CN111272105A - 一种基于微纳光纤的扭曲传感器及制备方法和测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤光学技术领域，具体涉及一种基于微纳光纤的扭曲传感器及制备方法和测量方法。本发明基于微纳光纤的扭曲传感器由两段单模光纤和一段微纳光纤构成。本发明先通过光纤拉锥机或者化学腐蚀工艺制备微纳光纤，然后去除单模光纤涂覆层，利用光纤切割刀切割出平坦端面并焊接制备得到。本发明的测量方法是光源发出的光通过一侧的单模光纤进入基于微纳光纤的扭曲传感器，经过微纳光纤后从另外一侧的单模光纤出射到光电探测器转化为相应的电流信号，再对电信号进行傅里叶分析来获得微纳光纤的机械本征频率的变化情况进而来获得扭曲信息。本发明可以有效地降低光纤扭曲传感系统的成本和复杂度，具有巨大的实用价值。

Description

一种基于微纳光纤的扭曲传感器及制备方法和测量方法
技术领域
本发明属于光纤光学技术领域，具体涉及一种基于微纳光纤的扭曲传感器及制备方法和测量方法。
背景技术
扭曲传感器被广泛地用于大型建筑的在线监测、机器人等领域，光纤扭曲传感器具有体积小、质量轻、可遥测以及抗电磁干扰等优势，是一种具有巨大实用价值的器件。现已报道的光纤扭曲传感器主要分为两类：波长敏感型和光强敏感型。波长敏感型光纤扭曲传感器解调扭曲信号需要用到光谱仪等设备，该设备的价格较昂贵不利于传感器的批量化应用。光强敏感型光纤扭曲传感器不需要光谱仪，但是需要采用参考系统以排除光源光强波动引入的误差，使得整个测量系统较为复杂。
发明内容
针对目前光纤扭曲传感器设备昂贵，测量系统复杂的问题本发明提供了一种基于微纳光纤的扭曲传感器及制备方法和测量方法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种基于微纳光纤的扭曲传感器，包括两段单模光纤和一段微纳光纤，所述一段微纳光纤设置在两段单模光纤之间。当施加一个扭曲时，微纳光纤(3)会产生内部张力，进而改变微纳光纤(3)的机械本征频率，通过测量其机械本征频率的漂移情况就可以实现外界扭曲的测量。该技术方案不需要昂贵的光谱仪以及复杂的光源光强波动消除参考系统等，有效地简化了扭曲传感器系统，更具实用价值。
进一步，所述单模光纤是任意波段的单模光纤或单模光子晶体光纤，其构成了扭曲传感器的光导入和导出结构。
进一步，所述微纳光纤是直径小于单模光纤的光纤，一般可以通过拉锥或者腐蚀等工艺加工而成，其直径为100nm-50μm，其构成了扭曲传感器的振动部分。
进一步，所述微纳光纤焊接在两段单模光纤之间。
一种基于微纳光纤的扭曲传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，制备微纳光纤；
步骤2，去除单模光纤涂覆层，然后利用光纤切割刀制备两段具有平坦端面的单模光纤和一段具有平坦端面的微纳光纤；
步骤3，将步骤2得到的一段单模光纤与微纳光纤具有平坦端面的一端焊接在一起，然后保留目标长度的微纳光纤将微纳光纤切断；
步骤4，将微纳光纤另一端的端面与另外一段单模光纤焊接在一起，制得基于微纳光纤的扭曲传感器。
进一步，所述步骤1制备微纳光纤通过光纤拉锥机或者化学腐蚀工艺制备，其直径为100nm-50μm。
进一步，所述单模光纤是任意波段的单模光纤或单模光子晶体光纤。
一种基于微纳光纤的扭曲传感器的测量方法，光源发出的光通过一侧的单模光纤进入基于微纳光纤的扭曲传感器，经过微纳光纤后从另外一侧的单模光纤出射到光电探测器转化为相应的电流信号，再对电信号进行傅里叶分析来获得微纳光纤的机械本征频率的变化情况进而来获得扭曲信息。
进一步，所述微纳光纤的机械本征频率表达为
Figure BDA0002381277790000031
Figure BDA0002381277790000032
其中，E、I和ρ分别是二氧化硅材料的弹性模量、截面惯性矩和密度，L、A和d是微纳光纤的长度、横截面面积和直径，σ是轴向应力，θ是扭转角度；由公式(1)和(2)可知，随着扭转角度θ的增加，微纳光纤内部的轴向应力会增加，进而导致微纳光纤的机械本征频率也增加，通过解调微纳光纤的机械本征频率就可以获得扭转角度θ；通过给微纳光纤预扭转一个角度θ0，就可以同时获得外界的扭转角度和扭转的方向。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
本发明提出的一种基于微纳光纤的扭曲传感器是通过测量微纳光纤机械本征频率来实现扭曲的实时在线监测。与现有的波长敏感型光纤扭曲传感器相比，本发明的基于微纳光纤的扭曲传感器不需要光谱仪等昂贵的设备，更加适合于批量化生产和使用。与现有的强度敏感型光纤扭曲传感器相比，本发明的基于微纳光纤的扭曲传感器不受光源强度波动的影响，不需要用于消除光源强度波动的参考系统，可以有效地降低整个测量系统的复杂度。因此，本发明可以有效地降低光纤扭曲传感系统的成本和复杂度，具有巨大的实用价值。
附图说明
图1是本发明一种基于微纳光纤的扭曲传感器的系统示意图；
图2是本发明一种基于微纳光纤的扭曲传感器的实物图；
图3是本发明一种基于微纳光纤的扭曲传感器的机械本征频率测试结果；
图4是本发明一种基于微纳光纤的扭曲传感器的机械本征频率随扭曲率变化的测试结果。
图中：1—光源；2—单模光纤；3—微纳光纤；4—光电探测器。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
