CN101261117A - 基于多孔微结构光纤的应变传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于多孔微结构光纤的应变传感器，其特点是由依次串连的光源、导入单模光纤、多孔微结构光纤、导出单模光纤和光电探测器构成，所述的多孔微结构光纤是具有一圈扇形空气孔包围着的纯石英纤芯，纤芯的边缘呈现棘轮状结构。本发明可以测量拉伸、弯曲、扭转应变，具有灵敏度高、耐高温、抗电磁辐射的优点。
Description
技术领域
本发明属于传感技术，是一种基于多孔微结构光纤的应变传感器，可以应用于静态及动态的径向、轴向、扭曲、弯曲应变以及应力的传感。
背景技术
光纤传感器由于具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、可构成光纤传感网等诸多优点，在工业、农业、生物医疗、国防等各领域均有广阔应用前景。
光纤应变传感器目前大致上有这样几种技术方案，包括光纤布拉格光栅(FiberBragg Grating，简称为FBG)、长周期光栅(Long Period Grating，简称为LPG)、马赫曾德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，简称为MZ-I)和光纤Sagnac环等，尽管其结构各有不同，实际上都是基于干涉相关的原理。在多模光纤中，由于不同的传播模式具有不同的传播常数，模式间的相互干涉也可应用于应变的传感。利用多模光纤中的模式干涉实现应变传感有多种技术路线，其中一个常用的方法是单模-多模-单模光纤结构(single mode-multimode-single mode fiber，以下简称为SMS)。也就是将多模光纤串接在两根单模光纤之间，其中一根单模光纤用以导入光场，另外一根单模光纤用以导出光场。在SMS光纤结构中，由于多模光纤中可以存在不止一个传输模式，模式之间相互干涉的作用会导致光场在光纤的出口端形成较为复杂的空间分布，这种分布一般称为散斑。同时，因为导出单模光纤的纤芯孔径小于多模光纤，只能接收部分的散斑能量，而散斑的形状和位置会随着入射光波长而变化，所以整个SMS光纤结构具有不平坦的传输光谱。光谱的透过率随波长上下振荡，其周期与多模光纤的长度有关。对多模光纤施加应变，各个传输模式都会因此而变化，导致散斑的空间分布产生相应变化，因而整个结构的传输光谱也会有相应变化。如果使用单色光源或者多纵模激光光源，传输光谱的改变就会导致出射光功率的变化，检测这种光功率变化可以实现应变传感。
近年来，一类新的光纤——微结构光纤的研究成为一个热点。在微结构光纤中存在着很多纵贯整个光纤长度的空气孔，微结构光纤的导光机理就依赖这种空气石英微结构。目前，已经在微结构光纤应力应变量传感方面展开了一些探索性的研究，主要的技术路径有光子晶体光纤中的FBG及LPG，多芯光纤等等。
在先技术之一，Byung Hyuk Park等[Optical Fiber Communication Conference，2005.Technical Digest.OFC/NFOEC 4：3-5]在光子晶体光纤中写入LPG，当施加应变于此装置，LPG的共振峰的位置会随应变而变化，但是变化的方向与普通光纤中的LPG不同。尽管这一独特现象可能有潜在的应用价值，但是与现有技术相比，优势并不明显。
在先技术之二，P M Blanchard等[Smart Mater.Struct.，2000，9：132-140]利用多芯光纤数个光斑的相对位置实现了二维应变量的传感，但是光斑位置变化的规律较为复杂，给解调带来困难。
