CN109932777A - 一种高灵敏度压力传感光子晶体光纤及其压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度压力传感光子晶体光纤及其压力传感器，包括条形的石英本体，石英本体内的中心位置设有轴向条形且径向为椭圆形的椭圆形通孔，椭圆形通孔内填充有聚碳酸酯形成椭圆形芯区，椭圆形芯区外周分别设有两个对称的长轴通孔和两个对称的短轴通孔，长轴通孔和短轴通孔围成区域的外侧圆周设有多个小通孔，多个小通孔围成区域的外侧圆周设有四个大通孔，大通孔、小通孔、长轴通孔、短轴通孔的直径依次减小。本发明将有机材料聚碳酸酯填充到光纤的石英本体内的椭圆形通孔形成椭圆形芯区，达到破坏包层结构对称性设计的目的，从而实现高双折射性、高压力传感灵敏度、高精度、高稳定性、小体积、易于集成加工的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤通信技术，具体涉及一种光纤传感技术，尤其涉及一种高灵敏度压力传感光子晶体光纤及其压力传感器。
背景技术
压力传感作为一项压力测量技术，其传感器主要包括电学和光纤传感器，电学传感器可以通过将压力信号转换成电压或电流信号来解调压力和电信号之间的关系。光纤传感器由于其结构小、灵敏度高和寿命长等优点，在强电磁干扰、高爆震和易燃性等恶劣的环境下，用于代替电学传感器。
随着光纤通信技术的发展，光纤传感技术成为了一个热门的研究方向且发展迅速。当光在光纤中传输时，由于外界压力的作用，光的强度、相位、频率、偏振态等参量发生变化，就形成了光纤压力传感器。目前，光纤压力传感器已在强度调制、频率调制、相位调制、波长调制、分布式等类型有了相对成熟的研究。不同类型虽在形式上有区别，但在基本原理上是相同的，其基本原理是将光源的光入射到光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生化学变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测数据。
传统的光纤压力传感测量方法为：
脉冲激光器输出激光光束；光束经过滤波器、环形器及耦合器后被分为测量路光信号和参考路光信号；根据各器件对测量路光信号、参考路光信号及其合成信号的记录和延迟间隔的记录，及单模光纤感受到外界压力，两路信号输出至自相关峰间隔等数据进行计算从而得到外界压力的值。
由于传统光纤是实芯结构，且石英材料的杨氏模量很大，所以在压力作用下光纤形变非常小，造成压力传感器形变小、压力灵敏度不高的问题；另外，传统光纤主要成分是二氧化硅，这是一种脆性易碎材料，其抗弯曲性能差、韧性差、弯曲损耗大、温度稳定性差，而且较难通过改善光纤结构提升传感性能。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种高灵敏度压力传感光子晶体光纤及其压力传感器。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种高灵敏度压力传感光子晶体光纤，包括条形的石英本体，所述石英本体内的中心位置设有轴向条形且径向为椭圆形的椭圆形通孔，所述椭圆形通孔内填充有聚碳酸酯形成轴向条形且径向为椭圆形的椭圆形芯区，所述椭圆形芯区外周的长轴两端分别设有两个轴向条形的长轴通孔，所述椭圆形芯区外周的短轴两端分别设有两个轴向条形的短轴通孔，四个所述长轴通孔和四个所述短轴通孔围成区域的外侧圆周设有多个均匀分布且轴向条形的小通孔，多个所述小通孔围成区域的外侧圆周设有四个均匀分布且轴向条形的大通孔，所述大通孔、所述小通孔、所述长轴通孔、所述短轴通孔的直径依次减小。
作为优选，多个所述小通孔形成由内而外的多层结构且每层包括多个所述小通孔。
更优选地，所述石英本体的径向截面圆的直径为125um，所述椭圆形芯区的径向截面椭圆的长半轴长为1.65um，所述椭圆形芯区的径向截面椭圆的短半轴长为0.45um，所述长轴通孔的径向截面圆的直径为1.4um，所述短轴通孔的径向截面圆的直径为1um，相邻两个所述小通孔的径向截面圆的圆心之间的间距为3.3um，所述小通孔的径向截面圆的直径为1.65um，所述大通孔的径向截面圆的半径为18um，所述大通孔的径向截面圆圆心到所述石英本体的径向截面圆圆心之间的距离为35um，所述短轴通孔的径向截面圆圆心与所述椭圆形芯区的径向截面椭圆的短轴之间的距离为0.8um，所述短轴通孔的径向截面圆圆心与所述椭圆形芯区的径向截面椭圆的长轴之间的距离为1.3um，所述长轴通孔的径向截面圆圆心与所述椭圆形芯区的径向截面椭圆的短轴之间的距离为1.9um，所述长轴通孔的径向截面圆圆心与所述椭圆形芯区的径向截面椭圆的长轴之间的距离为0.6um，多个所述小通孔形成由内而外的四层结构。
