CN102494816B - 一种基于光子晶体光纤的压力传感方法及传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于光子晶体光纤的压力传感方法及传感器，将光源发出的光经过普通传导光纤耦合至由光子晶体光纤制作的压力传感头中，当压力作用在压力传感头上时，光子晶体光纤的空气孔尺寸、孔间距变化和压力呈线性变化，使光源传输光模场发生变化，引起熔接点耦合损耗的变化，采用探测器探测输出光强的变化，实现压力的测量。本发明具有结构简单，尺寸小，温度无关和对电磁不敏感且生物兼容，对辐射不敏感等特点。

Description

一种基于光子晶体光纤的压力传感方法及传感器

技术领域

本发明涉及一种光学传感方法及传感器，更特别地说，是指一种基于光子晶体光纤，能够测量得到压力的光纤传感方法及传感器。

背景技术

光纤压力传感器以其造价低廉、重量轻、不受电磁辐射影响等优点而被广泛应用，同时成为目前该领域的主要研究方向。比如在医疗领域，随着微小侵入式疗法的推广，加之所探测空间部位都极其狭窄，小型化变得重要。而且光纤具有很好的生物兼容性，使得光纤传感器因其生物适应性，尺寸小，成本低，电绝缘性，电磁干扰性，在生物工程、医学诊断和治疗领域等器件的制作方面具有很大吸引力。

然而，目前光纤压力传感技术的成熟度和应用情况相对不足，大部分研究也都基于法布里-珀罗干涉仪(FPI)。一般采用微机电或微光机电技术在光纤端形成FP腔，由于石英和硅材料的杨氏模量都较高，很难实现生理压力测量需要的高压力灵敏度，一直未能很好满足生理压力测量的要求。另外，这种技术复杂，可靠性差，受温度影响大，容易产生温度压力传感信号交叉，影响了其使用效果，限制了传感器性能的进一步提高。

20世纪90年代中期，研制出一种光子晶体光纤，这种光纤不同于传统光纤，一般由纯石英拉制而成，因为没有掺杂而具有良好的抗辐射特性和温度稳定性。它还具有许多优点，如：无截止的单模特性、低损耗特性、灵活的色散特性、可控的非线性、极强的双折射效应以及可进行微结构设计改造等。光子晶体光纤包层区域是由许多沿光纤轴向的微孔构成。根据其芯区的不同，导光机理也有所不同，通常将其分为两类。一种是折射率导光型光子晶体光纤，这种光纤为实心，其导光原理类似于标准的全内反射传导，是根据修正的全内反射原理，在实心中传导光波。另一种是光子带隙型光子晶体光纤，这种光纤芯区折射率低，其包层中的孔是按周期性排列的，形成二维光子晶体。这种二维周期性折射率变化的结构不允许某些频段的光在垂直于光纤轴的方向(横向)传播，形成所谓的光子带隙。由于这种光纤只用石英材料，通过特殊的微结构实现导光，因此其光传输特性对温度不敏感，而当由压力作用在光纤上时，将会改变光纤的微结构，导致传输光的模场、数值孔径等参数发生变化，因此可用来实现温度无关的压力测量。

由于传统的光纤为实芯结构，其传输特性对压力不敏感，相反，对温度确较敏感，所以目前还没有单纯采用光纤实现压力测量的实用方案和技术。由于光子晶体光纤是一种新型的光纤，将其用于压力测量的研究和报道很少，尚无利用光子晶体光纤受压时模场变化的特性进行压力传感的方法和技术。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种基于光子晶体光纤的压力传感方法及传感器，利用光子晶体光纤作为压力传感头，通过光子晶体光纤与普通传导光纤熔接点的模场不匹配来实现环境压力测量。

本发明技术解决方案：一种基于光子晶体光纤的压力传感方法，将光子晶体光纤制作的压力传感头与普通传导光纤熔接，熔接点两端的光纤因结构不同具有不同的传输模场，光源发出的光经过普通传导光纤耦合至由光子晶体光纤制作的压力传感头中，当压力作用在压力传感头上时，压力传感头中光子晶体光纤的空气孔尺寸、孔间距变化和压力呈线性变化，而普通传导光纤的模场几乎不发生变化，光在经过熔接点进入压力传感头后，光功率损耗会发生变化，采用探测器探测输出光功率的变化，便可实现压力的测量；所述压力测量模型为：

I＝I₀·(A+B·P)

