CN109596206A - 基于液体填充光子晶体光纤的振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于液体填充光子晶体光纤的振动传感器，光子晶体光纤的两端分别共轴同心熔接实芯单模光纤跳线，作为传感器的输入端和输出端，入射光由输入单模光纤输入，传输经过液体填充光子晶体光纤，于输出单模光纤输出。输出光信号经光电转换器转换成电信号后由示波器采集。当传感器受到外界振动时，液体填充光子晶体光纤产生周期性微弯，一部分探测光耦合泄露至包层并被液体吸收，输出光强周期性变化，形成强度调制型光纤振动传感器。本发明制备的传感器具有体积小、抗电磁干扰、测量范围广、测量频率高的特点，可用于高灵敏度振动频率及加速度测量。

Description

基于液体填充光子晶体光纤的振动传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于液体填充光子晶体光纤的振动传感器。

背景技术

振动传感器在结构健康监测、地震监测、油气勘探、工业生产等许多行业领域中具有重要的应用。振动传感器的种类繁多，但目前工程中应用较多的仍是传统的机械式及电磁式传感器，然而机械式及电磁式传感器的灵敏度较低、体积较大、抗电磁干扰能力差，难以满足某些工程应用的需求。近年来，由于结构紧凑、抗电磁干扰、可远距离测量、复用性好及灵敏度高等优点，光纤振动传感器受到越来越多的关注。

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，简称PCF)是一类在包层区域具有二维周期性折射率变化的特殊光纤，通常通过引入周期性多孔微结构实现，因而也被称为微结构光纤或者多孔光纤。相比于传统阶跃型光纤，光子晶体光纤独特的导光机理和传输特性，在某些应用上展现出更高的传感性能，故自其诞生以来，基于光子晶体光纤的传感器件备受国内外研究者们的关注。光子晶体光纤的一个重要特点及优势是其内部多孔结构允许液体材料注入，能够将材料在外场作用下的物理响应和二维光子晶体的导光特性相结合，有效提高传感灵敏度，是未来光纤传感技术的一个重要发展方向。目前基于液体填充的光子晶体光纤传感器件已实现了对温度、电场、磁场、折射率等多种外界参量变化的高灵敏度检测。然而，目前有关光子晶体光纤应用于振动传感方面的研究尚处于起步阶段，将液体填充光子晶体光纤器件的优异特性与外界振动测量相结合更是未报道。

Chah等人采用高双折射光子晶体光纤，通过测量在振动引发下两个正交偏振本征模之间的相移，实现了振动频率及加速度测量，但测量光路十分复杂，且测量频率范围有限，仅为50～1000Hz(Chah K,Linze N,Caucheteur C,et al.Temperature-insensitivepolarimetric vibration sensor based on HiBi microstructured optical fiber[J].Applied Optics,2012,51(25):6130-6138.)。2018年，Jeong等人同样采用保偏光子晶体光纤，实现了1～3000Hz范围内的振动频率测量，但测量频率依然有待进一步提高(Jeong JH,Kim D K,Choi S,et al.Polarimetric polarization-maintaining photonic crystalfiber vibration sensor with shortest sensor head[J].IEEE Sensors Journal,2018,18(7):2768-2775.)。中国专利CN200810232853.2发明了一种全光纤法布里-珀罗干涉仪加速度传感器，将普通单模光纤、空芯光纤、实芯光子晶体光纤按顺序熔接，在实芯光子晶体光纤上加工有若干扇形通孔，各个扇形通孔的分隔部分形成振动臂，所有扇形通孔和振动臂所围的部分形成振动块。但该发明并未利用到光子晶体光纤独特的导光特性，仅将其用作振动块及反射面，且制备工艺非常复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于液体填充光子晶体光纤的振动传感器，该传感器具有体积小、抗电磁干扰、测量范围广、测量频率高的特点，可用于高灵敏度振动频率及加速度测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种基于液体填充光子晶体光纤的光纤振动传感器，包括输入单模光纤、液体填充光子晶体光纤和输出单模光纤，依次共轴同心熔接，入射光由输入单模光纤输入，传输经过液体填充光子晶体光纤，于输出单模光纤输出。输出光信号经光电转换器转换成电信号后由示波器采集。