一种用于高灵敏度压力传感光子晶体光纤压力检测的压力传感器，包括光源、探测器、光纤耦合器、压力传感头和所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤，所述光源通过所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤与所述光纤耦合器的入端连接，所述光纤耦合器的出端通过所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤与所述压力传感头的入端连接，所述压力传感头的出端通过所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤与所述探测器的入端连接。
作为优选，所述压力传感头包括封装外壳、隔振层、空气腔和弹性体，所述封装外壳为夹层结构且其夹层空腔内设有所述隔振层，所述封装外壳的内腔的两端分别由外而内依次设有所述空气腔和所述弹性体，所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤穿过所述封装外壳的内腔的中段部分反复折叠形成若干相互首尾连接的“Z”形段。
本发明的有益效果在于：
本发明采用边孔型光纤结构的光子晶体光纤，将有机材料聚碳酸酯填充到光纤的石英本体内的椭圆形通孔形成椭圆形芯区，达到破坏包层结构对称性设计的目的，从而实现高双折射性、高压力传感灵敏度、高精度、高稳定性、小体积、易于集成加工的有益效果；具体优点如下：
(1)提升光纤应力加载后的形变量，新型边孔型结构与普通双折射光纤相比，提升了占空比，具有较好的热稳定性，有助于对压力的探测，提升压力灵敏度并降低温度对传感性能的影响；
(2)提高光纤的传感灵敏度，选择聚碳酸酯作为芯区填充材料，其具有较高的弹光系数，作为纤芯压力敏感材料，折射率高于石英(即SiO2)的折射率，在光波段有较好的透光性和较小的损耗，可提升小压力下的双折射特性，进而提高光纤的压力传感灵敏度；
(3)解决传统光纤压力传感器在压力作用下形变小和压力灵敏度低等问题，引入高灵敏度压力传感光子晶体光纤作为传感单元，因为高灵敏度压力传感光子晶体光纤具有传统光纤不具备的新特性，如：通过灵活设计包层结构可以得到不同的色散曲线，破坏包层结构对称性实现高灵敏度压力传感光子晶体光纤的高双折射率等，从而无需进行温度补偿，不易受到外界的干扰，使新的光纤压力传感器能够实现更高的精度、敏感性和稳定性；同时解决了传统传感器在传输性能上的不足，如弯曲抗扰能力差、灵敏度低和不能应用于恶劣环境等缺点。
附图说明
图1是本发明所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤的径向剖视结构示意图；
图2是本发明所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤内小通孔围成区域的径向剖视结构示意图；
图3是本发明所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤内长轴通孔和短轴通孔围成区域即填芯区域的径向剖视结构示意图；
图4是本发明所述用于高灵敏度压力传感光子晶体光纤压力检测的压力传感器的结构示意图；
图5是本发明所述压力传感器的压力传感头的结构示意图；
图6是本发明所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤施加静态液体压力时的压力分布示意图；
图7是本发明所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤施加静态液体压力后的应力分布示意图；
图8是本发明所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤施加静态液体压力后的两个正交偏振基模示意图；
图9是本发明所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤在最佳参数情况且所施加压力从0MPa增加到720MPa、步长为40Mpa时其相位模式双折射灵敏度和双折射随着施加压力变化的曲线关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-图3所示，本发明所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤包括条形的石英本体1，石英本体1内的中心位置设有轴向条形且径向为椭圆形的椭圆形通孔(图中未标记)，所述椭圆形通孔内填充有聚碳酸酯形成轴向条形且径向为椭圆形的椭圆形芯区6，椭圆形芯区6外周的长轴两端分别设有两个轴向条形的长轴通孔7，椭圆形芯区6外周的短轴两端分别设有两个轴向条形的短轴通孔5，四个长轴通孔7和四个短轴通孔5围成区域的外侧圆周设有多个均匀分布且轴向条形的小通孔3，多个小通孔3形成由内而外的四层结构且每层包括多个小通孔3，多个小通孔3围成区域的外侧圆周设有四个均匀分布且轴向条形的大通孔2，大通孔2、小通孔3、长轴通孔7、短轴通孔5的直径依次减小；四个长轴通孔7、四个短轴通孔5和椭圆形芯区6共同构成填芯区域4。
