CN102997849A - 基于光子晶体光纤长周期光栅的微位移传感方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于光子晶体光纤长周期光栅的微位移传感方法及装置。其特征在于包括一个宽带光源、一根光子晶体长周期光纤光栅、一根普通单模光纤、两个内套管、一个外套管和一个光谱仪；光子晶体光纤长周期光栅和单模光纤的末端端面平整切割并置于内套管；光子晶体光纤长周期光栅可以沿内套管移动，单模光纤粘结于内套管内，光子晶体光纤长周期光栅和单模光纤的末端端面形成长度可改变的空气腔；光子晶体光纤长周期光栅的尾纤粘结固定于另外一个具有相同内径的内套管内；两个内套管置于一个外套管内，粘结单模光纤的内套管与外套管粘结固定，粘结光子晶体光纤长周期光栅的内套管可以沿外套管移动；光子晶体光纤长周期光栅的另一端与宽带光源的输出端连接，单模光纤的另一端与光谱仪的输入端连接。光经过光子晶体光纤长周期光纤光栅后激发纤芯模和包层模，经过空气腔的调制，使得谐振波长的漂移与腔长成线性关系且灵敏度高，通过监测波长漂移即可解调出位移改变量。为了克服现有技术中普通光纤光栅位移传感器结构复杂、灵敏度不高不能实现对微位移测量的问题，本发明提出了一种结构简单、体积小、灵敏度高及对温度不敏感的光子晶体光纤长周期光栅微位移传感方法及装置。

Description

基于光子晶体光纤长周期光栅的微位移传感方法及装置

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的微位移传感方法及装置。

背景技术

近年来，微位移测量技术在微加工领域、精确定位、航空航天领域都有重要的应用。随着社会的进步和科学技术的发展，对微位移测量技术的要求越来越高。基于电容的微位移传感器通过将位移变化转为电容容量变化并最后转化为电压信号输出，这种基于电容变化的虽然具有分辨率高、噪音低、结构简单的优点，但易受电磁干扰，结构复杂，其适用范围受到限制。

光纤光栅是一种在通信、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。基于光纤光栅的位移传感器具有抗电磁干扰、体积小、耐腐蚀、构造简单等优点，能够实现远距离测量。近年来，有人提出了基于布拉格光纤光栅的位移传感器，一般将位移量转化为应力然后施加于光纤光栅，应力的改变导致布拉格反射波长移动，从而可测出位移改变量。但是该类传感器结构复杂，灵敏度不高，不能满足对微位移测量的要求。

长周期光纤光栅是一种透射型光纤器件，其耦合机理是同向传输的纤芯模和包层模之间的耦合。基于长周期光纤光栅的位移传感器通常利用改变曲率的方法测量位移量，此类装置体积大，且需要不同参量间的转化公式，造成误差。本发明利用完全不同的传感原理，用长周期光纤光栅的耦合机理使纤芯模和包层模同时进入空气腔，空气腔长度即微位移长度直接对传输的两种模式进行调制，使得谐振波长与微位移量呈线性关系。本发明的传感装置具有结构简单、体积小、灵敏度高及对温度不敏感的优点。

发明内容

为了克服现有技术中普通光纤光栅位移传感器结构复杂、灵敏度不高不能实现对微位移测量的问题，本发明提出了一种结构简单、体积小、灵敏度高及对温度不敏感的光子晶体光纤长周期光栅微位移传感方法及装置。

本发明为解决技术问题所采取的传感方法：

步骤(1)选择一个输出波长为1500nm至1600nm的宽带光源，一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱仪，一根在光子晶体光纤上刻写的长周期光栅，一根单模光纤，两个内套管，一个外套管；

步骤(2)将光子晶体光纤长周期光栅栅区末端端面平整切割，与单模光纤一端端面平整切割的末端置于一个内径为126～127μm的内套管以便准直，光子晶体光纤长周期光栅可以沿内套管自由移动，单模光纤粘结固定于内套管内，二者构成一个腔长可变的空气腔，光子晶体光纤长周期光栅的尾纤置于另外一个具有相同内径的内套管内并粘结固定，两个内套管置于一个外套管内，粘结单模光纤的内套管与外套管粘结固定，粘结光子晶体光纤长周期光栅的内套管可以沿外套管自由移动，光子晶体光纤长周期光栅的另一端与与宽带光源的输出端连接，单模光纤的另一端与光谱仪的输入端连接；