按上述技术方案，液体填充光子晶体光纤为石英玻璃材质缺陷芯光子晶体光纤，光纤内部包层区域空气孔结构中，注入填充液体。

按上述技术方案，液体填充光子晶体光纤的填充液体为，在0℃至50℃温度范围内呈液态，且不与光子晶体光纤材质发生化学反应的物质，该缺陷芯光子晶体光纤的占空比在50％～95％之间。

按上述技术方案，液体填充光子晶体光纤和实芯单模光纤距熔接点200μm内的光纤弯曲半径不小于20cm，两种光纤的熔接界面弯曲半径不小于30cm，光子晶体光纤空气孔直径变化在±10％以内，光子晶体光纤两端未被液体填充满的长度不大于8mm且不小于1mm。

按上述技术方案，将输入端实芯单模光纤及输出端的实芯单模光纤固定，使液体填充光子晶体光纤悬空形成简支梁，液体填充光子晶体光纤中填充液体的方式包括全部空气孔填充或部分空气孔填充。为保证振动传感器的灵敏度且避免熔接时焊接点处水汽蒸发形成气泡，液体填充长度为填充一部分长度的光子晶体光纤，光子晶体光纤两端未被液体填充满的长度不大于8mm且不小于1mm。

按上述技术方案，简支梁的固有共振频率f与液体填充光子晶体光纤形成的有效简支梁的长度L的关系为，

其中n为共振阶数，k＝0.5π，M为与波导材料相关的参数，E为液体填充后光子晶体光纤的弹性模量，I为光子晶体光纤材料横截面对弯矩中心轴的惯性矩，I＝(πd⁴)/64，d为梁横截面的直径，m为简支梁单位长度质量。

依据公式对于某一确定长度的PCF，可以改变有效填充液体的长度，控制传感器最灵敏的振动测量频率值，即可以在L取x～y之间时，调制出x’Hz～y’Hz频率范围内的某一共振频率，达到这一频率值下较高的振动响应灵敏度。

若以上参数不做限定会造成：1)光子晶体光纤填充过满会导致与实芯光纤焊接时焊点处水蒸发而形成气泡；2)未被液体填充满的空气孔区域长度过大，使得液体可能在空气孔区域易震荡而分离或形成气泡，不能形成均匀的液柱波导层；同时过大的液体震荡导致光的散射损耗过大，降低了信号光的接收强度；3)弯曲会造成材料受力不均匀和光子晶体光纤空气孔变形，带来结构缺陷，降低传感器的机械性能；4)弯曲会造成光泄漏到包层区域，激发包层模式从而形成模间干涉，在透射谱上形成不必要的干扰峰。

按上述技术方案，还包括光源、光电转换器、振动发生装置和示波器，其特征在于，探测光由输入单模光纤导入，在液体填充光子晶体光纤中传输，并由输出单模光纤导出；振动传感器受到外界振动时，简支梁沿振动方向振动，带动液体填充光子晶体光纤产生微弯，导致纤芯中传输的探测光部分向包层耦合泄露并被液体吸收，输出光强减弱；当振动持续时，简支梁周期性振动微弯，输出光强周期性变化，变化周期与振动频率一致，变化幅值与振动强度(幅值、加速度等)相关，形成强度调制型光纤振动传感器。

按上述技术方案，所述缺陷芯光子晶体光纤，在石英纤芯的正中心引入了一个空气孔缺陷，其光纤外径为150～200μm，空气填充率为50～90％，纤芯中心的缺陷芯直径为1.7～6.5μm，环形纤芯外径为5～15μm，包层孔直径1.5～7μm，包层孔间距为3～7μm，选用长度为1～10cm。

