CN111487000B - 一种基于微纳多芯特种光纤的矢量应力计 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于微纳多芯特种光纤的矢量应力计，将单模光纤A、单模光纤B与微纳多芯特种光纤熔接，微纳多芯特种光纤由四个包层纤芯，一个中心纤芯和多芯光纤包层，表面涂覆聚合物，聚合物表面刻制光栅。首先，宽带光源发出的光进入单模光纤A的纤芯A全反射传输，当光到达熔接点时，一部分光进入微纳多芯特种光纤，分别在四个包层纤芯，一个中心纤芯和多芯光纤包层中传输；另一部分光进入聚合物传输，并受到光栅的实时调制。所有光信号在单模光纤B和纤芯B后回到光谱分析仪，得到透射光谱。该应力计采用全光纤结构设计，具备高灵敏度和柔性易封装特性，可用于穿戴式行为监测及辅助设备，实现对受力方向和大小的感知及交互。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，涉及一种微纳多芯特种光纤与单模光纤组成的级联结构，具体涉及一种基于该级联结构的矢量应力计，可用于穿戴式行为监测及辅助设备，实现对受力方向和大小的感知及交互。
背景技术
早在20世纪70年代以来，美国康宁公司就制造出了第一根低损耗光纤，典型的光纤是单芯结构，而多芯特种光纤是一个共用外包层、内含多根纤芯，每根纤芯又有自己的内包层，这类多芯特种光纤虽然在制作成本上比单芯光纤高，但却具有单模光纤没有的一些特殊性质，具有更广阔的应用前景。尤其在传感器的应用领域内，1995年，Lucas B.Soldamo等人就已经推导和分析多模光纤内部模式干涉效应、自然聚集及传输光场变化等，为其应用奠定了基础。而单模-多模-单模(SMS)光纤结构传感器凭借其结构简单、易于加工、成本低廉、高灵敏度等特点越来越受研究学者的青睐。
将SMS级联结构应用于压力、温度等领域的测量技术也有一定的进展，2016年，LiC等使用四芯光纤与单模光纤熔接制作的传感器分别应用于应变、温度、折射率和弯曲传感中，灵敏度分别为1.78pm/με、209pm/℃、91.39pm/RIU和20.18nm/m-1。SMS结构应用于对外界环境变化的检测以实现对微小位移的判别，有望实现对人体手臂、手指的运动方向的检测，甚至可将该微纳结构集成到可植入芯片内部，促进人机互联技术的发展。
发明内容
本发明解决了传统光纤应力传感器灵敏度低，以及无法实现应力方向检测的问题，提出了一种基于微纳多芯特种光纤的矢量应力计。
为了达到上述目的，本发明提出了一种基于微纳多芯特种光纤的矢量应力计，采用的技术方案是：
单模光纤A、单模光纤B分别与微纳多芯特种光纤的两端熔接，其中，微纳多芯特种光纤包括三部分：多芯光纤包层，一个中心纤芯，四个围绕中心纤芯均匀对称分布的包层纤芯；微纳多芯特种光纤表面涂覆聚合物，聚合物表面刻制光栅；宽带光源发出的光进入单模光纤A的纤芯A全反射传输，当光到达熔接点时，一部分光进入微纳多芯特种光纤，分别在四个包层纤芯、一个中心纤芯和多芯光纤包层中传输；宽带光源发出的另一部分光进入聚合物传输，并受到光栅的实时调制；所有光信号在单模光纤B和纤芯B后回到光谱分析仪，得到透射光谱。
宽带光源发出的光经过由单模光纤A，单模光纤B和微纳多芯特种光纤组成的级联结构过程中，会由于模场不匹配而激发出更多的高阶模式，这些模式传输的有效折射率不同，在由单模光纤A耦合进入微纳多芯特种光纤，以及再次耦合进入单模光纤B时会发生多光路干涉，输出的光谱是多组模式干涉的叠加，光谱分析仪输出的光谱图会受到上述级联结构参数变化的影响，控制微纳多芯特种光纤的长度和材质，可以得到合适的结构。当外界应力作用于级联结构时，会使微纳多芯特种光纤发生弯曲和光栅周期发生改变，进而影响聚合物、包层纤芯、中心纤芯和多芯光纤包层内光信号的相位，光谱分析仪上的透射光谱将出现对应的偏移。通过输出光谱的偏移量不同与外界环境压力的关系可以分析微纳多芯特种光纤的受力大小和角度，从而来达到矢量应力计的作用。
上述方案中，用到的光栅由长周期光栅和短周期光栅组成，二者周期的变化均能够影响干涉光谱，二者差分能够有效消除环境参量的交叉敏感效应对应力测量的影响，提高应力的大小和角度的测量准确度。光栅可以根据需要设计成不同的组合形式。
所述聚合物为折射率低于微纳多芯特种光纤的聚合物材料。如聚合物为PDMS，聚合物层的外径为100μm。
所述的微纳多芯特种光纤的材料为二氧化硅，外径为2-8μm，包层纤芯的直径为0.1μm，中心纤芯的直径为0.2μm。