步骤(3)将步骤(2)中外套管和光子晶体光纤长周期光栅尾纤上的内套管分别粘结在参考点和待测点，光在光纤中传播并经过光子晶体光纤长周期光栅的作用，激发出纤芯模和包层模：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{co}}\left(L\right)=\exp \left(i({\mathrm{\β}}_{\mathrm{co}}-\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}^v)L\right)[a_{\mathrm{co}}\left(0\right)(\cos \mathrm{sL}+i\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}^v}{2s}\sin \mathrm{sL})+a_{\mathrm{cl}}^v\left(0\right)\frac{\mathrm{i\κ}}{s}\sin \mathrm{sL}]\\ a_{\mathrm{cl}}^v\left(L\right)=\exp \left(i({\mathrm{\β}}_{\mathrm{cl}}^v-\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}^v)L\right)[a_{\mathrm{co}}\left(0\right)\frac{\mathrm{i\κ}*}{s}\sin \mathrm{sL}+a_{\mathrm{cl}}^v\left(0\right)(\cos \mathrm{sL}-i\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}^v}{2s}\sin \mathrm{sL})]\end{array}\right.$

其中a_co(L)、

分别为传输过光栅长度L处纤芯模振幅和包层模振幅，两个模式同时进入空气腔，经过空气腔的调制后进入到单模光纤中继续传输，在传输过程中由于传输损耗包层模消失，只有纤芯模继续传输：

$\left[a_{\mathrm{co}}\right]=[e^{i\·f}/\mathrm{\α}-\mathrm{\α}\·r_{\mathrm{gap}}^2\·e^{-i\·f}-r_{\mathrm{gap}}\·e^{i\·f}/\mathrm{\α}+\mathrm{\α}\·r_{\mathrm{gap}}\·e^{-i\·f}]/t_{\mathrm{gap}}^2\·\left[a_{\mathrm{co}}\left(L\right)\right]$

上式中

是一个周期因子使得传输谱具有周期性，其中

为空气腔调解的相位因子，L_gap＝L_gapo+ΔL_gap为空气腔的腔长，在透射谱里对应最小极值的波长为谐振波长，通过求导可以得到谐振波长与微位移的关系：

$\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{gap}}}{C}+\frac{2{\mathrm{\πn}}_{\mathrm{gap}}{L}_{\mathrm{gap}0}}{C}$

通过监测谐振波长的移动可以实现对微位移的传感。

本发明为解决技术问题所采取的装置：

其特征在于包括一个宽带光源、一根光子晶体光纤长周期光栅、一根普通单模光纤、两个内套管、一个外套管和一个光谱仪；光子晶体光纤长周期光栅和单模光纤的末端端面平整切割并置于内套管；光子晶体光纤长周期光栅可以沿内套管移动，单模光纤粘结于内套管内，光子晶体光纤长周期光栅和单模光纤的末端端面形成长度可改变的空气腔；光子晶体光纤长周期光栅的尾纤粘结固定于另外一个具有相同内径的内套管内；两个内套管置于一个外套管内，粘结单模光纤的内套管与外套管粘结固定，粘结光子晶体光纤长周期光栅的内套管可以沿外套管移动；光子晶体光纤长周期光栅的另一端与宽带光源的输出端连接，单模光纤的另一端与光谱仪的输入端连接；

所述的内外套管均为陶瓷套管。

本发明所具有的有益效果为：

1、利用空气腔对纤芯模和包层模的调制，使得谐振波长的漂移与腔长成线性关系且灵敏度高，通过监测波长漂移即可解调出位移改变量；

2、整个装置具有尺寸小，质量轻的优点；光纤置于用于准直的套管内，更多的光能量耦合进传输光纤；用于固定光纤和光纤光栅的内套管置于的外套管内，可以保护整个装置。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

1-内套管，2-外套管，3-内套管，4-单模光纤，5-光子晶体光纤长周期光栅

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，光子晶体光纤长周期光栅5栅区末端端面平整切割，与一端平整切割的单模光纤4置于一个内套管3内用于准直，二者构成一个空气腔，光子晶体光纤长周期光栅5可以沿内套管3移动，传输光纤4粘结固定于内套管3内。光子晶体光纤长周期光栅5的尾纤置于另外一个相同的内套管1内并粘结固定。内套管1和内套管3置于一个内径较大的外套管2内，粘结单模光纤4的内套管3与较大的外套管2固定，粘结光子晶体光纤长周期光栅5的内套管1可以沿外套管2移动。光子晶体光纤长周期光栅5、单模光纤4、内套管1、外套管2、内套管3构成微位移传感装置。

本实施方式的工作方式为：外套管2固定在参考点，内套管1固定在待测点，待测点相对于参考点移动时，带动光子晶体光纤长周期光栅5移动，改变空气腔长度，引起光子晶体光纤长周期光栅5透射谱谐振波长的漂移，通过测量波长漂移量即可测量待测点的位移动量。本发明体积很小，长度仅为4.5cm。可广泛用于狭小空间的位移测量。该装置能够实现微位移传感的关键因素为：

1.长周期光栅栅区末端与单模光纤末端两个端面切平，构成空气腔，对来自长周期光栅的纤芯模和包层模进行调制，得到谐振峰波长与空腔长度的线性关系，通过监测长周期光栅谐振波长漂移量即可求得位移改变量且十分敏感；