其中A、B分别为：

$A=\frac{{4w}_c^2\·w_{0\mathrm{px}}\·w_{0\mathrm{py}}}{{(w_{0\mathrm{px}}^2+w_{0\mathrm{py}}^2)}^2},$ $B=\frac{{4w}_c^2(w_{0\mathrm{px}}\·k_{\mathrm{py}}+w_{0\mathrm{py}}\·k_{\mathrm{px}})}{{(w_{0\mathrm{px}}^2+w_{0\mathrm{py}}^2)}^2}$

其中：I₀为输入光功率，I为输出光功率；k_0px、k_0py分别为光子晶体光纤在X和Y轴方向的压力系数，w_c为普通传导光纤的模场直径，w_0px，w_0py为光子晶体光纤未施加压力时X轴和Y轴的初始模场直径，P是施加的压力大小；由于w_c相对光子晶体光纤的模场直径大很多，而光子晶体光纤模场较小，所以高阶项可以被忽略。

所述光子晶体光纤是实心结构，也可为空心结构。

所述压力传感头为透射光路中的透射型压力传感头或反射光路中反射型压力传感头。

所用光源是宽谱的发光二极管、或窄谱的激光二级管，或掺稀土的光纤光源、或光纤激光器。

本发明采用反射和透射光路结构实现压力测量，其中反射结构为：

一种基于光子晶体光纤的反射型压力传感器，包括：光源(1)、光纤耦合器(3)、探测器(2)、第一传导光纤(4)、反射型压力传感头(5)；所述反射型压力传感头(5)由一段第一光子晶体光纤(8)和反射膜(9)组成；光源(1)的尾纤与光纤耦合器(3)的输入端即A端熔接，探测器(2)与光纤耦合器(3)的反射端即C端熔接；传导光纤(4)的一端与光纤耦合器(3)的出射端即B端熔接，另一端与反射型压力传感头(5)中第一光子晶体光纤(8)的第一出射端D端熔接，第一光子晶体光纤(8)的第二出射端即E端镀有反射膜(9)。

反射膜(9)的材料为二氧化硅、二氧化钛或金属膜。

透射结构为：

一种基于光子晶体光纤的透射型压力传感器包括：其特征在于包括：光源(1)、探测器(2)、透射型压力传感头(11)、第二传导光纤(10)、第三传导光纤(12)；所述透射型压力传感头(11)为一段第二光子晶体光纤(15)；第二传导光纤(10)的一端与光源(1)的尾纤熔接，另一端与透射型压力传感头(11)中第二光子晶体光纤(15)的入射端即F端熔接；第三传导光纤(12)的一端与探测器(2)熔接，另一端与透射型压力传感头(11)中第二光子晶体光纤(15)的出射端即G端熔接。

本发明测量压力的光纤传感器的优点在于：

(1)本发明利用光子晶体光纤作为压力传感头，通过光子晶体光纤与普通传导光纤熔接点的模场不匹配来实现环境压力测量，由于温度对光纤的模场不影响，因此可实现温度无关的压力测量。解决了目前传统光纤传感器由于对温度交叉敏感大而不能实用的难题。

(2)在光纤中形成稳定模场的光传输距离很短，本发明所用的光子晶体光纤传感头尺寸可以很小，由于光纤本身具有很好的生理、生物兼容性，本发明可很好的满足生物医学领域的各种压力的监测，特别适合人体侵入式压力测量。

(3)由于纯石英对辐射不敏感，本发明还可很好满足各种核辐射环境下的压力测量。克服了目前光纤传感器由于对核辐射敏感而不能应用于核辐射环境的“瓶颈”问题。

(4)本发明通过测量由压力引起的功率变化实现压力测量，除压力传感头需要用到特种的光子晶体光纤外，对传输光纤和光源形式没有要求，因此这种传感器的设计和制作具有非常好的灵活性和兼容性，而且成本低廉。这一点是目前所有光纤压力传感器都不能做到的。

附图说明

图1是空芯光子晶体光纤截面及其模场图；

图2是实芯光子晶体光纤截面及其模场图；

图3是光子晶体光纤模场直径与压力关系曲线；

图4是光子晶体光纤损耗与压力关系曲线

图5是本发明反射型光纤传感器结构图；

图6是本发明透射型光纤传感器结构图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于光子晶体光纤的可精确传感压力的方法，当有压力作用在传统光纤和光子晶体光纤上时，光子晶体光纤的尺寸和传输模场的形状会发生相应的变化，而传统的模场不发生变化，因此在光子晶体光纤与普通传导光纤的熔接点处传输损耗会随着施加的压力发生变化，利用这个特性，本发明设计了一种简单的反射和透射光路，在光源功率一定时，通过测量光路的输出变化，实现压力的测量。

