CN108827189B - 一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器 - Google Patents
一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明揭示了一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器，该扭转传感器包括宽带光源、反射式微纳光纤耦合器传感单元和光谱仪，反射式微纳光纤耦合器传感单元的一端同时与所述宽带光源、光谱仪连接，宽带光源、反射式微纳光纤耦合器传感单元和光谱仪均通过光纤熔接的方式相互连接。反射式微纳光纤耦合器传感单元由一根单模光纤绕成环状，两段尾纤进行拉锥耦合制成，光纤耦合区内两段锥形光纤通过倏逝场进行能量交换。利用反射式微纳光纤耦合器的包络干涉对偏振态敏感的特点，采用快速傅里叶变换分析干涉包络模式能量变化，实现了高灵敏度扭转传感。该光纤传感器具有全光纤、结构简单、制作方便、成本低、高灵敏度、损耗低、可重复性高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器，可用于光纤传感技术领域。
背景技术
随着医疗、生化、环境、食品等工业领域对传感器的要求越来越高，研究者们便越来越致力于体积小、抗电磁干扰、重量轻、灵敏度高、结构简单、可集成、耐恶劣环境、可远程操作的传感器的研究。而光纤传感器以光波为载体，光纤为媒质实现被测信号的传输与感知，与传统的传感器相比，不仅具有上述优点，还可广泛应用于多种参量的传感，如温度、扭转、应力、折射率、位移、旋转、电流、生化、磁场等，具有广阔的应用前景。
当前应用于扭转测量的传感器主要有三类：机械式、电磁式和光纤式。机械式扭转角度测量主要是基于轴向应变片的传感模式，对机械加工要求高，结构复杂，且成本高。电磁式扭转角度测量主要是基于电磁离合式测功机，测量精度高，但其体积较大，易受电磁干扰，机械加工要求高，成本高，结构复杂，一般只作为标准测量使用。光纤式扭转传感器主要有光纤光栅传感器、光子晶体光纤传感器、马赫-曾德(M-Z)干涉仪、萨格纳克(Sagnac)干涉仪传感器等，但这些传感器在实际应用中还需考虑许多因素：如高双折射光纤布拉格光栅扭转角度传感器对光纤光栅刻写技术有较高的要求；光子晶体光纤传感器制作成本较高；M-Z干涉仪灵敏度较低；Sagnac干涉仪通常与保偏光纤相结合，提高了复杂度及成本等。此外，上述光纤扭转传感器除Sagnac干涉仪外，大部分光入射端与出射端位于异侧，不利于二者集成，且不适于狭缝、远距离等特殊条件的传感测试。
因此，研究并实现一种结构简单、制作方便、成本低、高灵敏度、损耗低、可重复性高、应用环境丰富的光纤扭转传感器在目前仍然具有较高的研究与应用价值。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器，包括宽带光源、反射式微纳光纤耦合器传感单元和光谱仪，所述反射式微纳光纤耦合器传感单元的一侧同时与所述宽带光源、光谱仪连接，所述宽带光源、反射式微纳光纤耦合器传感单元和光谱仪均通过光纤熔接的方式相互连接。
优选地，所述反射式微纳光纤耦合器传感单元由一根单模光纤绕成环状，两段尾纤进行拉锥耦合制成，其光场入射端P1与出射端P2位于同一侧，光纤耦合区内两段锥形光纤通过倏逝场进行能量交换。
优选地，所述宽带光源从反射式微纳光纤耦合器传感单元入射端P1输入光纤耦合区后，一部分耦合至另一段锥形光纤并从P4端口输出，其余部分从P3端口输出，经P3端口、P4端口输出的光会沿着反射环分别顺时针和逆时针传输至P4端口和P3端口，重新进入耦合区，最后从出射端P2透射，并由光谱仪探测。
优选地，所述反射式微纳光纤耦合器传感单元还包括偏振控制器，所述偏振控制器设置于反射环内且与光纤夹具间隙设置，所述光纤夹具包括第一光纤夹具和第二光纤夹具，反射环内的扭转角度由夹持在反射环内一段单模光纤上的第一光纤夹具和第二光纤夹具控制。
优选地，所述偏振控制器设置在反射环内靠近P3端口处。
优选地，所述第一光纤夹具和第二光纤夹具间隙设置。
优选地，所述反射式微纳光纤耦合器传感单元的光纤强耦合区横截面具有非圆对称特性，x偏振和y偏振基模的传输特性不同，使二者存在相位差引发干涉，形成干涉谱包络，且模式干涉强度随入射光偏振态发生变化。
优选地，经反射环反射入P3端口的光为线偏振光，改变扭转角度后，设偏振光与x轴角度为θ，则反射光场从P3端口耦合至出射端P2的透射系数可以表示为：
TP2＝cos2θcos2(kxL)+sin2θcos2(kyL)
其中，kx和ky分别为x偏振和y偏振基模的耦合系数，L为耦合区的长度，而耦合系数kx和ky与耦合区中低阶奇偶模传播常数有关，当改变环内光纤扭转角度时，θ发生改变，反射环内传输光的偏振态改变，耦合区内x偏振和y偏振模式能量交换也会相应改变，导致光谱仪探测干涉谱包络发生变化。对光谱仪探测干涉谱进行快速傅里叶变换(FFT)分析后，得出干涉谱包络模式干涉强度随扭转角度的线性变化关系，进而进行扭转角度的测量。