本发明还提供上述振动传感器的制作方法，该方法包括以下步骤：步骤一，将缺陷芯光子晶体光纤中填充去离子水；步骤二，将实芯单模光纤跳线作为输入端，与缺陷芯光子晶体光纤一端共轴同心熔接；步骤三，缺陷芯光子晶体光纤另一端以同样方法熔接另一实芯单模光纤，作为强度调制型传感器的输出端；步骤四，将输入端与输出端的的实芯单模光纤跳线(平整且牢固地)粘贴于基底上，使液体填充光子晶体光纤完全悬空，形成简支梁。

按上述技术方案，所述步骤一中，放电电极偏移两光纤的接触面，位于实芯单模光纤端面60μm～80μm处，相对放电强度为85，放电次数为2次。

本发明产生的有益效果是：本发明提供了一种基于液体填充光子晶体光纤的振动传感器，基于光子晶体光纤独特的空气孔结构，将高吸收系数的液体填充入空气孔中，由于光子晶体光纤在振动下发生周期性微弯，导致纤芯能量耦合泄露至包层，根据输出光强的周期性变化，可实现对振动频率和振动加速度的高灵敏度精确测量。得益于独特的液体耦合吸收机制，测量灵敏度、频率测量范围以及频率测量上限相较许多现有振动传感器显著提高，且传感器还具有体积小、抗电磁干扰、可远距离传输等优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例中光子晶体光纤的结构示意图；

图2为本发明实施例中振动传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例中在20000Hz正弦振动下传感器透射功率变化的时域谱图；

图4为透射功率时域谱图经过快速傅里叶变换得到的频域谱图；

图5为本发明实施例中在10Hz～20000Hz正弦振动下，振动传感器测量出的振动频率与实际施加振动频率的线性拟合曲线；

图6为本发明实施例中在固定频率2800Hz正弦振动下所述光纤传感器的透射功率随振动加速度变化的时域频谱；

图7为快速傅里叶变换后频域峰幅值随振动加速度变化的线性拟合曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，基于液体填充光子晶体光纤的振动传感器探测光由输入单模光纤导入，在液体填充光子晶体光纤中传输，并由输出单模光纤导出至光电转换器，将光信号转变为电信号，并显示在示波器上；当所述振动传感器受到外界振动时，悬臂梁随之振动，带动液体填充光子晶体光纤产生微弯。在微弯下一部分纤芯中传输的探测光将向包层耦合泄露，而由于液体相对于空气具有明显提升的折射率，液体填充光子晶体光纤在微弯下纤芯中探测光向包层耦合泄露的程度远远高于未填充液体的光子晶体光纤。之后，由于液体对光波的吸收系数远高于石英玻璃，泄露到包层中光绝大部分被液体吸收，难以重新耦合回纤芯，因此输出光强减弱。当振动持续时，液体填充光子晶体光纤发生周期性微弯，输出光强周期性变化，变化周期与振动频率一致，变化幅值与振动强度(幅值、加速度等)相关，形成强度调制型光纤振动传感器。

对于本发明所提出的简支梁型振动传感器，在共振频率下系统具有从周围环境中吸收更多能量的趋势，很小的周期驱动力即可产生很强的振动。因此，对于不同频率的外界振动，振动传感器的响应灵敏度会有差别，一般在共振频率下灵敏度最高，信号的信噪比最高。可以通过改变液体填充形成的有效简支梁的长度控制传感器最灵敏的振动测量范围。所以实际测量在不同频率下传感器的响应程度具有实际意义。

简支梁的固有共振频率f与液体填充光子晶体光纤形成的有效简支梁的长度L的关系为：

n为共振阶数，k＝0.5π，(M为与波导材料相关的参数，)E为液体填充后光子晶体光纤的弹性模量，I为光子晶体光纤材料横截面对弯矩中心轴的惯性矩，I＝(πd⁴)/64，d为梁横截面的直径，m为简支梁单位长度质量。

