CN103123254B - 基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感器，即由一段错位熔接的光纤与长周期光纤光栅级联而成，能够在垂直于纤轴的平面上同时测量弯曲大小和方向。该矢量传感器具有较宽的干涉自由光谱范围；干涉峰带宽与光栅谐振峰带宽相近，但光栅谐振峰具有独立性。由于光栅谐振峰与干涉峰对温度的敏感性不同，故可通过系数矩阵法有效消除弯曲与温度的交叉敏感影响。该弯曲矢量传感器具有灵巧型、低成本、制作简便、易测量、可消除温度影响等优点，在物体形变及形貌探测等方面具有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种可进行二维弯曲矢量传感测量的新技术，具体由一段错位熔接的光纤与长周期光纤光栅级联而成，能够在垂直于纤轴的平面上同时测量弯曲大小和方向，可应用于物体形变与形貌探测、结构健康监测等技术领域。
背景介绍
全光纤马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，简称MZI)是在光纤上制作的一种分振幅干涉器件。一般由光纤、光纤耦合器、光源和光电探测系统组成。其中，光纤作为敏感元件起接收信号和传输信号作用，光纤耦合器(两个)分别用作分波器和合波器。用于传感器的MZI有两个干涉臂，一个称之为参考臂，另一个称之为探测臂，探测臂放置于待测环境中。由于待测环境的影响(如应力、折射率等的变化)，使在探测臂中传输的光相对参考臂中的光获得了新的相位差，通过探测器可观察到干涉条纹的移动。检测这种移动变化量，从中能够获得待测环境中某些物理量变化的细致信息。利用这一原理，可以测量诸如温度、应变、压力、弯曲、折射率等参量的微小变化。全光纤MZI传感器具有体小质轻、纤细柔软、抗电磁干扰、易制作及布设等优点，因此适宜于分布式传感及长距离感测，在机敏材料、结构检测等方面已得到广泛应用。
弯曲矢量传感器是一种能够同时测量弯曲大小和方向的传感器，并因其在机械结构形态探测方面的重要应用，一直是人们研究的热点问题。利用光学技术，特别是光纤技术，是实现弯曲传感的有效手段。以往这方面的研究工作及成果报道，大多集中于利用光栅来实现弯曲大小和方向的同时探测，主要有两种实现方式：一种是在普通光纤上引入非对称的折射率调制，另外一种是在特殊的非对称光纤上写制光栅。这两种方式也有其局限性，一是光纤光栅对温度敏感，在弯曲测量过程中会出现交叉敏感问题；二是特种光纤成本较高，且与单模光纤熔接较难，会产生较高的损耗，不利于规模化生产应用。近年来，随着光纤干涉仪设计和制作技术的不断进步和成熟，基于全光纤MZI的弯曲传感器愈来愈受到人们的关注。2007年，等人(Opt.Letters，v.32，2007：3074-3076)提出了一种基于多模干涉和长周期光栅级联的全光纤MZI弯曲传感器；2011年，D.Monzon-Hernandez等人(Opt.Letters，v.36，2011：4380-4382)通过在单模光纤拉锥方式，制作出一种可用于弯曲测量的MZI。此外，还有一些其他结构的干涉仪被设计和制作出来。然而，能够辨别弯曲方向的MZI弯曲传感器鲜有报道。2012年，本研究小组(Opt.letters，v.37，2012：4480-4482)首次提出并研制出一种MZI弯曲矢量传感器，该器件由错位熔接和过度熔接两种结构级联构成，可以辨别与错位相平行的两个弯曲方向；但因结构所限，其他弯曲方向无法感测。本发明设计的基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感器，采用垂直非对称结构，将对弯曲方向的辨识由一维拓展到二维，为弯曲矢量的多维感测提供了新的实现思路，同时也能解决温度的交叉敏感问题。
发明内容
针对现有光纤及光栅传感器对方向辨识存在的不足，本发明设计一种基于纤栅结构的MZI，提供一种能够在垂直于纤轴平面上实现弯曲大小和方向同时测量的传感器。该MZI弯曲矢量传感器由一段错位熔接的光纤与长周期光纤光栅(LPFG)级联而成。其特点在于：所述光纤为标准单模光纤，或者双包层光纤、微结构光纤、光子晶体光纤；光纤熔接的错位方向与长周期光纤光栅的曝光写制方向垂直(或成一定夹角)；光栅中心位置与错位点的距离为厘米量级。光纤错位熔接量的大小，决定对光场耦合效率的高低；错位量大，耦合效率越高，反之亦然。光栅折射率的调制深度，决定谐振峰处耦合强度的大小；调制越深，耦合强度大，反之亦然。