本发明的传感测量可以有两种不同结构，分别是反射型和透射型，具体实施如下：

(1)反射型

如图5所示，本发明是反射型的光子晶体光纤压力传感器，该光纤传感器包含有光源1、探测器2、光纤耦合器3、第一传导光纤4、反射型压力传感头5。

下面是对各个器件所实现功能的详细描述：

1)光源1

光源在本发明中，为压力传感头提供适宜的光信号，在本例中采用宽谱掺铒光纤光源(SFS)，其中心波长为1545nm，输出功率大于10mW，带宽大于40nm。

2)光纤耦合器3

光纤耦合器3为单模光纤定向耦合器，单模光纤定向耦合器选用四端口，即二入二出，能够对中心波长为1550nm的光进行传输。在本发明中，光纤耦合器3采用ORTEPhotonics公司生产的典型的4端口结构的50/50分光的单模光纤耦合器，A端、C端一般为光纤耦合器的入纤端，B端为光纤耦合器的尾纤端。工作波长1550nm，典型附加损耗0.07dB，插入损耗小于3.4dB。

3)探测器2

探测器可根据使用光源的波长范围选取。在本例中选择的是中心波长为1545nm的掺铒光纤光源，采用武汉电信器件有限公司的PFTM911型InGaAs平面结构PIN-FET探测器。它的带宽为7MHz，灵敏度最大为-51dBm，调制速率为8.40-10Mb/s，跨阻抗为1300k。

4)传导光纤4

在本实施例中采用普通单模光纤，用于连接传感头与其他器件，组成传输光路。

5)反射型压力传感头5

反射型压力传感头5进行压力传感，光在压力传感头5中的第一光子晶体光纤8内传输，当外界引入压力时，光的光谱将会发生变化(输出光强会发生变化)。在本实施例中，第一光子晶体光纤8可以采用实芯结构，选用PM-1550-01型光子晶体光纤(BlazePhotonic公司生产)，其端面如图2(a)所示，图2(b)为图2(a)所示光纤的模场图。也可以采用空芯结构，空芯光子晶体光纤可以选用HC-1550-PM-01型保偏光子晶体光纤(Crystal-Fiber公司生产)，其端面如图1(a)所示，图1(b)为图1(a)所示光纤的模场图。这两种光子晶体光纤通过微结构实现导光，模场尺寸对微结构的尺寸变化敏感。在受到压力时，小孔间距和直径都会发生变化，从而使其内部传输模场和光强发生变化，并且这种变化和所受压力呈简单的函数关系，从而使光强的损耗和所受压力呈简单的函数关系。如图3是光子晶体光纤模场直径与压力关系曲线，曲线表示模场直径随压力的增大呈线性增长。图4为对应的光子晶体光纤损耗与压力关系曲线，表明损耗随压力的增大呈线性变化。反射型压力传感头5部分涂覆有硅胶作为折射率匹配材料6，折射率匹配材料6采用聚合物材料，如紫外胶、硅胶，金属材料，如金、铂、钯等。反射型压力传感头5的一端镀有SiO₂作为反射膜9。

该光纤传感器的连接关系是：光源1的尾纤与光纤耦合器3的A端熔接，探测器2与光纤耦合器3的C端熔接；传导光纤4与光纤耦合器3的B端熔接，另一端与反射型压力传感头5中第一光子晶体光纤8熔接，形成熔接点7。

(2)透射型

如图6所示，本发明是透射型的光子晶体光纤压力传感器，该光纤传感器包含有光源1、探测器2、透射型压力传感头11、第二传导光纤10、第三传导光纤12。

下面是对各个器件所实现功能的详细说明：

1)光源1

光源在本发明中为压力传感头11提供适宜的光信号。本实施例中采用宽谱掺铒光纤光源(SFS)，其中心波长为1545nm，输出功率大于10mW，带宽大于40nm。

2)探测器2

探测器可根据使用光源的波长范围选取。本例中选择的是中心波长为1545nm的掺铒光纤光源，采用武汉电信器件有限公司的PFTM911型InGaAs平面结构PIN-FET探测器。它的带宽为7MHz，灵敏度最大为-51dBm，调制速率为8.40-10Mb/s，跨阻抗为1300k。

