CN109633810A - 一种用于振动测量的光子晶体光纤及光纤振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种用于振动测量的光子晶体光纤及光纤振动传感器，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，分别作为输入端和反射面。得益于本发明中的空芯光子晶体光纤结构及所提出的光子晶体光纤与实芯光纤精准熔接的技术方法，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小于0.6μm，可以获得法布里‑珀罗干涉仪，具有较好的谱型质量和稳定性，且用于振动传感测量可获得有益效果：能够实现较宽频率范围和较高准确度的测量，并且对多种振动信号如单频乃至多频都有较好的响应。

Description

一种用于振动测量的光子晶体光纤及光纤振动传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种用于振动测量的光子晶体光纤及光纤振动传感器。

背景技术

振动传感器在现今社会拥有广泛的应用领域，如地震火山相关的环境监测、建筑物的结构健康监测、工业生产中高精度机械结构的稳定性测量等许多行业领域中具有重要的应用价值。振动传感器的种类繁多，相比于传统的机械式及电磁式振动传感器，基于光纤结构的振动传感器作为一种特殊的振动传感器，由于具有重量小，抗电磁干扰，抗腐蚀，易于远程监测等优点得到了广泛的关注与研究，也是未来传感器的一个重要的研究方向。

Kagomé光子晶体光纤(KagoméPhotonic Crystal Fiber，简称KagoméPCF)是一种特殊类型的空芯光子晶体光纤具有不完整的光子带隙，其导光机理是基于反谐振光波导理论。传输光被很好地限制在Kagomé光子晶体光纤的空气纤芯中，只有很少的光泄露在包层空气孔区域。在1550nm波段，第一高阶模的限制损耗约为基模的限制损耗的十倍以上。由此可知，在一段较短的空芯光子晶体光纤中，高阶模虽然被激发，但是由于其损耗远远高于基模，可参与干涉的模式数也相对较少，因此基本可以忽略高阶模的影响。因此该光纤结构有利于构造模式干扰少的干涉型光纤传感器。

专利CN201710674056发明了一种基于Kagomé光子晶体光纤的振动传感器，不同的是，该传感器基于马赫-曾德尔(Mach–Zehnder，简称MZ)干涉原理，将传感光路和参考光路整合在Kagomé光子晶体光纤中，运用空气中的模式和石英中的模式作为MZ干涉的两个干涉臂，从而进行相互干涉，提取被测物理量的变化信号。专利CN200810233227.5发明了一种全光纤微型法布里-珀罗(Fabry-Perot，简称FP)加速度传感器。该发明将普通单模光纤、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利用激光微加工形成若干扇形通孔，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，在振动块端面镀银膜。但该发明没有利用光子晶体光纤本身的结构特性，需要复杂的激光加工以及镀膜程序，仅将所得结构作振动块以及FP反射面，制备程序复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于振动测量的光子晶体光纤及光纤振动传感器，能够实现较宽频率范围和较高准确度的测量，并且对多种振动信号如单频乃至多频都有较好的响应。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种光子晶体光纤，该光纤为Kagomé(Kagome，即卡戈薇)光子晶体光纤，其裸纤直径为100～300μm，空气孔纤芯的直径为10～40μm，纤芯壁厚度为0.1～0.6μm。

按上述技术方案，该光子晶体光纤为石英玻璃材质且占空比高于90％。

本发明还提供一种光纤振动传感器，光子晶体光纤的两端分别共轴同心熔接实芯单模光纤(SMF)，分别作为FP干涉仪输入端和反射面。

按上述技术方案，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，两种光纤界面弯曲半径不小于30cm，空气孔直径变化小于0.6μm。

按上述技术方案，输入端实芯单模光纤及反射面实芯单模光纤的光纤直径为125μm，纤芯直径为8～10μm；光子晶体光纤长度为1～10cm，光子晶体光纤直径与输入端实芯单模光纤及反射面实芯单模光纤相同或相差在±10μm以内，纤芯直径为5～20μm；输入单模光纤与Kagomé光子晶体光纤在熔接点处形成FP干涉仪的第一个反射面，长度0.5～2mm的单模光纤与Kagomé光子晶体光纤另一端的熔接点处形成第二个反射面。

按上述技术方案，该振动传感的测量还包括光源、衰减器、光纤环形器、光电转换器、振动发生装置和示波器，入射光由输入端实芯单模光纤输入，传输经过光子晶体光纤FP干涉仪，反射的光信号经光纤环形器输出，经光电转换器转换成电信号后由示波器采集。

本发明还提供一种光子晶体光纤与实芯光纤的熔接方法，首先去除待熔接光纤的外涂覆层，然后对其端面进行切割，最后进行光纤熔接，熔接环境温度为16～25℃，相对湿度为40～70％RH。