对于这种MZI弯曲矢量传感器，其工作原理如下：由于光纤的错位熔接，入射光在通过错位点时将分为两部分传输，其中一部分仍然在纤芯中继续传输，称之为纤芯基模；而另一部分则被耦合到包层中传输，称之间为包层模。光在传输一段距离后经过长周期光纤光栅时，一部分包层模被耦合回纤芯中，同时也会有一部分纤芯模耦合进包层，同时存在于纤芯中的基模和包层模产生相位差φ＝2π(neff co-neff cl)/λ。其中，和分别是纤芯基模和包层模的有效折射率，λ是入射光波长，L是干涉仪的腔长。当相位差满足条件φ＝(2m+1)π、m＝0，1，2，...时，一个透射衰减峰就会出现在λm＝2(neff co-neff cl)L/(2m+1)处，m是干涉的级次。当外界环境改变时，比如施加应力、弯曲作用，或者改变温度、折射率的大小，均可使纤芯模和包层模的相位差发生变化，从而使干涉条纹发生漂移。通过探测这种移动变化量，即可反推出外界参量的变化情况。
本发明所述基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感器，其干涉峰与光栅谐振峰具有相对独立性。因此，利用干涉峰的漂移，可确定与错位相平行的弯曲大小和方向；利用光栅谐振峰的漂移，可确定与错位相垂直的弯曲大小和方向。
本发明所述基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感器，将一维矢量传感拓展至二维传感，利用干涉峰与光栅谐振峰的共同作用，可实现对多个弯曲方向的辨识。这种弯曲矢量传感器具有灵巧型、低成本、制作简便、易测量、可消除温度影响等优点，在物体形变及形貌探测等方面具有潜在的应用价值。
附图说明
图1是基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感结构。其中，(a)结构示意图；(b)光纤错位熔接点显微镜实物照片。
图2是光纤错位熔接点和光纤光栅横截面示意图。
图3是LPFG和MZI干涉仪透射谱图。其中，(a)周期为580μm的LPFG透射谱，错位量为4.5μm且与光栅距离为2cm的MZI透射谱；(b)周期为580μm的LPFG透射谱，错位量为7μm且与光栅距离为4cm的MZI透射谱。
图4是本发明弯曲矢量传感器对典型透射峰弯曲的测量结果。其中，(a)光栅谐振峰P3对四个方向弯曲的响应及其线性拟合图；(b)干涉峰P1对四个方向弯曲的响应及其线性拟合图。
图5是本发明弯曲矢量传感器对典型透射峰温度的测量结果。其中，(a)光栅谐振峰P3对温度的响应及其线性拟合图；(b)干涉峰P1对温度的响应及其线性拟合图。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：
这种基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感器，它是在单模光纤上由错位熔接和长周期光纤光栅级联而成，整个结构在一根光纤上制作而成。错位熔接方向与长周期光纤光栅曝光写制方向垂直，图4所示为二维四个最敏感方向弯曲情况。
光纤在错位熔接时，其错位量设置较小，LPFG写制深度较大，使LPFG谐振峰处的耦合强度远大于MZI耦合强度。
光纤错位熔接点与光纤光栅中心距离为厘米量级，如此可避免LPFG谐振峰处产生较密集的干涉条纹，便于实际测量应用。
图1所示为本发明实施例的MZI结构示意图，整个结构在单模光纤上制作，错位熔接点与LPFG中心距离为L，错位沿y轴方向，LPFG曝光写制方向沿x轴方向。
图2为本发明光纤错位熔接点和光纤光栅横截面示意图。光纤光栅颜色较深的地方为曝光面，逐渐变浅表示折射率调制减弱。光纤错位方向与光纤光栅曝光写制方向垂直，从入射光方向看，若假设光纤光栅曝光面为0°，则相对错位点的侧向为0°，顺时针旋转依次可标记为90°，180°，270°。