在先技术之三，Yu Liu等[APPLIED OPTICS，2007，46：2516-2519]利用渐变折射率(Graded Index，GI)多模光纤，基于SMS光纤结构实现了应变及温度传感。但是其装置的传输光谱比较平坦，震荡幅度大约只有0.4dB，而且其震荡周期较大，达到几十纳米，所以灵敏度不高。
在先技术之四，Joel Villatoro等[OPTIC LETTERS，2006，313：305-307]利用熔融拉锥的折射率导引型光子晶体光纤，基于SMS光纤结构实现了应变传感。这种结构的优点是传输光谱震荡幅度大，而震荡周期小，所以灵敏度较高。同时该装置对温度变化不敏感，避免了温度变化的影响。但是其所用的光子晶体光纤价格较为昂贵，并且其熔融拉锥工艺较难以控制。
多孔微结构光纤中的一种是所谓柚子光纤，这种光纤的特征为：在包层中有一圈环绕着纤芯的大孔，孔的形状可以是圆形的也可以是接近于扇形的形状，孔的数目从几个到十几个不等，因为光纤横截面的形状像是切开的柚子，故名柚子光纤，如图1所示。柚子光纤的纤芯可以是掺锗的单模纤芯，也可以是纯石英构成的多模纤芯。因为包层中的空气孔尺寸较大，可以很方便地在微结构光纤中注入液体和聚合物以形成某些特殊性能，比如可调双折射、衰减器等等功能，也可以将待测物质注入微结构光纤的孔中，实现气相或液相物质传感。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种基于多孔微结构光纤的应变传感器，该应变传感器可以测量各种类型的应变如拉伸、弯曲、扭转应变等，应具有灵敏度高、耐高温和抗电磁辐射的优点。，
本发明的技术解决方案如下：
一种基于多孔微结构光纤的应变传感器，其特点是由依次串连的光源、导入单模光纤、多孔微结构光纤、导出单模光纤和光电探测器构成，所述的多孔微结构光纤是具有一圈扇形空气孔包围着的纯石英纤芯，纤芯的边缘呈现棘轮状结构。
所述的多孔微结构光纤与单模光纤的连接部分是熔接的，或是平头对接的。
所述的光源是单纵模或多纵模光源。
所述的多孔微结构光纤微结构光纤的结构如图1所示，是一圈扇形空气孔包围着的纯石英纤芯，纤芯的边缘呈现独特的棘轮状结构。该光纤的导光机理基于石英空气介面上的全内反射，由于石英和空气的折射率差很大(约0.45)，而一般光纤中纤芯与包层间的折射率差仅有0.003，因此，对于相同波长的光波和相同直径的纤芯，该光纤的波导归一化频率远大于普通光纤。在近红外波段，该光纤能够容纳极多的传输模式，其数目可以达到数千。另外，该光纤的纤芯横截面具有独特的棘轮状边缘，这种特殊形状的光波导边界使几乎每个传播模式在横截面上的分布都非常复杂。数目极大的具有复杂空间分布的传播模式相互干涉的结果导致了微结构光纤的散斑相对于普通阶跃和渐变折射率多模光纤更为细碎。所以，微结构光纤的传输光谱震荡幅度很大，可达到10dB以上，同时震荡周期更小，只有同样长度普通多模光纤的几十分之一。当对微结构光纤施加应变的时候，每个模式的传播常数以及光纤中光波的传播距离，包括总的传播距离，以及传播距离沿径向的分布都会随之改变。对于某个固定频率的注入光或者具有几个固定频率的多纵模光源，一个微小的应变就会让装置的透过功率发生很大的改变，探测这种光功率变化就可以解调应变量。
本发明的优点和特点是：
(1)本发明中的微结构光纤的特性，包括纤芯与包层间的大折射率差以及棘轮状光波导边界，可以容纳极大数目的传播模式并且造成复杂的电磁场分布。因此，由此构造的光纤应力及应变传感装置，具有比普通多模光纤更高的灵敏度。
(2)本发明采用全光纤方案，实现了绝缘隔离探测，可应用于高电压、强磁场的传感。
(3)本发明所用的微结构光纤是纯石英空气结构，纤芯中没有掺杂，不会如普通光纤一样在高温下产生掺杂物流失的现象，特别适用于高温场合。
(4)相对于使用光子晶体光纤的应力及应变传感装置，本发明使用的微结构光纤价格较为低廉，有利于推广应用。
