CN110031139B - 一种接触型线性应力传感器及其应力检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器及其应力检测方法，包括输入通道、输入平板波导、特定根数单模波导构成的阵列波导光栅、输出平板波导、输出通道；阵列波导光栅，将构成其的特定根单模波导所属的矩形区域作为折射率敏感区域，即应力接触检测区。本发明接触型线性应力传感器，巧妙利用阵列波导光栅(AWG)对波长敏感的分波特性，即波导芯层有效折射率改变带来相邻波导内不同波长光的相位差的改变，经输出通道波导输出后，不同波导芯层有效折射率对应不同中心波长，实现器件的应力检测的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器及其应力检测方法，属于应力检测技术领域。
背景技术
随着科技的进步和发展，传感技术的应用也越来越普遍，其作为一种采集信息的方式，被广泛的运用于各个领域，现在已经成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志。其中应力传感器作为最常用的传感器，广泛用各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道、海洋等众多行业和领域。
目前，在军事领域，比如航天器材、飞机等领域应力的控制及监测，海洋领域以及健康状态监测等领域，对应力传感器的性能提出更高的要求，尤其是为了满足社会需求,对应力传感器的精度、敏感度、稳定性等要求也越来越高，目前，用于测应力的传感器有光纤光栅应力传感器、硅基光学MEMS压力传感器、电容式应力传感器、谐振式应力传感器等，现有技术中的光学传感器易受光源变化的影响，如常用的马赫曾德(M-Z)干涉型光学压力传感器的测量结果受光源衰减、波长漂移等的影响大；硅基光学MEMS压力传感器主要通过输出光强的变化来检测压强的大小,但是压强和光强之间为非线性关系，所以该传感器为非线性的。
现如今，利用折射率变化来测量应力已成为一种趋势，由于它不易改变被测物质本身的性质以及损耗低等优势得到广泛应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器。
本发明还提供一种利用上述接触型线性应力传感器进行应力检测的方法。
本发明的技术方案为：
一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器，包括依次连接的光信号输入模块、阵列波导光栅、光谱检测模块；所述光信号输入模块用于为应力检测提供宽谱光信号，所述阵列波导光栅为施力物体接触区域，所述光谱检测模块用于检测输出信号的波长大小。
根据本发明优选的，所述阵列波导光栅包括依次连接的输入通道、输入平板波导、若干根单模波导、输出平板波导、输出通道；所述光信号输入模块连接所述输入通道，所述输出通道连接所述光谱检测模块；每一根所述单模波导的两端分别连接所述输入平板波导、所述输出平板波导；
若干根单模波导构成的阵列区封装成矩形区域，作为折射率敏感区域，即应力接触检测区；
所述折射率敏感区域为施力物体接触区域。
根据本发明优选的，所述单模波导从下至上依次包括基底、下限制层、波导芯层和上限制层。
由于材料具有光弹性效应，当材料所受的外力发生改变时，阵列波导光栅在外力的作用下产生应变，应变又导致阵列波导光栅的各向异性，从而引起光学各项异性，折射率发生改变，即光弹效应。阵列波导光栅的中心波长由光栅方程ncΔL＝mλ0可以得到，其中nc为波导有效折射率，ΔL为相邻阵列波导的长度差值，m为衍射级数。当有外力施加时，在光弹效应的影响下，由特定根单模波导构成的阵列波导光栅的中心波长发生漂移，波导的有效折射率nc发生变化，变化量记为δn；此时加入折射率修正项的光栅方程为(nc+δn)ΔL＝mλ1，定义Δλ＝λ1-λ0＝δn/m为波长漂移量。可见，当施加应力时，有效折射率发生改变，中心波长就会发生偏移，通过检测中心波长的偏移量Δλ，即可检测由应力所造成的相位变化，由此达到检测应力的目的。
根据本发明优选的，所述基底为长方体。
根据本发明优选的，所述基底的厚度为500um，所述上限制层和所述下限制层的厚度均为18-22μm，所述波导芯层厚度为0.5μm-8μm；
进一步优选的，所述上限制层和所述下限制层的厚度均为20μm。
根据本发明优选的，所述基底的材料为硅、二氧化硅或聚甲基丙烯酸甲酯；硅、二氧化硅以及聚甲基丙烯酸甲酯等材料物理化学性能稳定，且制备工艺也相对成熟，均是制备光波导器件的可行选择。
所述上限制层、下限制层的材料为硅、二氧化硅或铌酸锂；
所述波导芯层的材料为掺杂硅；