如图1-图3所示，作为优选，石英本体1的径向截面圆的直径D为125um，椭圆形芯区6的径向截面椭圆的长半轴a的长度为1.65um，椭圆形芯区6的径向截面椭圆的短半轴b的长度为0.45um，长轴通孔7的径向截面圆的直径为1.4um，短轴通孔5的径向截面圆的直径为1um，相邻两个小通孔3的径向截面圆的圆心之间的间距∧为3.3um，小通孔3的径向截面圆的直径d为1.65um，大通孔2的径向截面圆的半径R为18um，大通孔2的径向截面圆圆心到石英本体的径向截面圆圆心之间的距离d1为35um，短轴通孔5的径向截面圆圆心与椭圆形芯区6的径向截面椭圆的短轴之间的距离x2为0.8um，短轴通孔5的径向截面圆圆心与椭圆形芯区6的径向截面椭圆的长轴之间的距离y2为1.3um，长轴通孔7的径向截面圆圆心与椭圆形芯区6的径向截面椭圆的短轴之间的距离x3为1.9um，长轴通孔7的径向截面圆圆心与椭圆形芯区6的径向截面椭圆的长轴之间的距离y3为0.6um，多个小通孔3形成由内而外的四层结构；上述优选结构能实现所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤的双折射高达1.11×10-2。
如图4所示，本发明所述用于高灵敏度压力传感光子晶体光纤压力检测的压力传感器包括光源10、探测器12、光纤耦合器11、压力传感头9和所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤8(这里用8标记上述高灵敏度压力传感光子晶体光纤，以便于描述包括高灵敏度压力传感光子晶体光纤8在内的压力传感器的结构)，光源10通过所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤8与光纤耦合器11的入端连接，光纤耦合器11的出端通过所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤8与压力传感头9的入端连接，压力传感头9的出端通过所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤8与探测器12的入端连接。
如图5所示，所述压力传感头9包括封装外壳94、隔振层95、空气腔91和弹性体92，封装外壳94为夹层结构且其夹层空腔内设有隔振层95，封装外壳94的内腔的两端分别由外而内依次设有空气腔91和弹性体92，所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤8穿过封装外壳94的内腔的中段部分反复折叠形成若干相互首尾连接的“Z”形段93。隔振层95可以为玻璃纤维或橡胶等。
下面以对所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤8施加静态液体压力为例说明其压力感应过程。
如图6所示，静态液体压力是从所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤8四周各个方向指向其中心。
图7示出了所述压力传感器中的所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤8施加静态液体压力后的应力分布；图8是所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤8施加静态液体压力后的两个正交偏振基模。