如图1是本发明一种基于微纳光纤的扭曲传感器的系统示意图所示，本发明提出了一种基于微纳光纤的扭曲传感器，该传感器主要由两段普通单模光纤2和一段微纳光纤3构成，微纳光纤3被焊接在两段普通单模光纤2之间。
微纳光纤3的两端与单模光纤2焊接在一起，微纳光纤3相当于一个振动梁结构，存在机械本征频率。当一个扭曲率施加在传感器上时，根据公式(2)会产生一个轴向应力，轴向应力进而会改变微纳光纤的机械本征频率，根据公式(1)和(2)通过测量微纳光纤机械本征频率的漂移情况就可以获得待测的扭曲率。
微纳光纤3的机械本征频率表达为
Figure BDA0002381277790000041
Figure BDA0002381277790000042
其中，E、I和ρ分别是二氧化硅材料的弹性模量、截面惯性矩和密度，L、A和d是微纳光纤的长度、横截面面积和直径，σ是轴向应力，θ是扭转角度。
本发明一种基于微纳光纤的扭曲传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，通过光纤拉锥机制备直径为100nm-50μm的微纳光纤3；
步骤2，去除单模光纤2涂覆层，然后利用光纤切割刀制备两段具有平坦端面的单模光纤2和一段具有平坦端面的微纳光纤3；
步骤3，将步骤2得到的一段单模光纤2与微纳光纤3具有平坦端面的一端焊接在一起，然后保留目标长度的微纳光纤3将微纳光纤3切断；
步骤4，将微纳光纤3另一端的端面与另外一段单模光纤2焊接在一起，制得基于微纳光纤的扭曲传感器。
本发明一种基于微纳光纤的扭曲传感器的测量方法，光源1发出的光通过一侧的单模光纤2进入基于微纳光纤的扭曲传感器，经过微纳光纤3后从另外一侧的单模光纤2出射到光电探测器4转化为相应的电流信号，再对电信号进行傅里叶分析来获得微纳光纤的机械本征频率的变化情况进而获得扭曲信息。
图2所示的是直径为125μm的单模光纤2与直径为10μm长度是980μm的微纳光纤3构成的扭曲传感器的实物图。
图3所示的是典型的微纳光纤的一阶机械本征频率的测试结果，其微纳光纤的直径为13μm长度是980μm。
图4所示的是典型的基于微纳光纤的扭曲传感器的机械本征频率随外界施加的扭曲率的漂移情况，其微纳光纤的直径为13μm长度是980μm。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种基于微纳光纤的扭曲传感器，其特征在于：包括两段单模光纤(2)和一段微纳光纤(3)，所述一段微纳光纤(3)设置在两段单模光纤(2)之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的扭曲传感器，其特征在于：所述单模光纤(2)是任意波段的单模光纤或单模光子晶体光纤，其构成了扭曲传感器的光导入和导出结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的扭曲传感器，其特征在于：所述微纳光纤(3)是直径小于单模光纤(2)的光纤，其直径为100nm-50μm，其构成了扭曲传感器的振动部分。
4.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的扭曲传感器，其特征在于：所述微纳光纤(3)焊接在两段单模光纤(2)之间。
5.一种基于微纳光纤的扭曲传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，制备微纳光纤(3)；
步骤2，去除单模光纤(2)涂覆层，然后利用光纤切割刀制备两段具有平坦端面的单模光纤(2)和一段具有平坦端面的微纳光纤(3)；
步骤3，将步骤2得到的一段单模光纤(2)与微纳光纤(3)具有平坦端面的一端焊接在一起，然后保留目标长度的微纳光纤(3)将微纳光纤(3)切断；
步骤4，将微纳光纤(3)另一端的端面与另外一段单模光纤(2)焊接在一起，制得基于微纳光纤的扭曲传感器。
6.根据权利要求5所述的一种基于微纳光纤的扭曲传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤1制备微纳光纤(3)通过光纤拉锥机或者化学腐蚀工艺制备，其直径为100nm-50μm。
7.根据权利要求5所述的一种基于微纳光纤的扭曲传感器的制备方法，其特征在于：所述单模光纤(2)是任意波段的单模光纤或单模光子晶体光纤。
8.一种基于微纳光纤的扭曲传感器的测量方法，其特征在于：
光源(1)发出的光通过一侧的单模光纤(2)进入基于微纳光纤的扭曲传感器，经过微纳光纤(3)后从另外一侧的单模光纤(2)出射到光电探测器(4)转化为相应的电流信号，再对电信号进行傅里叶分析来获得微纳光纤的机械本征频率的变化情况进而来获得扭曲信息。
9.根据权利要求8所述的一种基于微纳光纤的扭曲传感器的制备方法，其特征在于：所述微纳光纤(3)的机械本征频率表达为
Figure FDA0002381277780000021
Figure FDA0002381277780000022
其中，E、I和ρ分别是二氧化硅材料的弹性模量、截面惯性矩和密度，L、A和d是微纳光纤的长度、横截面面积和直径，σ是轴向应力，θ是扭转角度；由公式(1)和(2)可知，随着扭转角度θ的增加，微纳光纤内部的轴向应力会增加，进而导致微纳光纤的机械本征频率也增加，通过解调微纳光纤的机械本征频率就可以获得扭转角度θ；通过给微纳光纤预扭转一个角度θ0，就可以同时获得外界的扭转角度和扭转的方向。
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