2.光子晶体光纤长周期光栅和传输光纤置于用于准直的套管内，不仅使更多的光能耦合进传输光纤，而且使光栅和光纤受到保护；

3.光子晶体光纤长周期光栅和光纤分别与套管牢固粘结，测量时移动套管即可实现腔长改变；

本实施例中光子晶体光纤长周期光栅的栅区长度为约为1.8厘米，谐振波长为1559纳米，谐振波长处衰减幅度为35dB，其中栅格周期为460微米，周期数为40。套管1和套管3的内径为127微米，外径为300微米，长2厘米；套管2内径为305微米，外径为500微米，长2厘米。空气腔初始腔长约为250微米。测量范围为0～140微米，波长和位移变化关系式为Δλ＝0.2155Δx+1526，线性度R²＝0.9983。

Claims (2)

1.基于光子晶体光纤长周期光栅的微位移传感方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤(1)选择一个输出波长为1500nm至1600nm的宽带光源，一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱仪，一根在光子晶体光纤上刻写的长周期光栅，一根单模光纤，两个内套管，一个外套管；

步骤(2)将光子晶体光纤长周期光栅栅区末端端面平整切割，与单模光纤一端端面平整切割的末端置于一个内径为126～127μm的内套管以便准直，光子晶体光纤长周期光栅可以沿内套管自由移动，单模光纤粘结固定于内套管内，二者构成一个腔长可变的空气腔，光子晶体光纤长周期光栅的尾纤置于另外一个具有相同内径的内套管内并粘结固定，两个内套管置于一个外套管内，粘结单模光纤的内套管与外套管粘结固定，粘结光子晶体光纤长周期光栅的内套管可以沿外套管自由移动，光子晶体光纤长周期光栅的另一端与与宽带光源的输出端连接，单模光纤的另一端与光谱仪的输入端连接；

步骤(3)将步骤(2)中外套管和光子晶体光纤长周期光栅尾纤上的内套管分别粘结在参考点和待测点，光在光纤中传播并经过光子晶体光纤长周期光栅的作用，激发出纤芯模和包层模：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{co}}\left(L\right)=\exp \left(i({\mathrm{\β}}_{\mathrm{co}}-\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}^v)L\right)[a_{\mathrm{co}}\left(0\right)(\cos \mathrm{sL}+i\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}^v}{2s}\sin \mathrm{sL})+a_{\mathrm{cl}}^v\left(0\right)\frac{\mathrm{i\κ}}{s}\sin \mathrm{sL}]\\ a_{\mathrm{cl}}^v\left(L\right)=\exp \left(i({\mathrm{\β}}_{\mathrm{cl}}^v-\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}^v)L\right)[a_{\mathrm{co}}\left(0\right)\frac{\mathrm{i\κ}*}{s}\sin \mathrm{sL}+a_{\mathrm{cl}}^v\left(0\right)(\cos \mathrm{sL}-i\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}^v}{2s}\sin \mathrm{sL})]\end{array}\right.$

其中a_co(L)、

分别为传输过光栅长度L处纤芯模振幅和包层模振幅，两个模式同时进入空气腔，经过空气腔的调制后进入到单模光纤中继续传输，在传输过程中由于传输损耗包层模消失，只有纤芯模继续传输：

$\left[a_{\mathrm{co}}\right]=[e^{i\·f}/\mathrm{\α}-\mathrm{\α}\·r_{\mathrm{gap}}^2\·e^{-i\·f}-r_{\mathrm{gap}}\·e^{i\·f}/\mathrm{\α}+\mathrm{\α}\·r_{\mathrm{gap}}\·e^{-i\·f}]/t_{\mathrm{gap}}^2\·\left[a_{\mathrm{co}}\left(L\right)\right]$

上式中

是一个周期因子使得传输谱具有周期性，其中为空气腔调解的相位因子，L_gap＝L_gapo+ΔL_gap为空气腔的腔长，在透射谱里对应最小极值的波长为谐振波长，通过求导可以得到谐振波长与微位移的关系：

$\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{gap}}}{C}+\frac{2{\mathrm{\πn}}_{\mathrm{gap}}{L}_{\mathrm{gap}0}}{C}$ 通过监测谐振波长的移动可以实现对微位移的传感。

2.实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于包括一个宽带光源、一根光子晶体光纤长周期光栅、一根普通单模光纤、两个内套管、一个外套管和一个光谱仪；光子晶体光纤长周期光栅和单模光纤的末端端面平整切割并置于内套管；光子晶体光纤长周期光栅可以沿内套管移动，单模光纤粘结于内套管内，光子晶体光纤长周期光栅和单模光纤的末端端面形成长度可改变的空气腔；光子晶体光纤长周期光栅的尾纤粘结固定于另外一个具有相同内径的内套管内；两个内套管置于一个外套管内，粘结单模光纤的内套管与外套管粘结固定，粘结光子晶体光纤长周期光栅的内套管可以沿外套管移动；光子晶体光纤长周期光栅的另一端与宽带光源的输出端连接，单模光纤的另一端与光谱仪的输入端连接；

所述的内外套管均为陶瓷套管。

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