数值计算表明，所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤8在没有外界干扰情况下，各通孔的大小和位置、相邻两个小通孔3的径向截面圆的圆心之间的间距即自由空间波长∧对相位模式双折射灵敏度特性都有较大的影响。当各参数如下：椭圆形芯区6的径向截面椭圆的长半轴a的长度为1.65um，椭圆形芯区6的径向截面椭圆的短半轴b的长度为0.45um，长轴通孔7的径向截面圆的直径为1.4um，短轴通孔5的径向截面圆的直径为1um，相邻两个小通孔3的径向截面圆的圆心之间的间距∧为3.3um，小通孔3的径向截面圆的直径d为1.65um，大通孔2的径向截面圆的半径R为18um，大通孔2的径向截面圆圆心到石英本体的径向截面圆圆心之间的距离d1为35um，短轴通孔5的径向截面圆圆心与椭圆形芯区6的径向截面椭圆的短轴之间的距离x2为0.8um，短轴通孔5的径向截面圆圆心与椭圆形芯区6的径向截面椭圆的长轴之间的距离y2为1.3um，长轴通孔7的径向截面圆圆心与椭圆形芯区6的径向截面椭圆的短轴之间的距离x3为1.9um，长轴通孔7的径向截面圆圆心与椭圆形芯区6的径向截面椭圆的长轴之间的距离y3为0.6um，多个小通孔3形成由内而外的四层结构，且在压力为200MPa时，双折射高达1.61×10-2，相位模式双折射灵敏度高达4.1×10-5MPa-1，偏振相位灵敏度高达166.2rad/MPa·m。
如图9所示，当所施加压力超过720MPa时，两个正交偏振基模将消失，因此本文模型所能施加的最大压力为720MPa，其双折射与所施加压力呈线性关系，相位模式双折射灵敏度基本保持在4.1×10-5MPa-1左右，该传感器结构在测量范围内性能较为稳定。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
Claims (5)
1.一种高灵敏度压力传感光子晶体光纤，包括条形的石英本体，其特征在于：所述石英本体内的中心位置设有轴向条形且径向为椭圆形的椭圆形通孔，所述椭圆形通孔内填充有聚碳酸酯形成轴向条形且径向为椭圆形的椭圆形芯区，所述椭圆形芯区外周的长轴两端分别设有两个轴向条形的长轴通孔，所述椭圆形芯区外周的短轴两端分别设有两个轴向条形的短轴通孔，四个所述长轴通孔和四个所述短轴通孔围成区域的外侧圆周设有多个均匀分布且轴向条形的小通孔，多个所述小通孔围成区域的外侧圆周设有四个均匀分布且轴向条形的大通孔，所述大通孔、所述小通孔、所述长轴通孔、所述短轴通孔的直径依次减小。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度压力传感光子晶体光纤，其特征在于：多个所述小通孔形成由内而外的多层结构且每层包括多个所述小通孔。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度压力传感光子晶体光纤，其特征在于：所述石英本体的径向截面圆的直径为125um，所述椭圆形芯区的径向截面椭圆的长半轴长为1.65um，所述椭圆形芯区的径向截面椭圆的短半轴长为0.45um，所述长轴通孔的径向截面圆的直径为1.4um，所述短轴通孔的径向截面圆的直径为1um，相邻两个所述小通孔的径向截面圆的圆心之间的间距为3.3um，所述小通孔的径向截面圆的直径为1.65um，所述大通孔的径向截面圆的半径为18um，所述大通孔的径向截面圆圆心到所述石英本体的径向截面圆圆心之间的距离为35um，所述短轴通孔的径向截面圆圆心与所述椭圆形芯区的径向截面椭圆的短轴之间的距离为0.8um，所述短轴通孔的径向截面圆圆心与所述椭圆形芯区的径向截面椭圆的长轴之间的距离为1.3um，所述长轴通孔的径向截面圆圆心与所述椭圆形芯区的径向截面椭圆的短轴之间的距离为1.9um，所述长轴通孔的径向截面圆圆心与所述椭圆形芯区的径向截面椭圆的长轴之间的距离为0.6um，多个所述小通孔形成由内而外的四层结构。
4.一种用于如权利要求1所述的高灵敏度压力传感光子晶体光纤压力检测的压力传感器，其特征在于：包括光源、探测器、光纤耦合器、压力传感头和所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤，所述光源通过所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤与所述光纤耦合器的入端连接，所述光纤耦合器的出端通过所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤与所述压力传感头的入端连接，所述压力传感头的出端通过所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤与所述探测器的入端连接。
5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于：所述压力传感头包括封装外壳、隔振层、空气腔和弹性体，所述封装外壳为夹层结构且其夹层空腔内设有所述隔振层，所述封装外壳的内腔的两端分别由外而内依次设有所述空气腔和所述弹性体，所述高灵敏度压力传感光子晶体光纤穿过所述封装外壳的内腔的中段部分反复折叠形成若干相互首尾连接的“Z”形段。
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