CN108168449A - 微型高分辨率光纤位移传感器 - Google Patents

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荣强周
苏丹
乔学光
陈凤仪
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Abstract

一种微型高分辨率光纤位移传感器，在单模光纤的端部熔接有空芯微球，在空心微球的外表面加工有应力释放槽,应力释放槽为圆弧槽，应力释放槽的横截面为矩形通槽，槽宽为5～30μm,应力释放槽的中心平面与单模光纤轴线垂直，在应力释放槽所在的曲面内圆弧中心线所对的圆心角为10°～270°。发明人采用本发明实施例1的微型高分辨率光纤位移传感器进行了实验，传感器的灵敏度可达到‑2.3527nm/μm，实现微纳级的位移。本发明具有结构紧凑、灵敏度高、稳定性好等特点，满足高分辨应变检测的要求。

Description

微型高分辨率光纤位移传感器
背景技术
随着科学技术的发展，更多的领域迫切需要精密微动系统用于加工和测量。柔性支撑微位移机构是微纳米级定位工作台普遍采用的方法，在整个系统中，检测部分的准确性直接影响到整个系统精度和控制性能，迫切需要分辨率达到微纳米级且结构微型化的微位移传感器。传统的检波技术大多以磁电、压电、压阻式等电类和机械类传感器为主，例如，电阻应变式位移传感器是一种由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器，将应变片粘贴在弹性敏感元件上，当弹性元件受到外力作用时产生位移和变形，由此产生应力和应变，电阻应变片又将应力与应变转换成电阻的变化，使传感器输出与外力或自由端位移相对应的电信号。传统的位移传感器大多为“有源”器件，在检测灵敏度、动态范围、抗电磁干扰、体积尺寸、复用性、恶劣环境中“永久”使用等方面，难以满足多个领域的精细监测及安全储运的需求，例如，高压电厂、公路、桥梁等。光纤传感技术水平前沿，研究基于纤维光学、光电子学、智能材料、微结构加工等信息科学交叉融合的适用于多个领域的微位移传感技术，与目前常规电磁类传感检测技术相比，具有分辨率高、检测精度高、动态范围大，适用于微纳级位移信号检测；传感系统复用性高，可实现网络化大数据检测。传感器件“无源”、本质安全，不受环境电磁场干扰，耐高温、耐腐蚀，适合于恶劣环境长期使用。微型高分辨率光纤位移传感器的实现对于提高微位移/微应变检测分辨率，提升国内光纤测量水平具有十分重要的科学技术意义。
光纤Fabry-Perot(FP)干涉仪作为相位调制型传感器的一种，可以通过相位信息感知环境应变特性，灵敏度高，可实现微应变检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种结构紧凑、灵敏度高、稳定性好的微型高分辨率光纤位移传感器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在单模光纤的端部熔接有空芯微球，空心微球的外表面加工有应力释放槽。
本发明的应力释放槽a为圆弧槽，应力释放槽的中心平面与单模光纤轴线垂直，在应力释放槽所在的曲面内圆弧中心线所对的圆心角为10°～270°。
本发明的应力释放槽a的横截面为矩形通槽，槽宽为5～30μm，应力释放槽的中心平面与单模光纤轴线垂直。
本发明的空芯微球的壁厚≤10μm、直径≤200μm。
本发明采用在单模光纤的端部熔接空芯微球，空芯微球上加工有应力释放槽，宽带光源产生的光从单模光纤入射，一部分光由光纤反射面反射经单模光纤反射出，另一部分光经光纤反射面进入空芯微球的微球反射面反射从单模光纤反射出。经两个反射面、单模光纤反射回的光形成干涉光谱。当空芯微球在外力作用情况下，空芯微球产生应变，右部分空芯微球向左部分空芯微球移动，右部分空芯微球与左部分空芯微球的连接部分构成弯曲梁，光纤反射面与微球反射面之间的距离通过应力释放槽发生改变，两束反射光的光程差也将发生变化，进而改变干涉光谱波长，通过干涉光谱的波长漂移量可以检测光纤反射面与微球反射面之间距离的变化，进而测量右部分空芯微球位移的变化量。采用本发明实施例1的微型高分辨率光纤位移传感器进行了实验，传感器的灵敏度可达到-2.3527nm/μm，实现微纳级的位移。本发明具有结构紧凑、灵敏度高、稳定性好等特点，满足高分辨应变检测的要求。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是实施例1位移与波长的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施例。
实施例1
在图1中，本实施例的微型高分辨率光纤位移传感器由单模光纤1与空芯微球2熔接构成。
单模光纤1为市场上销售的商品，在单模光纤1的端部熔接有空芯微球2。制作时将直径为100～130μm、长度为500μm空芯光纤用熔接机对空芯光纤的端部进行多次放电，空芯光纤在高温下融化塌陷，由于空芯内部气体受热膨胀，空芯光纤放电后形成空芯微球2，空芯微球2的壁厚为10μm、直径为200μm，空芯微球2的壁厚和直径可通过改变放电的功率、放电时间以及放电位置进行优化调整。空芯微球2构成法布里波罗干涉结构。采用激光器产生的飞秒激光在空芯微球2的外表面上刻制应力释放槽a，应力释放槽a的中心平面与单模光纤1轴线垂直，应力释放槽a为通槽，应力释放槽a的槽宽为20μm，在应力释放槽a所在的曲面内圆弧中心线所对的圆心角为120°，应力释放槽a用于消除空芯微球2在外力作用下微球形变所产生的内部应力，以及提供微球右部分腔体受外部压力所产生形变，微小的应变可引起干涉光谱的明显漂移，单模光纤1的端部熔接空芯微球2构成本实施例的微型高分辨率光纤位移传感器。