随着液体填充形成的有效简支梁长度的缩短，同阶次的共振频率增大。例如计算可得当液体填充长度L为5cm时，前三阶固有频率分别为52Hz，165Hz和356Hz。当L为4.5时，前三阶固有频率分别为164Hz，498Hz和1027Hz。即在这些共振频率下的振动幅值响应程度大于其他频率之下。即可以在L取4.5～5之间时，调制出52Hz～164Hz范围内的某一共振频率，实现这一频率之下较高的振动响应灵敏度。

依据公式对于某一确定长度的PCF，可以改变有效填充液体的长度L，控制传感器最灵敏的振动测量频率值，即可以在L取x～y之间时，调制出x’Hz～y’Hz范围内的某一共振频率，实现这一频率之下较高的振动响应灵敏度。

实施例1

一种基于液体填充光子晶体光纤的光纤振动传感器，提供一种光纤振动传感系统，如图2所示，包括光源、输入实芯光纤1、液体填充光子晶体光纤2、输出实芯光纤3、光电转换器、示波器。

加工方法：

步骤一、取一段5cm长的光子晶体光纤，剥除涂覆层，将两侧端面切平，然后将光子晶体光纤中填充满去离子水，光子晶体光纤两端未被液体填充满的长度不大于8mm且不小于1mm。所用光子晶体光纤的横截面结构如图1所示，包层直径为190μm，环形实芯纤芯直径约为10μm。

步骤二、将输入单模光纤和液体填充光子晶体光纤共轴同心熔接。其中，单模光纤为普通商用单模光纤，包层直径为125μm，纤芯直径为8μm。熔接前剥除单模光纤熔接端面3cm以内的涂覆层，熔接采用商用光纤熔接机的手动模式，放电电极偏移两光纤的接触面，位于实芯单模光纤端面60μm～80μm处，相对放电强度为85，放电次数为2次，使输入单模光纤和液体填充光子晶体光纤牢固熔接，且液体填充光子晶体光纤的端面空气孔不出现塌陷。

步骤三、同步骤二，将液体填充光子晶体光纤和输出单模光纤共轴同心熔接，使液体填充光子晶体光纤和输出单模光纤牢固熔接，保证液体填充光子晶体光纤的端面空气孔不出现塌陷且液体不会泄露，液体填充光子晶体光纤和实芯单模光纤距熔接点200μm内的光纤弯曲半径不小于20cm，两种光纤的熔接界面弯曲半径不小于30cm，光子晶体光纤空气孔直径变化在±10％以内。

步骤四、将输入单模光纤和输出单模光纤用紫外固化胶水牢固粘贴在基底上，使液体填充光子晶体光纤完全悬空，形成简支梁4。

步骤五、将1550nm窄带光源连接输入单模光纤，将光电转换器连接输出单模光纤，光电转换器转换出的电信号接入示波器采集。

参见图3、图4，对该传感器施加频率高达20000Hz的正弦振动，示波器收集到的透射信号功率在时域内发生明显周期性变化，且变化周期与正弦振动信号周期相同。对图3进行快速傅里叶变换后得到图4，可以看到频谱内出现一个信号峰，峰值波长准确对应20000Hz，且信噪比高，因此所述传感器可以有效测量振动频率。

参见图5，所述20000Hz只是一个典型例子，在10Hz至20000Hz的低频、中频直至高频范围内(10Hz至100Hz测量间隔为10Hz，100Hz至1000Hz测量间隔为100Hz，1000Hz至20000Hz测量间隔为500Hz)，所述传感器均能够准确测量外界振动频率，快速傅里叶变换后频域谱图的峰值波长与外界振动频率完全对应，线性度达到100％。

参见图6、图7，当固定振动频率不变时，改变振动的加速度，传感器对于振动的响应程度也有所不同。图6显示了当振动频率固定为2800Hz，振动加速度分别为2m/s²、4m/s²、6m/s²和8m/s²时，输出光信号时域谱图的对比。可以明显看出，随着振动加速度增加，输出光功率变化的幅值也随之增大。图7显示了快速傅里叶变换频域谱图的信号峰幅值与振动加速度的关系，可以看出在0～8.5m/s²的加速度范围内，信号峰幅值与振动加速度有非常好的线性关系，线性度达到98.5％以上。所述2800Hz只是一个典型例子，在其他振动频率下信号峰幅值与振动加速度的线性关系仍能保持，因此所述传感器可以有效测量一定频率下加速度的大小。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于液体填充光子晶体光纤的光纤振动传感器，其特征在于，包括输入单模光纤、液体填充光子晶体光纤和输出单模光纤，依次共轴同心熔接，入射光由输入单模光纤输入，传输经过液体填充光子晶体光纤，于输出单模光纤输出。