根据本发明优选的，所述单模波导为条形波导或脊波导，所述单模波导的宽度为0.5μm-8μm，所述单模波导的厚度为0.5μm-8μm。在此范围内，能够形成单模波导。
一种利用上述接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，包括步骤如下：
(1)在未施加应力时，将宽谱光透过构建的接触型线性应力传感器，用频谱分析仪分析接触型线性应力传感器的输出光谱，得到未施加应力时对应的有效折射率下器件的中心波长λ1；
(2)由于材料具有光弹性效应，当材料所受的外力发生改变时，阵列波导光栅在外力的作用下产生应变，应变又导致阵列波导光栅的各向异性，从而引起光学各项异性，折射率发生改变，即光弹效应。对折射率敏感区域施加应力，将宽谱光透过构建的接触型线性应力传感器，用频谱分析仪分析接触型线性应力传感器的输出光谱，得到当前应力下对应的有效折射率下器件的中心波长λ2；
(3)当有外力施加时，在光弹效应的影响下，由特定根单模波导构成的阵列波导光栅的中心波长发生漂移，设定步骤(1)得到的未施加应力时对应的有效折射率下器件的中心波长为λ1，步骤(2)得到的当前应力下对应的有效折射率下器件的中心波长为λ2；
通过式(I)得出当前中心波长漂移的漂移量Δλ：
Δλ＝λ2-λ1 (I)
通过式(II)得到有效折射率的变化量δn：
Δλ＝δnΔL/m (II)
式(II)中，ΔL为相邻阵列波导的长度差值，m为衍射级数，δn为有效折射率nc的变化量；通过式(III)得到应力的σ的大小：
δn＝κσ (III)
式(III)中，κ为比例系数，与材料的性质有关，σ为应力大小。可见，当施加应力时，有效折射率发生改变，中心波长就会发生偏移，通过检测中心波长的偏移量Δλ，即可检测由应力所造成的相位变化，由此达到检测应力的目的。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中器件的中心波长λ1的求取公式如式(IV)所示：
ncΔL＝mλ1 (IV)
式(II)中，nc为波导有效折射率，ΔL为相邻阵列波导的长度差值，m为衍射级数。
根据本发明优选的，所述步骤(2)中器件的中心波长λ2的求取公式如式(V)所示：
波导的有效折射率nc发生变化，变化量记为δn，加入折射率修正项的光栅方程如式(V)所示：
(nc+δn)ΔL＝mλ2 (V)
式(III)中，nc为有效折射率，δn为有效折射率nc的变化量，ΔL为相邻阵列波导的长度差值，m为衍射级数。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述接触型线性应力传感器，巧妙利用阵列波导光栅(AWG)对波长敏感的分波特性，即波导芯层有效折射率改变带来相邻波导内不同波长光的相位差的改变，经输出通道波导输出后，不同波导芯层有效折射率对应不同中心波长，实现器件的应力检测的功能。
2、本发明所述接触型线性应力传感器，基于阵列波导光栅的光弹性效应，波长漂移量与有效折射率的变化成线性关系，实现器件对应力大小的线性检测。
3、本发明所述接触型线性应力传感器，提出了对特定偏振态有效的单模波导，通过利用此单模波导构成上述传感器的阵列波导光栅，有效克服了双折射引起的器件的偏振不敏感特性不利于实现的问题。
4、本发明所述接触型线性应力传感器，利用光弹效应来测量应力的大小，因而不会改变施力物体本身的性质。
5、本发明所述接触性线性应力传感器，利用光弹效应，通过波长的漂移量来测量应力的大小，因此，光源老化、功率衰减、波长漂移均不影响测量结果。因为波长漂移量与有效折射率变化量成线性关系，有效折射率变化量与应力大小成线性关系，因此，本发明所述接触性线性应力传感器为线性应力传感器。
6、本发明所述接触型线性应力传感器，基于阵列波导光栅的干涉原理，因此零功耗，无耗能产生。
7、本发明所述接触性线性应力传感器，体积小，使用场景灵活。
附图说明
图1为本发明基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器的单模波导截面图；
图2为本发明阵列波导光栅的结构示意图；
图3为本发明基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器的俯视图；
图4为本发明基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器的整体结构示意图；
