾具，扭轉后的纖芯螺距大于400μm，完成傳感器的制作。

24、作為優(yōu)選方案，mzi應變傳感器的使用方法為：所述傳感器注光區(qū)與光源相連，收光區(qū)與光譜儀相連，連接完成后將傳感器的兩端夾持于應變臺兩端的光纖夾具中，通過應變控制器控制應變臺向兩側移動，對傳感器施加應變，記錄不同應變狀態(tài)下的干涉波長，根據(jù)干涉波長解調(diào)得到實際的應變大小。

25、作為優(yōu)選方案，mzi應變傳感器的性能調(diào)節(jié)方法為：所述mzi應變傳感器，傳感器偏芯螺旋區(qū)的長度為2cm-4cm，通過改變偏芯螺旋區(qū)的長度調(diào)整干涉光譜的自由光譜范圍以及應變靈敏度；所述傳感器的包層呈螺紋狀，螺紋狀包層的直徑為70μm-90μm，通過選擇螺紋包層的直徑選擇傳感器的靈敏度；所述傳感器偏芯螺旋區(qū)的纖芯螺距大于400μm，通過選擇螺旋纖芯的螺距調(diào)整傳感器的靈敏度。

26、本發(fā)明的有益效果在于：

27、1.本技術通過增大mzi傳感區(qū)中光纖纖芯傳感長度與光纖包層傳感長度差，增大了光在纖芯中傳播的路徑長度與在包層中傳播路徑長度差，實現(xiàn)了mzi應變傳感器的高靈敏性。

28、2.本技術的d形光纖方案，通過在應變過程中將應變集中于傳感區(qū)域，光纖傳感區(qū)域所受的應變增大，實現(xiàn)了mzi應變傳感器的高靈敏性。

29、3.本技術通過制作的mzi應變傳感器，其傳感區(qū)中的纖芯傳感長度與包層傳感長度存在差異，可以通過增大傳感區(qū)域的長度增大傳感器的應變靈敏度，實現(xiàn)了mzi應變傳感器的靈敏度可調(diào)。

30、4.本技術制作的mzi應變傳感器，傳感器可用單模光纖進行側拋后螺旋形成偏芯螺紋結構，不需要昂貴的d形特種光纖制作傳感器，減小了傳感器的制作成本。

31、5.本技術基于光纖制作的mzi應變傳感器，突破了目前的增敏方法無法突破材料彈光系數(shù)對mzi應變傳感器靈敏度的限制，進一步實現(xiàn)了應變傳感器的靈敏度可調(diào)，應變傳感器作為檢測形變的核心元件，能夠通過不同物理效應(如電阻、電容、光纖光柵等)將機械應變轉換為電信號，廣泛應用于力學傳感器、速度傳感器和電學傳感器等傳感器中，可集成于醫(yī)療器械、電子芯片、航空航天精密儀器、智能制造與機器人、等待測物結構體積小、應變波動微弱的場景，進行實時高靈敏應變監(jiān)測。