本发明技术方案的优点主要体现在：本发明利用标准通信单模光纤绕环后熔融拉锥制备反射式微纳光纤耦合器，具有全光纤耦合、结构简单、制作方便、高灵敏度、成本低、损耗低、可重复性高、应用环境丰富等特点。
本发明利用反射式微纳光纤耦合器透射谱x偏振和y偏振光模式干涉所形成的包络对偏振态的敏感特性，采用FFT算法分析出干涉谱包络模式干涉强度随扭转角度的线性变化关系，进而进行扭转角度的测量，即扭转传感。
本发明所有器件均采用全光纤耦合方式，结构紧凑稳定、抗电磁干扰能力较强，在建筑结构、桥梁结构、工程机械结构监测等方面都具有较高的应用价值。
附图说明
图1为本发明的一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器的结构示意图。
图2为本发明的反射式微纳光纤耦合器传感单元结构示意图。
图3为本发明的一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器实验测试获得的输出光谱随扭转角度的变化。
图4为将本发明的一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器的实验测试光谱进行FFT算法分析后获得的模式强度随扭转角度呈线性变化的实验测试图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器，如图1所示，一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器，包括宽带光源1和反射式微纳光纤耦合器传感单元2，所述反射式微纳光纤耦合器传感单元2的一侧同时与所述宽带光源1、光谱仪3连接，所述宽带光源1与光纤耦合器2一端相连，光纤耦合器2另一端设置有光谱仪3，所述宽带光源1、反射式微纳光纤耦合器传感单元2和光谱仪3均通过光纤熔接的方式相互连接。
如图2所示，所述反射式微纳光纤耦合器传感单元是将一根单模光纤绕成环状，将两段尾纤进行拉锥耦合制成，其光场入射端P1与出射端P2位于同一侧，由入射端P1入射的光部分从P3端口出射，部分从P4端口出射，经反射环分别顺时针和逆时针传输，然后又从P3端口、P4端口入射。
所述反射式微纳光纤耦合器传感单元是将一根单模光纤绕成环状，两段尾纤进行拉锥耦合制成，其光场入射端与出射端位于同一侧，光纤耦合区内两段锥形光纤通过倏逝场进行能量交换。所述宽带光源1从反射式微纳光纤耦合器传感单元入射端P1输入光纤耦合区24后，一部分耦合至另一段锥形光纤并从P4端口输出，其余部分从P3端口输出，经P3端口、P4端口输出的光会沿着反射环分别顺时针和逆时针传输至P4端口和P3端口，重新进入耦合区，最后从出射端P2输出，并由光谱仪3探测。
所述反射式微纳光纤耦合器传感单元还包括偏振控制器23，所述偏振控制器23设置于反射环21内且与光纤夹具22间隙设置，且通过反射环内一段单模光纤传感扭转角度。所述光纤夹具包括第一光纤夹具和第二光纤夹具，反射环21内的扭转角度由夹持在反射环内一段单模光纤上的第一光纤夹具和第二光纤夹具控制。所述偏振控制器设置在反射环内靠近P3端口处。第一光纤夹具和第二光纤夹具分别夹设于大约与P3端口、P4端口距离相同的地方。通过光纤夹具改变反射环21内扭转角度来改变微纳光纤耦合器反射环21内由偏振控制器23控制的线偏振光的偏振角度，从而影响干涉包络模式强度，最后，通过FFT算法分析得出包络模式干涉强度随扭转角度的线性变化关系，进而进行扭转角度的测量，即扭转传感。
反射式微纳光纤耦合器传感单元的光纤强耦合区横截面具有非圆对称特性，所以x偏振和y偏振基模的传输特性不同，使二者存在相位差引发干涉，形成干涉谱的包络，且模式干涉强度随入射光偏振态发生变化。通过对P2端输出干涉谱进行FFT分析后，可以得出干涉谱包络模式干涉强度随扭转角度的线性变化关系，进而进行扭转角度的测量，即扭转传感。该传感器具有全光纤耦合、体积小、制作简单、成本低、重复性高和结构紧凑等特点，还可实现高灵敏度扭转传感。
经反射环反射入P3端口的光为线偏振光，改变扭转角度后，设偏振光与x轴角度为θ，则反射光场从P3端口耦合至出射端P2的透射系数可以表示为：
TP2＝cos2θcos2(kxL)+sin2θcos2(kyL)
其中，kx和ky分别为x偏振和y偏振基模的耦合系数，L为耦合区的长度，而耦合系数kx和ky与耦合区中低阶奇偶模传播常数有关。上式说明，当改变环内光纤扭转角度时，θ发生改变，反射环内传输光的偏振态改变，耦合区内x偏振和y偏振模式能量交换也会相应改变，导致光谱仪探测干涉谱包络发生变化。
