CN102168970B - 基于光子晶体光纤长周期光栅的一维倾斜角度传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于光子晶体光纤长周期光栅的一维倾斜角度传感器装置。光子晶体光纤长周期光栅(PCF-LPG)斜插入有机玻璃管，与有机玻璃管的轴线相交且与轴线成一定的夹角。用胶水密封有机玻璃管管壁上穿过PCF-LPG的小孔，同时用胶水固定PCF-LPG，以使PCF-LPG处于自然拉直状态。有机玻璃管一端密封，从另一端注入蔗糖溶液，使二分之一的PCF-LPG浸没在蔗糖溶液中而其余部分PCF-LPG暴露在空气中。PCF-LPG的一端与宽带光源光连接，PCF-LPG的另一端与光谱分析仪光连接。本发明具有结构简单，灵敏度高的优点，并且能有效消除温度对传感器的干扰。

Description

基于光子晶体光纤长周期光栅的一维倾斜角度传感器装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于光子晶体光纤长周期光栅(long-period grating written in a photonic crystal fiber，PCF-LPG)的一维倾斜角度传感器装置。

背景技术

近年来，倾斜角测量已广泛应用于大型土木建筑工程、电力工程、石化工业等安全健康监控领域，成为生产生活中不可或缺的一部分。随着科学技术的发展，人们对倾斜角测量技术的要求越来越高。基于电容变化测量倾斜角度的传感器虽然具有灵敏度较高的优点，但易受电磁干扰，精度不高，结构复杂，不能分布式测量和远程监控，因此其适用范围受到很大的限制。

光纤光栅是一种在光纤通信、光纤传感及光信息处理领域有着广泛应用前景的无源光纤器件。基于光纤光栅的传感器具有抗电磁干扰、集传感与传输于一体、构造简单等优点，能够实现高精度的测量。近年来，有人提出了基于布拉格光纤光栅的倾斜角度传感器，如利用悬挂重物的方法将角度变化产生的力直接作用于数个光纤光栅上，通过测量不同光纤光栅的波长漂移量，即可得到倾斜的角度和方向。但是该传感器结构复杂，体积较大，测量范围较小，不适宜推广应用。

长周期光纤光栅(long-period fiber grating，LPG)是一种透射型光纤器件。与普通光纤光栅相比，LPG的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感。光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)是一种具有许多优良光学特性的新型光纤，如温度不敏感性。利用具有温度不敏感特性的光子晶体光纤制作的LPG具有对接触溶液折射率敏感的特性和良好温度稳定性的优点。本发明正是利用上述优点设计的基于PCF-LPG的一维倾斜角度传感器，其传感原理与普通光纤光栅倾斜角测量原理完全不同，具有结构简单、灵敏度高的优点。

发明内容

本发明目的就是为了克服现有技术中普通光纤光栅倾斜角度传感器结构复杂的问题，提供了一种与普通光纤光栅测量机理完全不同、结构简单的PCF-LPG一维倾斜角度传感器装置。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案：

基于光子晶体光纤长周期光栅的一维倾斜角度传感器包括宽带光源、PCF-LPG、蔗糖溶液、有机玻璃管、光谱分析仪。

PCF-LPG斜插入有机玻璃管，与有机玻璃管的轴线相交且与轴线成一定的夹角。用胶水密封有机玻璃管管壁上穿过PCF-LPG的小孔，同时用胶水固定PCF-LPG，以使PCF-LPG处于自然拉直状态。有机玻璃管一端密封，从另一端注入蔗糖溶液，使二分之一的PCF-LPG浸没在蔗糖溶液中而其余部分PCF-LPG暴露在空气中。PCF-LPG的一端与宽带光源光连接，PCF-LPG的另一端与光谱分析仪光连接。本发明所具有的有益效果为：