图3是本发明的两个制作实施例。其中，图3(a)为周期为580μm、谐振峰深度为20dB的LPFG透射谱，错位量为4.5μm且与光栅距离为2cm的MZI透射谱；图3(b)为周期为580μm、谐振峰深度为18dB的LPFG透射谱，错位量为7μm且与光栅距离为4cm的MZI透射谱。由图3(a)可见，光纤错位熔接后出现明显干涉峰，在1480nm～1548nm和1568nm～1630nm区间，三个干涉峰分别出现在1505.91nm(P1)、1527.62nm(P2)和1581.88nm(P4)，而在1559.19nm处损耗最深的峰P3与未错位熔接前的单LPFG谐振峰非常接近。MZI干涉谱平均条纹间距约25.31nm，峰P2与P3间距比平均条纹间距大得多。因此，可推断P3峰仍然是长LPFG的谐振峰。考虑到制作中光纤错位量较小，因此LPFG谐振峰处耦合强度远大于错位与光栅形成的MZI耦合强度，这一推断在以下测量中得到了证实。作为对比，我们制作了另一个与图3(a)同结构但不同参数的MZI，如图3(b)所示。其中，LPFG谐振峰深度减小到18dB，并且将错位量和错位点与LPFG中心距离均增大，从图3(b)的透射谱图可见，LPFG谐振峰变化不明显，而MZI干涉谱较均匀且对比度较大，但错位量增大，其插入损耗亦变大。
图4是本发明的两个弯曲实施例。其中，图4(a)为LPFG振峰P3对四个方向弯曲的响应及其线性拟合图；图4(b)为MZI干涉峰P1对四个方向弯曲的响应及其线性拟合图。从图中可以看出，P3峰和P1峰在0～0.5m-1曲率范围内不敏感；但在0.5～2.05m-1曲率范围内，此二峰分别发生了漂移且线性度良好。对于LPFG，P3峰对90°和270°弯曲不敏感，而对0°和180°弯曲则很敏感，并分别向短波和长波波段漂移；这与单LPFG谐振峰的弯曲响应特性相一致，也与我们前面的推论相符。由于错位的引入，使得光经过错位点后在光纤中的能量分布不对称，即沿+y轴方向分布的包层模能量大于其沿-y方向的包层模能量。于是，MZI在向错位方向弯曲或者向错位反方向弯曲时，因相位差改变正好相反，故导致干涉峰漂移方向相反，如图4(b)所示。当MZI向90°和270°弯曲时，峰P1分别向长波和短波方向漂移；而向0°和180°弯曲时，由于纤芯模和包层模在同一个曲率面上，引起的相位差变化很小，因此MZI对这两个方向的弯曲不敏感。于是，由LPFG振峰P3和MZI干涉峰P1的漂移情况，即可获知弯曲的方向和大小信息。
图5是本发明的两个温度实施例。其中，图5(a)为光栅谐振峰P3对温度的响应及其线性拟合图；图5(b)为干涉峰P1对温度的响应及其线性拟合图。对于弯曲传感器，温度交叉敏感是一个很重要的问题。由图5可见，峰P3与峰P1具有不同的温度敏感性，因此可与弯曲敏感度共同建立矩阵，由此即可有效消除弯曲测量过程中温度的影响。
虽然结合目前认为最实际且最佳的实施例描述了本发明，但本发明不限于所公开的实施例，而意在覆盖所附权利要求的精神和范围之内所包括的多种变型及其等效装置。
Claims (6)
1.一种基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感器，即由一段错位熔接的光纤与长周期光纤光栅级联而成，能够在垂直于纤轴的平面上同时测量弯曲大小和方向；其特点在于：错位熔接量的大小，决定对光场耦合效率的高低；错位量大，则耦合效率高，反之亦然；光栅折射率的调制深度，决定谐振峰处耦合强度的大小；调制越深，耦合强度大，反之亦然。
2.根据权利要求1所述基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感器，其特征在于：所述光纤为标准单模光纤、双包层光纤、微结构光纤、光子晶体光纤。
3.根据权利要求1所述基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感器，其特征在于：长周期光纤光栅为光纤布喇格光栅、长周期光纤光栅、啁啾光纤光栅、倾斜光纤光栅。
4.根据权利要求1所述基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感器，其特征在于：光纤熔接的错位方向与长周期光纤光栅的曝光写制方向成一定夹角，该夹角在0°～90°范围内。
5.根据权利要求1所述基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感器，其特征在于：光栅中心位置与错位点的距离为厘米量级。
6.根据权利要求1所述基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感器，其特征在于：该矢量传感器线性工作温度范围为20.0℃～90.0℃。
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| CN103123254A (zh) | 2013-05-29 |
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