1、上限制层；2、下限制层；3、基底；4、波导芯层；5、折射率敏感区域；6、单模波导，7、输入通道；8、输入平板波导；9、输出平板波导；10、输出通道；11、光信号输入模块；12、光谱检测模块。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器，如图4所示，包括依次连接的光信号输入模块11、阵列波导光栅、光谱检测模块12；宽谱光信号输入模块11内部集成宽带卤素光纤照明器，其功能是为传感器提供宽谱光源，光谱信号检测模块12内部集成小型CCD光谱仪，其功能是对阵列波导光栅输出光谱的漂移进行检测；
光信号输入模块11用于为应力检测提供宽谱光信号，阵列波导光栅为施力物体接触区域，光谱检测模块12用于检测输出信号的波长大小。
实施例2
根据实施例1所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器，其区别在于：
如图2、图3所示，阵列波导光栅包括依次连接的输入通道7、输入平板波导8、若干根单模波导6、输出平板波导9、输出通道10；光信号输入模块11连接输入通道7，输出通道10连接光谱检测模块12；每一根单模波导6的两端分别连接输入平板波导8、输出平板波导9；
若干根单模波导6构成的阵列区封装成矩形区域，作为折射率敏感区域5，即应力接触检测区；
折射率敏感区域5为施力物体接触区域。
如图1所示，单模波导6从下至上依次包括基底3、下限制层2、波导芯层4和上限制层1。
由于材料具有光弹性效应，当材料所受的外力发生改变时，阵列波导光栅在外力的作用下产生应变，应变又导致阵列波导光栅的各向异性，从而引起光学各项异性，折射率发生改变，即光弹效应。阵列波导光栅的中心波长由光栅方程ncΔL＝mλ0可以得到，其中nc为波导有效折射率，△L为相邻阵列波导的长度差值，m为衍射级数。当有外力施加时，在光弹效应的影响下，由特定根单模波导6构成的阵列波导光栅的中心波长发生漂移，波导的有效折射率nc发生变化，变化量记为δn；此时加入折射率修正项的光栅方程为(nc+δn)ΔL＝mλ1，定义Δλ＝λ1-λ0＝δn/m为波长漂移量。可见，当施加应力时，有效折射率发生改变，中心波长就会发生偏移，通过检测中心波长的偏移量Δλ，即可检测由应力所造成的相位变化，由此达到检测应力的目的。
基底3长方体。
基底3的厚度为500um，上限制层1和下限制层2的厚度均为20μm，波导芯层4厚度为0.5μm-8μm；
基底3的材料为硅、二氧化硅或聚甲基丙烯酸甲酯；硅、二氧化硅以及聚甲基丙烯酸甲酯等材料物理化学性能稳定，且制备工艺也相对成熟，均是制备光波导器件的可行选择。
上限制层1、下限制层2的材料为硅、二氧化硅或铌酸锂；
波导芯层4的材料为掺杂硅；
单模波导6为条形波导或脊波导，单模波导6的宽度为0.5μm-8μm，单模波导6的厚度为0.5μm-8μm。在此范围内，能够形成单模波导。
实施例3
根据实施例2所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器，其区别在于：单模波导6的宽度为2μm，单模波导6的厚度为1μm。
实施例4
根据实施例2所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器，其区别在于：阵列波导光栅衍射级数m＝50，中心波长为532nm。
实施例5
一种利用实施例2-4任一所述的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，包括步骤如下：
(1)在未施加应力时，将宽谱光透过构建的接触型线性应力传感器，用频谱分析仪分析接触型线性应力传感器的输出光谱，得到未施加应力时对应的有效折射率下器件的中心波长λ1；器件的中心波长λ1的求取公式如式(Ⅳ)所示：
ncΔL＝mλ1 (Ⅳ)
式(II)中，nc为波导有效折射率，△L为相邻阵列波导的长度差值，m为衍射级数。
(2)由于材料具有光弹性效应，当材料所受的外力发生改变时，阵列波导光栅在外力的作用下产生应变，应变又导致阵列波导光栅的各向异性，从而引起光学各项异性，折射率发生改变，即光弹效应。对折射率敏感区域5施加应力，将宽谱光透过构建的接触型线性应力传感器，用频谱分析仪分析接触型线性应力传感器的输出光谱，得到当前应力下对应的有效折射率下器件的中心波长λ2；器件的中心波长λ2的求取公式如式(Ⅴ)所示：
波导的有效折射率nc发生变化，变化量记为δn，加入折射率修正项的光栅方程如式(Ⅴ)所示：
(nc+δn)ΔL＝mλ2 (Ⅴ)
式(Ⅲ)中，nc为有效折射率，δn为有效折射率nc的变化量，△L为相邻阵列波导的长度差值，m为衍射级数。
(3)当有外力施加时，在光弹效应的影响下，由特定根单模波导6构成的阵列波导光栅的中心波长发生漂移，设定步骤(1)得到的未施加应力时对应的有效折射率下器件的中心波长为λ1，步骤(2)得到的当前应力下对应的有效折射率下器件的中心波长为λ2；