1、传感元PCF-LPG对外界折射率变化十分敏感，当因装置倾斜引起浸入蔗糖溶液中的栅区长度变化时，PCF-LPG的谐振波长即发生

较大漂移，通过监测波长漂移即可解调出倾斜角改变量。

2、由于本发明的传感机理并不需要光纤光栅悬挂重物和悬挂光纤光栅，所以整个传感器尺寸较小，结构简单，仅由有机玻璃管、PCF-LPG、蔗糖溶液构成。

3、传感元PCF-LPG处于自然拉直状态，有机玻璃管为硬质结构，在装置倾斜时，不会改变PCF-LPG的自然拉直状态，以消除弯曲对测量的干扰。

4、PCF-LPG是一种温度不敏感器件，可以有效消除温度对传感器的干扰。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1所示，基于PCF-LPG的一维倾斜角度传感器，包括宽带光源1、PCF-LPG 2、蔗糖溶液3、有机玻璃管4、光谱分析仪5。PCF-LPG2斜插入有机玻璃管4，与有机玻璃管4的轴线相交且与轴线成一定的夹角。用胶水密封有机玻璃管4管壁上穿过PCF-LPG2的小孔，同时用胶水固定PCF-LPG2，以使PCF-LPG2处于自然拉直状态。有机玻璃管5一端密封，从另一端注入蔗糖溶液3，使二分之一的PCF-LPG2浸没在蔗糖溶液3中而其余部分PCF-LPG2暴露在空气中。PCF-LPG2的一端与宽带光源1光连接，PCF-LPG2的另一端与光谱分析仪5光连接。有机玻璃管4、蔗糖溶液3、PCF-LPG2构成一维倾斜角度传感器。

本实施方式的工作方式为：当该装置倾斜时，PCF-LPG与水平面的夹角改变，进而浸入蔗糖溶液中的PCF-LPG栅区长度发生改变，导致PCF-LPG谐振波长的漂移。通过测量PCF-LPG的波长漂移量，反推出PCF-LPG浸入蔗糖溶液中的改变量，进而推出PCF-LPG与水平面的夹角，装置的倾斜角度即可求得。该装置的灵敏度约为0.15nm/°。该装置能够实现倾斜角度测量的关键因素为：

1.PCF-LPG对折射率变化十分敏感，通过监测PCF-LPG谐振波长漂移量即可求得装置倾斜角的变化。

2.为使溶液表面水平，选取的有机玻璃管直径要足够大以消除液体表面张力带来的液面弯曲。

3.PCF-LPG与有机玻璃管的母线的夹角应尽量小，这样在装置倾斜时，PCF-LPG才能完全浸入蔗糖溶液中。

4.选取蔗糖溶液的折射率近似于PCF-LPG包层的有效折射率，有利于提高传感器的灵敏度。

本实施例中PCF-LPG的栅区长度为1.9cm，谐振波长为1566nm，谐振波长处衰减幅度为20dB，其中栅格周期为469um，周期数为40。有机玻璃管的直径为4cm。蔗糖溶液的折射率为1.42。

Claims (6)

1.基于光子晶体光纤长周期光栅的一维倾斜角度传感器装置，包括宽带光源、蔗糖溶液、光子晶体光纤长周期光栅、有机玻璃管和光谱分析仪，其特征在于：

光子晶体光纤长周期光栅斜插入有机玻璃管，与有机玻璃管的轴线相交且与轴线成一定的夹角；用胶水密封有机玻璃管管壁上穿过光子晶体光纤长周期光栅的小孔，同时用胶水固定光子晶体光纤长周期光栅，以使光子晶体光纤长周期光栅处于自然拉直状态；有机玻璃管一端密封，从另一端注入蔗糖溶液，使二分之一的光子晶体光纤长周期光栅浸没在蔗糖溶液中而其余部分光子晶体光纤长周期光栅暴露在空气中；光子晶体光纤长周期光栅的一端与宽带光源光连接，光子晶体光纤长周期光栅的另一端与光谱分析仪光连接。

2.如权利要求1所述的基于光子晶体光纤长周期光栅的一维倾斜角度传感器装置，其中所述有机玻璃管，其特征在于其为硬质材料，在装置倾斜时不发生形变。

3.如权利要求1所述的基于光子晶体光纤长周期光栅的一维倾斜角度传感器装置，其中所述有机玻璃管，其特征在于其直径足够大，以消除液体表面张力带来的液面弯曲。

4.如权利要求1所述的基于光子晶体光纤长周期光栅的一维倾斜角度传感器装置，其中所述光子晶体光纤长周期光栅，其特征在于具有温度不敏感性，能够有效消除温度对传感器的干扰。

5.如权利要求1所述的基于光子晶体光纤长周期光栅的一维倾斜角度传感器装置，其中所述光子晶体光纤长周期光栅，其特征在于其与有机玻璃管轴线的夹角要尽量小，以使在装置倾斜时光子晶体光纤长周期光栅完全浸入蔗糖溶液中。

6.如权利要求1所述的基于光子晶体光纤长周期光栅的一维倾斜角度传感器装置，其中所述蔗糖溶液，其特征在于其折射率接近但小于光子晶体光纤包层的有效折射率。

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