附图说明
图1是微结构光纤的横截面结构
图2是本发明基于多孔微结构光纤的应变传感器的结构示意图
图3是本发明所能够响应的应变种类示意图
图4是本发明的应用实施例1--微结构光纤拉伸应变传感器示意图
图5是本发明的应用实施例2--微结构光纤弯曲应变传感器示意图
图6是本发明的应用实施例3--微结构光纤扭转应变传感器示意图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，单不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图2，由图可见，本发明基于多孔微结构光纤的应变传感器是由依次串连的光源1、导入单模光纤2、多孔微结构光纤3、导出单模光纤4和光电探测器5构成，所述的多孔微结构光纤3是具有一圈扇形空气孔包围着的纯石英纤芯，纤芯的边缘呈现棘轮状结构。
图2所示的基于多孔微结构光纤的应变传感器，所述的多孔微结构光纤与单模光纤的连接部分是熔接的。所述的光源1是单纵模或多纵模光源。
图3是本发明所能够响应的应变种类示意图，光源1发出的光波经过单模光纤2的传播进入多孔微结构光纤3，各种形式的应变施加于多孔微结构光纤3上，包括拉伸应变、弯曲应变，扭曲应变等等，多孔微结构光纤3的出射端散斑场的图样会随着应变而改变，导出单模光纤4作为一个空间滤波器只能接收某个固定空间区域的光能量，可以响应散斑场的变化，光强用光电探测器5检测。通过测得的光强可以反演光纤的应变。
图4是本发明的应用实施例1--微结构光纤拉伸应变传感器示意图，多孔微结构光纤3的两端被紧固件7和8或者胶粘剂固定在构件6上。当拉伸应变施加于构件6，多孔微结构光纤3保持与构件6相同的应变。拉伸应变不会改变装置传输光谱的形状，但会使传输光谱产生平移。对于某个固定波长的光源或者具有几个固定波长的多纵模光源1，传输光谱的平移会导致装置输出功率的变化。通过测量导出单模光纤4接收光功率的变化，可以反演出光纤的拉伸应变，也就得到了构件6的拉伸应变。
实施例2如图5所示，多孔微结构光纤3用胶粘剂固定在构件6的表面上。当施加垂直于光纤方向的力，构件6会产生弯曲应变，而多孔微结构光纤3保持与构件6相同的挠度。多孔微结构光纤3的应变既有拉伸应变又有弯曲及剪切应变，拉伸应变会使传输光谱产生平移，弯曲和剪切应变会导致传输光谱的形状发生变化。如同实施例1，利用单纵模或多纵模光源1，通过测量导出单模光纤4接收光功率的变化，可以反演出光纤3的挠度，也就得到了构件6的弯曲应变。
实施例3如图6所示，圆柱形构件9的中心有一个纵贯整个长度的通孔，多孔微结构光纤3穿过该通孔并被固定于其中。当圆柱形构件9承受扭矩，会产生扭转应变，多孔微结构光纤3保持与圆柱形构件9相同的扭转应变，扭转应变会导致装置传输光谱形状的变化。如同实施例1和2，利用单纵模或多纵模光源1，通过测量导出单模光纤4接收光功率的变化，可以反演出多孔微结构光纤3的扭转应变，也就得知了圆柱形构件9的扭转应变。
Claims (3)
1、一种基于多孔微结构光纤的应变传感器，其特征在于由依次串连的光源(1)、导入单模光纤(2)、多孔微结构光纤(3)、导出单模光纤(4)和光电探测器(5)构成，所述的多孔微结构光纤(3)是具有一圈扇形空气孔包围着的纯石英纤芯，纤芯的边缘呈现棘轮状结构。
2、根据权利要求1所述的基于多孔微结构光纤的应变传感器，其特征在于所述的多孔微结构光纤与单模光纤的连接部分是熔接的，或是平头对接的。
3、根据权利要求1所述的基于多孔微结构光纤的应变传感器，其特征在于所述的光源(1)是单纵模或多纵模光源。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080910 |