通过式(Ⅰ)得出当前中心波长漂移的漂移量Δλ：
Δλ＝λ2-λ1 (Ⅰ)
通过式(II)得到有效折射率的变化量δn：
Δλ＝δnΔL/m (II)
式(II)中，△L为相邻阵列波导的长度差值，m为衍射级数，δn为有效折射率nc的变化量；通过式(Ⅲ)得到应力的σ的大小：
δn＝κσ (Ⅲ)
式(Ⅲ)中，κ为比例系数，与材料的性质有关，σ为应力大小。可见，当施加应力时，有效折射率发生改变，中心波长就会发生偏移，通过检测中心波长的偏移量Δλ，即可检测由应力所造成的相位变化，由此达到检测应力的目的。
Claims (9)
1.一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，包括依次连接的光信号输入模块、阵列波导光栅、光谱检测模块；所述光信号输入模块用于为应力检测提供宽谱光信号，所述阵列波导光栅为施力物体接触区域，所述光谱检测模块用于检测输出信号的波长大小；
所述阵列波导光栅包括依次连接的输入通道、输入平板波导、若干根单模波导、输出平板波导、输出通道；所述光信号输入模块连接所述输入通道，所述输出通道连接所述光谱检测模块；每一根所述单模波导的两端分别连接所述输入平板波导、所述输出平板波导；若干根单模波导构成的阵列区封装成矩形区域，作为折射率敏感区域，即应力接触检测区；所述折射率敏感区域为施力物体接触区域；
包括步骤如下：
(1)在未施加应力时，将宽谱光透过构建的接触型线性应力传感器，用频谱分析仪分析接触型线性应力传感器的输出光谱，得到未施加应力时对应的有效折射率下器件的中心波长λ1；
(2)对折射率敏感区域施加应力，将宽谱光透过构建的接触型线性应力传感器，用频谱分析仪分析接触型线性应力传感器的输出光谱，得到当前应力下对应的有效折射率下器件的中心波长λ2；
(3)设定步骤(1)得到的未施加应力时对应的有效折射率下器件的中心波长为λ1，步骤(2)得到的当前应力下对应的有效折射率下器件的中心波长为λ2；
通过式Ⅰ得出当前中心波长漂移的漂移量Δλ：
Δλ＝λ2-λ1 Ⅰ
通过式Ⅱ得到有效折射率的变化量δn：
Δλ＝δnΔL/m Ⅱ
式Ⅱ中，△L为相邻阵列波导的长度差值，m为衍射级数；
通过式Ⅲ得到应力的σ的大小：
δn＝κσ Ⅲ
式Ⅲ中，κ为比例系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述单模波导从下至上依次包括基底、下限制层、波导芯层和上限制层。
3.根据权利要求2所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述基底为长方体。
4.根据权利要求2所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述基底的厚度为500um，所述上限制层和所述下限制层的厚度均为18-22μm，所述波导芯层厚度为0.5μm-8μm。
5.根据权利要求2所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述上限制层和所述下限制层的厚度均为20μm。
6.根据权利要求2所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述基底的材料为硅、二氧化硅或聚甲基丙烯酸甲酯；
所述上限制层、下限制层的材料为硅、二氧化硅或铌酸锂；
所述波导芯层的材料为掺杂硅。
7.根据权利要求1所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述单模波导为条形波导或脊波导，所述单模波导的宽度为0.5μm-8μm，所述单模波导的厚度为0.5μm-8μm。
8.根据权利要求1所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述步骤(1)中器件的中心波长λ1的求取公式如式Ⅳ所示：
ncΔL＝mλ1 Ⅳ
式Ⅳ中，nc为波导有效折射率，△L为相邻阵列波导的长度差值，m为衍射级数。
9.根据权利要求1所述的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述步骤(2)中器件的中心波长λ2的求取公式如式V所示：
(nc+δn)ΔL＝mλ2 V
式V中，nc为有效折射率，δn为有效折射率nc的变化量，△L为相邻阵列波导的长度差值，m为衍射级数。
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