2.根据权利要求1所述的光纤振动传感器，其特征在于，液体填充光子晶体光纤为石英玻璃材质缺陷芯光子晶体光纤，光纤内部包层区域空气孔结构中，注入填充液体。

3.根据权利要求1或2所述的光纤振动传感器，其特征在于，液体填充光子晶体光纤的填充液体为，在0℃至50℃温度范围内呈液态，且不与光子晶体光纤材质发生化学反应的物质，该缺陷芯光子晶体光纤的占空比在50％～95％之间。

4.根据权利要求1或2所述的振动传感器，其特征在于，液体填充光子晶体光纤和实芯单模光纤距熔接点200μm内的光纤弯曲半径不小于20cm，两种光纤的熔接界面弯曲半径不小于30cm，光子晶体光纤空气孔直径变化在±10％以内，光子晶体光纤两端未被液体填充满的长度不大于8mm且不小于1mm。

5.根据权利要求1或2所述的振动传感器，其特征在于，将输入端实芯单模光纤及输出端的实芯单模光纤固定，使液体填充光子晶体光纤悬空形成简支梁，液体填充光子晶体光纤中填充液体的方式包括全部空气孔填充或部分空气孔填充。

6.根据权利要求5所述的振动传感器，其特征在于，简支梁的固有共振频率f与液体填充光子晶体光纤形成的有效简支梁的长度L的关系为，

其中n为共振阶数，k＝0.5π，M为与波导材料相关的参数，E为液体填充后光子晶体光纤的弹性模量，I为光子晶体光纤材料横截面对弯矩中心轴的惯性矩，I＝(πd⁴)/64，d为梁横截面的直径，m为简支梁单位长度质量。

7.根据权利要求6所述的振动传感器，还包括光源、光电转换器、振动发生装置和示波器，其特征在于，探测光由输入单模光纤导入，在液体填充光子晶体光纤中传输，并由输出单模光纤导出；振动传感器受到外界振动时，简支梁沿振动方向振动，带动液体填充光子晶体光纤产生微弯，导致纤芯中传输的探测光部分向包层耦合泄露并被液体吸收，输出光强减弱；当振动持续时，简支梁周期性振动微弯，输出光强周期性变化，变化周期与振动频率一致，变化幅值与振动强度相关，形成强度调制型光纤振动传感器。

8.根据权利要求1或2所述的光纤振动传感器，其特征在于，所述缺陷芯光子晶体光纤，在石英纤芯的正中心引入了一个空气孔缺陷，其光纤外径为150～200μm，空气填充率为50～90％，纤芯中心的缺陷芯直径为1.7～6.5μm，环形纤芯外径为5～15μm，包层孔直径1.5～7μm，包层孔间距为3～7μm，选用长度为1～10cm。

9.一种权利要求1-8任一项所述振动传感器的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，将缺陷芯光子晶体光纤中填充去离子水；步骤二，将实芯单模光纤跳线作为输入端，与缺陷芯光子晶体光纤一端共轴同心熔接；步骤三，缺陷芯光子晶体光纤另一端以同样方法熔接另一实芯单模光纤，作为强度调制型传感器的输出端；步骤四，将输入端与输出端的的实芯单模光纤跳线粘贴于基底上，使液体填充光子晶体光纤完全悬空，形成简支梁。

10.根据权利要求9所述的振动传感器制作方法，其特征在于，所述步骤一中，放电电极偏移两光纤的接触面，位于实芯单模光纤端面60μm～80μm处，相对放电强度为85，放电次数为2次。