实施例2
本实施例中，在单模光纤1的端部熔接有空芯微球2，空芯微球2的壁厚为10μm、直径为200μm，采用激光器产生的飞秒激光在空芯微球2的外表面上刻制应力释放槽a，应力释放槽a的中心平面与单模光纤1轴线垂直，应力释放槽a为通槽，应力释放槽a的槽宽为5μm，应力释放槽a所在的平面内圆弧中心线所对的圆心角为10°。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例3
本实施例中，在单模光纤1的端部熔接有空芯微球2，空芯微球2的壁厚为10μm、直径为200μm，采用激光器产生的飞秒激光在空芯微球2的外表面上刻制应力释放槽a，应力释放槽a的中心平面与单模光纤1轴线垂直，应力释放槽a为通槽，应力释放槽a的槽宽为30μm，应力释放槽a所在的平面内圆弧中心线所对的圆心角为270°。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例4
本实施例中，在单模光纤1的端部熔接有空芯微球2，空芯微球2的壁厚为10μm、直径为200μm，采用激光器产生的飞秒激光在空芯微球2的外表面上刻制应力释放槽a，应力释放槽a的中心平面与单模光纤1轴线垂直，应力释放槽a为通槽，应力释放槽a的槽宽为5μm，应力释放槽a所在的平面内圆弧中心线所对的圆心角为270°。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例5
本实施例中，在单模光纤1的端部熔接有空芯微球2，空芯微球2的壁为10μm、直径为200μm，采用激光器产生的飞秒激光在空芯微球2的外表面上刻制应力释放槽a，应力释放槽a的中心平面与单模光纤1轴线垂直，应力释放槽a为通槽，应力释放槽a的槽宽为30μm，应力释放槽a所在的平面内圆弧中心线所对的圆心角为10°。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例6
在以上的实施例1～5中，在单模光纤1的端部熔接有空芯微球2，空芯微球2的壁厚为6μm、直径为100μm。空芯微球2的壁厚可以在10μm以下任意选取，空芯微球2的直径可以在为200μm以下任意选取。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的微型高分辨率光纤位移传感器进行了实验，实验情况如下：
1、建立试验系统
实验测试系统由宽带光源、光纤环形器、微位移施加和观测平台、光谱分析仪连接组成，其中，微位移施加和观测平台是利用光纤夹持器将传感器固定于一个三维平台上，并在其右侧固定一微位移台(分辨率10nm)，安装时保证该微位移平台可从空芯微球2右侧对其施加轴向应力，对空芯微球2施加的微位移变化量从0～5.5μm，在对传感器施加微位移的过程中，用光学显微镜(40倍放大)对该过程进行实时观测。测试时，由宽带光源发出的光通过光纤环形器进入单模光纤1，一部分光由单模光纤1反射面反射回单模光纤1，另一部分光经空芯微球2后由微球反射面反射回单模光纤1，两束反射光相遇后发生干涉，形成干涉光谱，该谱线经过光纤环形器后入射到光谱分析仪，每间隔0.5μm记录一次波长的变化，波长与位移呈线性关系：
y＝-2.3527x+1536
2、实验结果
实验测试结果见表1和图1。
由表1和图1可见，随着位移量的增加，波长向短波方向漂移，并呈线性关系，传感器的灵敏度可达到-2.3527nm/μm。
表1位移量增加时波长的变化
本发明的工作原理如下：
单模光纤1与空芯微球2熔接面为光纤反射面，空芯微球2腔右部内表面为微球反射面。宽带光源产生的光从单模光纤1入射，一部分光由光纤反射面反射经单模光纤1反射出，另一部分光经光纤反射面进入空芯微球2的微球反射面反射，从单模光纤1反射出。经两个反射面、单模光纤1反射回的光形成干涉光谱。当空芯微球2在外力作用情况下，空芯微球2产生应变，右部分空芯微球2向左部分空芯微球2移动，右部分空芯微球2与左部分空芯微球2的联接部分构成弯曲梁，光纤反射面与微球反射面之间的距离通过应力释放槽a发生改变，两束反射光的光程差也将发生变化，进而改变干涉光谱波长，通过干涉光谱的波长漂移量可以检测光纤反射面与微球反射面之间距离的变化，测量右部分空芯微球2位移的变化量。

Claims (4)

1.一种微型高分辨率光纤位移传感器，在单模光纤(1)的端部熔接有空芯微球(2)，其特征在于：在空心微球的外表面加工有应力释放槽(a)。
2.根据权利要求1所述的微型高分辨率光纤位移传感器，其特征在于：所述的应力释放槽(a)为圆弧槽，应力释放槽(a)的中心平面与单模光纤(1)的轴线垂直，在应力释放槽(a)所在的曲面内圆弧中心线所对的圆心角为10°～270°。
3.根据权利要求1或2所述的微型高分辨率光纤位移传感器，其特征在于：所述的应力释放槽(a)的横截面为矩形通槽，槽宽为5～30μm，应力释放槽(a)的中心平面与单模光纤(1)轴线垂直。
4.根据权利要求1所述的微型高分辨率光纤位移传感器，其特征在于：所述的空芯微球(2)的壁厚≤10μm、直径≤200μm。
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