对上述反射式微纳光纤耦合器输出干涉谱进行FFT分析后，可以得出干涉谱包络模式干涉强度随扭转角度的线性变化关系，进而进行扭转角度的测量，即扭转传感。利用反射式微纳光纤耦合器的包络干涉对偏振态敏感的特点，采用FFT分析干涉模式能量变化，实现了高灵敏度扭转传感。该光纤传感器具有全光纤、结构简单、制作方便、成本低、高灵敏度、损耗低、可重复性高等特点。
图3为一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器实验测试获得的输出光谱随扭转角度的变化，其中横坐标为波长，纵坐标为透射光功率。由图3可以直观地看出，随着扭转角度的增大，光谱包络干涉变强。
图4为对一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器的实验测试光谱进行FFT分析后，获得的干涉谱包络模式干涉强度随扭转角度增加而线性增加的实验结果图。图4中，横坐标为空间频率，纵坐标为模式强度，灵敏度为2621.08(a.u)/(rad/m)。
本发明针对现有光纤扭转传感器的制作成本高、工艺复杂、集成不高、灵敏度有待改进等缺点，提出了一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器，该光纤传感器具有制造简单、低成本、紧凑性高、可重复性高、应用环境丰富等特点，并且通过对P2端输出干涉谱进行FFT分析，得出干涉谱包络模式干涉强度随扭转角度的线性变化关系，进而进行扭转角度的测量，即扭转传感。
本发明所有器件均采用全光纤耦合方式，结构紧凑稳定、抗电磁干扰能力较强，在建筑结构、桥梁结构、工程机械结构监测等方面都具有较高的应用价值。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器，其特征在于：包括宽带光源(1)、反射式微纳光纤耦合器传感单元(2)和光谱仪(3)，所述反射式微纳光纤耦合器传感单元(2)的一侧同时与所述宽带光源(1)、光谱仪(3)连接，所述宽带光源(1)、反射式微纳光纤耦合器传感单元(2)和光谱仪(3)均通过光纤熔接的方式相互连接；
所述反射式微纳光纤耦合器传感单元还包括偏振控制器(23)，所述偏振控制器(23)设置于反射环(21)内靠近P3端口处且与光纤夹具(22)间隙设置，所述光纤夹具包括第一光纤夹具和第二光纤夹具，反射环(21)内的扭转角度由夹持在反射环内一段单模光纤上的第一光纤夹具和第二光纤夹具控制；
经反射环反射入P3端口的光为线偏振光，改变扭转角度后，设偏振光与x轴角度为θ，则反射光场从P3端口耦合至出射端P2的透射系数可以表示为：
TP2＝cos2θcos2(kxL)+sin2θcos2(kyL)
其中，kx和ky分别为x偏振和y偏振基模的耦合系数，L为耦合区的长度，而耦合系数kx和ky与耦合区中低阶奇偶模传播常数有关，当改变环内光纤扭转角度时，θ发生改变，反射环内传输光的偏振态改变，耦合区内x偏振和y偏振模式能量交换也会相应改变，导致光谱仪探测干涉谱包络发生变化，对光谱仪探测干涉谱进行快速傅里叶变换分析后，得出干涉谱包络模式干涉强度随扭转角度的线性变化关系，进而进行扭转角度的测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器，其特征在于：所述反射式微纳光纤耦合器传感单元由一根单模光纤绕成环状，两段尾纤进行拉锥耦合制成，其光场入射端P1与出射端P2位于同一侧，光纤耦合区内两段锥形光纤通过倏逝场进行能量交换。
3.根据权利要求2所述的一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器，其特征在于：所述宽带光源(1)从反射式微纳光纤耦合器传感单元入射端P1输入光纤耦合区(24)后，一部分耦合至另一段锥形光纤并从P4端口输出，其余部分从P3端口输出，经P3端口、P4端口输出的光会沿着反射环分别顺时针和逆时针传输至P4端口和P3端口，重新进入耦合区，最后从出射端P2透射，并由光谱仪(3)探测。
4.根据权利要求1所述的一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器，其特征在于：所述第一光纤夹具与第二光纤夹具间隙设置。
5.根据权利要求1所述的一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器，其特征在于：所述反射式微纳光纤耦合器传感单元的光纤强耦合区横截面具有非圆对称特性，x偏振和y偏振基模的传输特性不同，使二者存在相位差引发干涉，形成干涉谱包络，且模式干涉强度随入射光偏振态发生变化。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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