3)第二传导光纤10和第三传导光纤12

上述两个个传导光纤采用普通单模光纤，用于连接传感头与其他器件，组成传输光路。

4)透射型压力传感头11

透射型压力传感头11压进行压力传感，光在透射型压力传感头11的第二光子晶体光纤15内传输，当外界引入压力时，传输光的光谱将会发生变化(输出光强会发生变化)。在发明实施例中，光子晶体光纤8可以采用实芯结构，选用PM-1550-01型光子晶体光纤(Blaze Photonic公司生产)，其端面如图2(a)所示，图2(b)为图2(a)所示光纤的模场图。也可以采用空芯结构，空芯光子晶体光纤可以选用HC-1550-PM-01型保偏光子晶体光纤(Crystal-Fiber公司生产)，其端面如图1(a)所示，图1(b)为图1(a)所示光纤的模场图。这两种光子晶体光纤通过微结构实现导光，模场尺寸对微结构的尺寸变化敏感。在受到压力时，小孔间距和直径都会发生变化，从而使其内部传输模场和光强发生变化，并且这种变化和所受压力呈简单的函数关系，从而使光强的损耗和所受压力呈简单的函数关系。如图3是光子晶体光纤模场直径与压力关系曲线，曲线表示模场直径随压力的增大呈线性增长。图4为对应的光子晶体光纤损耗与压力关系曲线，表明损耗随压力的增大呈线性变化。在透射型传感头11的包层外面涂覆有折射率匹配材料13，折射率匹配材料13可以为聚合物材料，如紫外胶、硅胶，金属材料，如金、铂、钯等。

该光纤传感器的连接关系是：第二传导光纤10的一端与光源1的尾纤熔接，传导光纤10的另一端与透射型压力传感头11中的第二光子晶体光纤15的入射端即F端熔接，熔接点为14；第三传导光纤12的一端与探测器2熔接，另一端与透射型压力传感头11中第二光子晶体光纤15的出射端即G端熔接，熔接点为16。

本发明中的光纤压力传感器具有体积小，结构简单，实现方便，可靠性高的特点。

Claims (8)

1.一种基于光子晶体光纤的压力传感方法，其特征在于：将光子晶体光纤制作的压力传感头与普通传导光纤熔接，熔接点两端的光纤因结构不同具有不同的传输模场，光源发出的光经过普通传导光纤耦合至由光子晶体光纤制作的压力传感头中，当压力作用在压力传感头上时，压力传感头中光子晶体光纤的空气孔尺寸、孔间距变化和压力呈线性变化，而普通传导光纤的模场几乎不发生变化，光在经过熔接点进入压力传感头后，光功率损耗会发生变化，采用探测器探测输出光功率的变化，便可实现压力的测量；所述压力测量模型为：

I＝I₀·(A+B·P)

其中A、B分别为:

$A=\frac{{4w}_c^2\·w_{0\mathrm{px}}\·w_{0\mathrm{py}}}{{(w_{0\mathrm{px}}^2+w_{0\mathrm{py}}^2)}^2},$ $B=\frac{{4w}_c^2(w_{0\mathrm{px}}\·k_{\mathrm{py}}+w_{0\mathrm{py}}\·k_{\mathrm{px}})}{{(w_{0\mathrm{px}}^2+w_{0\mathrm{py}}^2)}^2}$

其中：I₀为输入光功率，I为输出光功率；k_px、k_py分别为光子晶体光纤在X和Y轴方向的压力系数，w_c为普通传导光纤的模场直径，w_0px，w_0py为光子晶体光纤未施加压力时X轴和Y轴的初始模场直径，P是施加的压力大小。

2.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体光纤的压力传感方法，其特征在于：所述光子晶体光纤是实心结构或空心结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体光纤的压力传感方法，其特征在于：所述压力传感头为透射光路中的透射型压力传感头或反射光路中反射型压力传感头。

4.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体光纤的压力传感方法，其特征在于：所用光源是宽谱的发光二极管、或窄谱的激光二级管，或掺稀土的光纤光源、或光纤激光器。

5.一种基于光子晶体光纤的反射型压力传感器，其特征在于包括：光源(1)、光纤耦合器(3)、探测器(2)、第一传导光纤(4)、反射型压力传感头(5)；所述反射型压力传感头(5)由一段第一光子晶体光纤(8)和反射膜(9)组成；光源(1)的尾纤与光纤耦合器(3)的输入端即A端熔接，探测器(2)与光纤耦合器(3)的反射端即C端熔接；传导光纤(4)的一端与光纤耦合器(3)的出射端即B端熔接，另一端与反射型压力传感头(5)中第一光子晶体光纤(8)的第一出射端D端熔接，第一光子晶体光纤(8)的第二出射端即E端镀有反射膜(9)；