本发明还提供一种光纤振动传感器的制作方法，该方法包括以下步骤，步骤一，将实芯单模光纤跳线作为输入端，与Kagomé光子晶体光纤一端共轴同心熔接，为了避免熔接处光子晶体光纤空气孔的熔塌，放电电极偏移两光纤的接触面；步骤二，Kagomé光子晶体光纤另一端以同样方法熔接约0.5～2mm的实芯单模光纤，作为FP干涉仪的另一个反射面，Kagomé光子晶体光纤部分为FP腔；步骤三，封装。

传感器焊接点的评价方法为：在光学显微镜下观察所得的FP焊接点，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，空气孔直径变化小于0.6μm。

熔接点处的弯曲半径，会影响传感器的性能。弯曲半径太小，会造成：1)FP腔的有效腔长判断受影响；2)弯曲会形成材料受力不均匀，易造成传感结构形成缺陷或者断裂；3)弯曲会造成光泄漏到包层区域，形成模式干扰。

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70～100，优选80，放电次数为2次。

按上述技术方案，所述步骤三中，光纤振动传感器的封装方法具体为，将步骤二熔接所得的FP干涉仪传感器结构平整地放置于条状的平整基底上，基底宽度为4～6cm，长度为15～30cm，将FP干涉仪传感结构粘贴于基底之上。

本发明产生的有益效果是：本发明提供了一种空芯光子晶体光纤及该光子晶体光纤与实芯光纤精准熔接的技术方法，可以用于获得法布里-珀罗干涉仪，具有较好的谱型质量和稳定性，且用于振动传感测量可获得有益效果：能够实现较宽频率范围和较高准确度的测量，并且对多种振动信号如单频乃至多频都有较好的响应。

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Kagomé光子晶体光纤端面结构图；

图2为本发明实施例中光纤FP传感器结构示意图；

图3为本发明实施例中振动传感系统示意图；

图4为本发明实施例中传感器在2000Hz正弦振动下时域谱图经FFT变换之后的频域谱图；

图5为本发明实施例中传感器在200Hz和300Hz混频振动下FFT时域谱图变换之后的频域谱图；

图中1—输入单模光纤，2—Kagomé光子晶体光纤，3—单模光纤反射面，4—光纤FP传感器，5—光源，6—衰减器，7—光纤环形器，8—光电转换器，9—振动发生装置，10—示波器。

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，如图1所示，首先提供一种用于振动测量的光子晶体光纤，该光纤为Kagomé光子晶体光纤，其裸纤直径为100～300μm，空气孔纤芯的直径为10～40μm，纤芯壁厚度为0.1～0.6μm。该光子晶体光纤的占空比高于90％。该Kagomé光子晶体光纤为石英玻璃材质，长度为5～20cm。

光子晶体光纤与实芯光纤熔接时，首先利用锋利刀片去除光子晶体光纤的外涂覆层，用蘸有无水乙醇的无尘纸擦拭表面灰尘，再用陶瓷片对其端面进行切割，在光学显微镜下观察截面，要求得出的端面平整且微孔结构无破损。然后，在实验室减震平台上，采用古河S177熔接机对光子晶体光纤和实芯光纤端面进行熔接，单模光纤的切割采用古河S325A光纤切割刀。传感器精准熔接的室内工作环境温度为16～25℃，相对湿度为40～70％RH。

本发明实施例中还提供一种光子晶体光纤的光纤振动传感器，如图2所示，光子晶体光纤2的两端分别共轴同心熔接实芯单模光纤跳线，分别作为法布里-珀罗(Fabry-Perot，简称FP)干涉仪的输入端1和反射面3。输入端实芯单模光纤1及反射面实芯单模光纤3采用普通商用单模光纤，光纤直径为125μm，纤芯直径为8～10μm；光子晶体光纤2长度为1～10cm，光子晶体光纤直径与输入端实芯单模光纤及反射面实芯单模光纤相同或相差在±10μm以内，纤芯直径为5～20μm；输入单模光纤与Kagomé光子晶体光纤在熔接点处形成FP干涉仪的第一个反射面，长度0.5～2mm的单模光纤与Kagomé光子晶体光纤2另一端的熔接点处形成第二个反射面。

如图3所示，该振动传感的测量还包括光源5、衰减器6、光纤环形器7、光电转换器8、振动发生装置9和示波器10，入射光由输入端实芯单模光纤输入1，传输经过光子晶体光纤FP干涉仪4，反射的光信号经光纤环形器7输出，经光电转换器8转换成电信号后由示波器10采集。

本发明实施例中，制作光纤振动传感器时，采用以下步骤，步骤一，将实芯单模光纤跳线作为输入端，与Kagomé光子晶体光纤一端共轴同心熔接，为了避免熔接处光子晶体光纤空气孔的熔塌，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70～100，优选80，放电次数为2次。步骤二，Kagomé光子晶体光纤另一端以同样方法熔接约0.5～2mm的实芯单模光纤，作为FP干涉仪的另一个反射面，Kagomé光子晶体光纤部分为FP腔。传感器焊接点的评价方法为：在光学显微镜下观察所得的FP焊接点，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，空气孔直径变化小于0.6μm；步骤三，光纤振动传感器的封装方法具体为，将步骤二熔接所得的FPI传感器结构平整地放置于条状的平整基底上，基底宽度为4～6cm，长度为15～30cm，为使基底传输的振动信号高效地作用于传感器，本发明采用AB胶，将FP干涉仪传感结构粘贴于基底之上。涂胶的区域避开单模光纤与Kagomé光子晶体光纤的焊接点处0.5cm～1cm，避免胶水固化的张力影响焊点的质量。涂胶完成后静置固化1小时以上，再将粘贴于基底的传感器平整地粘贴在激振器的振动臂上，则完成传感器的封装与固定。

本发明的振动测量中，对该传感器施加频率在2000Hz的单一正弦振动信号，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。对时域谱图进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，简称FFT)后，在频谱内出现一个信号峰，如图4所示，峰值波长准确对应2000Hz，且信噪比高，因此所述传感器可以有效测量振动频率。上述2000Hz的单频只是一个典型例子，在1Hz至30000Hz的低频、中频直至高频范围内，本发明所述传感系统能够准确地测量外界振动频率，经FFT后的频域谱图的峰值波长与外界振动频率相对应，且线性度达到100％。

本发明光纤振动传感器对混频也有很好的响应，振动发生装置同时输出两个不同的振动频率作用于传感器，且为了避免谐波导致的倍频或差频的产生对信号分析产生干扰，同一组输出的两个频率不为倍频或者差频关系。如图5所示，当输入频率为200Hz和300Hz时，示波器上检测到的时域信号相比单频而言更混杂，这是由于两个振动信号波之间的相互干扰导致的。将示波器上显示的时域信号经过FFT处理后，在频域谱图上能够清楚地看到有两个明显的信号峰，峰值波长准确对应200Hz和300Hz，且都有较高的信噪比。这说明该传感器能够很好地检测输入的双频乃至三频、四频的振动信号，传感器对振动信号的分辨能力较强。

进一步地，当输入三频或者四频时，在保证输入的频率不为倍频和差频关系情况下，如70Hz，90Hz，130Hz。将所得的时域信号经过FFT处理后，该三个信号峰都有较高的信噪比，信号峰的峰值能量与噪声能量差在15dB以上，则传感器仍然能够有效地分辨输入振动频率信号。因此本发明所提出的传感器可以作为多频振动信号检测器。

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)

1.一种光子晶体光纤，其特征在于，该光纤为Kagomé光子晶体光纤，其裸纤直径为100～300μm，空气孔纤芯的直径为10～40μm，纤芯壁厚度为0.1～0.6μm。

2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，该光子晶体光纤为石英玻璃材质且占空比高于90％。

3.一种基于权利要求1所述光子晶体光纤的光纤振动传感器，其特征在于，光子晶体光纤的两端分别共轴同心熔接实芯单模光纤，分别作为FP干涉仪输入端和反射面。

4.根据权利要求3所述的光纤振动传感器，其特征在于，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，两种光纤界面弯曲半径不小于30cm，空气孔直径变化小于0.6μm。

5.根据权利要求3或4所述的光纤振动传感器，其特征在于，输入端实芯单模光纤及反射面实芯单模光纤的光纤直径为125μm，纤芯直径为8～10μm；光子晶体光纤长度为1～10cm，光子晶体光纤直径与输入端实芯单模光纤及反射面实芯单模光纤相同或相差在±10μm以内，纤芯直径为5～20μm；输入单模光纤与Kagomé光子晶体光纤在熔接点处形成FP干涉仪的第一个反射面，长度0.5～2mm的单模光纤与Kagomé光子晶体光纤另一端的熔接点处形成第二个反射面。

6.根据权利要求3或4所述的光纤振动传感器，其特征在于，该振动传感的测量还包括光源、衰减器、光纤环形器、光电转换器、振动发生装置和示波器，入射光由输入端实芯单模光纤输入，传输经过光子晶体光纤FP干涉仪，反射的光信号经光纤环形器输出，经光电转换器转换成电信号后由示波器采集。

7.一种权利要求1所述的光子晶体光纤与实芯光纤的熔接方法，其特征在于，首先去除待熔接光纤的外涂覆层，然后对其端面进行切割，最后进行光纤熔接，熔接环境温度为16～25℃，相对湿度为40～70％RH。

8.一种权利要求3-6任一项所述光纤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，将实芯单模光纤跳线作为输入端，与Kagomé光子晶体光纤一端共轴同心熔接；步骤二，Kagomé光子晶体光纤另一端以同样方法熔接约0.5～2mm的实芯单模光纤，作为FP干涉仪的另一个反射面，Kagomé光子晶体光纤部分为FP腔；步骤三，封装。

9.根据权利要求8所述的光纤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70～100，优选80，放电次数为2次。

10.根据权利要求8所述的光纤振动传感器制作方法，其特征在于，所述步骤三中，光纤振动传感器的封装方法具体为，将步骤二熔接所得的FP干涉仪传感器结构平整地放置于条状的平整基底上，基底宽度为4～6cm，长度为15～30cm，将FP干涉仪传感结构粘贴于基底之上。