所述的反射膜(9)的材料为二氧化硅、二氧化钛或金属膜；

所述反射型压力传感头(5)部分涂覆有硅胶作为折射率匹配材料(6)，折射率匹配材料(6)采用聚合物材料；

所述光源(1)为宽谱的发光二极管、窄谱的激光二级管或掺稀土的光纤光源；

所述光源(1)发出的光经过第一传导光纤(4)耦合至由光子晶体光纤制作的反射型压力传感头(5)中，当压力作用在反射型压力传感头(5)时，反射型压力传感头(5)中光子晶体光纤的空气孔尺寸、孔间距变化和压力呈线性变化，而第一传导光纤(4)的模场几乎不发生变化，光在经过熔接点进入反射型压力传感头(5)后，光功率损耗会发生变化，采用探测器(2)探测输出光功率的变化，便实现压力的测量；所述压力测量模型为：

I＝I₀·(A+B·P)

其中A、B分别为:

$A=\frac{{4w}_c^2\·w_{0\mathrm{px}}\·w_{0\mathrm{py}}}{{(w_{0\mathrm{px}}^2+w_{0\mathrm{py}}^2)}^2},$ $B=\frac{{4w}_c^2(w_{0\mathrm{px}}\·k_{\mathrm{py}}+w_{0\mathrm{py}}\·k_{\mathrm{px}})}{{(w_{0\mathrm{px}}^2+w_{0\mathrm{py}}^2)}^2}$

其中：I₀为输入光功率，I为输出光功率；k_px、k_py分别为光子晶体光纤在X和Y轴方向的压力系数，w_c为第一传导光纤(4)的模场直径，w_0px，w_0py为光子晶体光纤未施加压力时X轴和Y轴的初始模场直径，P是施加的压力大小。

6.根据权利要求5所述一种基于光子晶体光纤的反射型压力传感器，其特征在于：所述第一光子晶体光纤(8)是实心结构，或空心结构。

7.一种基于光子晶体光纤的透射型压力传感器，其特征在于包括：光源(1)、探测器(2)、透射型压力传感头(11)、第二传导光纤(10)、第三传导光纤(12)；所述透射型压力传感头(11)为一段第二光子晶体光纤(15)；第二传导光纤(10)的一端与光源(1)的尾纤熔接，另一端与透射型压力传感头(11)中第二光子晶体光纤(15)的入射端即F端熔接；第三传导光纤(12)的一端与探测器(2)熔接，另一端与透射型压力传感头(11)中第二光子晶体光纤(15)的出射端即G端熔接；所述光源(1)为宽谱的发光二极管、窄谱的激光二级管或掺稀土的光纤光源；在所述透射型压力传感头(11)的包层外面涂覆有折射率匹配材料(13)，折射率匹配材料(13)为聚合物材料；

所述光源(1)发出的光经过第二传导光纤(10)耦合至由光子晶体光纤制作的透射型压力传感头(11)中，当压力作用在透射型压力传感头(11)时，透射型压力传感头(11)中光子晶体光纤的空气孔尺寸、孔间距变化和压力呈线性变化，而第二传导光纤(10)的模场几乎不发生变化，光在经过熔接点进入透射型压力传感头(11)后，光功率损耗会发生变化，采用探测器(2)探测输出光功率的变化，便实现压力的测量；所述压力测量模型为：

I＝I₀·(A+B·P)

其中A、B分别为:

$A=\frac{{4w}_c^2\·w_{0\mathrm{px}}\·w_{0\mathrm{py}}}{{(w_{0\mathrm{px}}^2+w_{0\mathrm{py}}^2)}^2},$ $B=\frac{{4w}_c^2(w_{0\mathrm{px}}\·k_{\mathrm{py}}+w_{0\mathrm{py}}\·k_{\mathrm{px}})}{{(w_{0\mathrm{px}}^2+w_{0\mathrm{py}}^2)}^2}$

其中：I₀为输入光功率，I为输出光功率；k_px、k_py分别为光子晶体光纤在X和Y轴方向的压力系数，w_c为第二传导光纤(10)的模场直径，w_0px，w_0py为光子晶体光纤未施加压力时X轴和Y轴的初始模场直径，P是施加的压力大小。

8.根据权利要求7所述一种基于光子晶体光纤的透射型压力传感器，其特征在于：所述第二光子晶体光纤(15)是实心结构，或空心结构。