上述结构尺寸均在微纳米量级，可以产生光学倏逝场，可以感受结构微小形变，形变不同时四个对称分布的包层纤芯与中心纤芯的干涉相位会受到影响，具体为微纳多芯光纤内中心纤芯和包层纤芯在压力作用下间距减小，产生的干涉波长会移动，以实现对形变量和弯曲角度的精准测量。微纳多芯光纤也可以根据需要选择更多纤芯结构的光纤，以提高矢量应力计的角度分辨力。由于是微纳米尺寸的对称式结构，所以容易在外力作用下产生形变，灵敏度高。微纳特种多芯光纤的结构对径向变化不敏感，温度对其影响可以忽略。
所述的宽带光源输出的波长是1520-1610nm，光谱分析仪的分辨力为10pm，能够动态追踪光谱峰值移动。
与现有的技术相比，该发明的有益效果是：
1)结合长周期和短周期光纤光栅结构，通过差分算法可以有效消除其他环境参量的交叉敏感效应，提高检测的可靠性。
2)采用微纳多芯特种光纤，由于多芯光纤的结构对称性，实现对压力角度和大小的矢量检测；微纳米量级的光纤结构可以产生光学倏逝场，提高压力检测的灵敏度。
3)用聚合物PDMS封装增强了结构的柔韧性，降低了光路的耗散，使该结构可直接穿戴在人体手指或肩膀上，对盲人的活动手势的判断带来福音；由于其小巧便捷，有望植入人体细胞组织内部，促进人机互联技术的发展。
附图说明
图1为微纳多芯光纤与单模光纤的级联结构示意图。
图中：1光栅；2单模光纤A；3纤芯A；4聚合物；5微纳多芯特种光纤；6单模光纤B；7纤芯B；8包层纤芯；9中心纤芯；10多芯光纤包层；11宽带光源；12光谱分析仪。
图2为微纳多芯光纤的结构示意图。
图3为级联结构的输出光谱。
具体实施方式
下面通过技术文案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
如图所示，本发明的一种基于微纳多芯特种光纤的矢量应力计，主体为由微纳多芯特种光纤5与单模光纤A2和单模光纤B6熔接得到的级联结构；当宽带光源11发出光信号，经过该级联结构后会在光谱分析仪12上得到一组输出光谱，而当外界有压力作用于该级联结构时使其发生形变弯曲，从而使输出光谱与零压力时有了偏移。
其中，光栅1随着级联结构的弯曲，在其干涉光谱上的特征波长将移动Δλ1，微纳多芯光纤5内中心纤芯9和包层纤芯8在压力作用下间距减小，产生的干涉波长会移动Δλ2，同时结合对光栅1和微纳多芯光纤5产生透射光谱波形及强度变化的分析，可以判断应力的作用角度和大小。光栅1可以根据需要设计成不同的组合形式。微纳多芯光纤5也可以根据需要选择更多纤芯结构的光纤，以提高矢量应力计的角度分辨力。
由于是微纳米尺寸的对称式结构，所以该结构更易在外力作用下产生形变，灵敏度也相对较高。另外，在温度干扰方面，将该级联结构适用于不同温度环境时，热膨胀效应主要影响光纤径向的结构改变，光栅1采用长周期和短周期光栅混合设计，可以通过差分计算消除温度影响；微纳多芯光纤5的结构对径向变化不敏感，温度对其影响可以忽略。
在实际应用中，经聚合物PDMS封装后，可增强结构的柔韧性，降低光路的耗散，笨重的宽带光源可以用LED光功率计，光谱分析仪可以用集成光路和功率计替代，开发全光微型芯片，使该结构可直接穿戴在人体手指或肩膀上，或植入人体细胞组织内部，促进人机互联技术的发展。
Claims (4)
1.一种基于微纳多芯特种光纤的矢量应力计，其特征在于，单模光纤A(2)、单模光纤B(6)分别与微纳多芯特种光纤(5)的两端熔接；所述的微纳多芯特种光纤(5)，包括三部分：多芯光纤包层(10)，一个中心纤芯(9)，四个围绕中心纤芯(9)均匀对称分布的包层纤芯(8)；微纳多芯特种光纤(5)表面涂覆聚合物(4)，聚合物(4)表面刻制光栅(1)；所述的微纳多芯特种光纤(5)的材料为二氧化硅，外径为2-8μm，包层纤芯(8)的直径为0.1μm，中心纤芯(9)的直径为0.2μm；所述的聚合物(4)为PDMS，PDMS折射率低于微纳多芯特种光纤(5)，聚合物(4)层的外径为100μm；宽带光源(11)发出的光进入单模光纤A(2)的纤芯A(3)全反射传输，当光到达熔接点时，一部分光进入微纳多芯特种光纤(5)，分别在四个包层纤芯(8)、一个中心纤芯(9)和多芯光纤包层(10)中传输；宽带光源(11)发出的另一部分光进入聚合物(4)传输，并受到光栅(1)的实时调制；所有光信号在单模光纤B(6)和纤芯B(7)后回到光谱分析仪(12)，得到透射光谱；当外界应力作用于矢量应力计时，会使微纳多芯特种光纤发生弯曲和光栅周期发生改变，进而影响聚合物、包层纤芯、中心纤芯和多芯光纤包层内光信号的相位，光谱分析仪上的透射光谱将出现对应的偏移；通过透射光谱的偏移量不同与外界环境压力的关系分析微纳多芯特种光纤的受力大小和角度，从而来达到矢量应力计的作用。
2.根据权利要求1所述的基于微纳多芯特种光纤的矢量应力计，其特征在于，所述的光栅(1)由长周期光栅和短周期光栅组成，二者周期的变化均能够影响透射光谱，二者差分能够有效消除环境参量的交叉敏感效应对应力测量的影响；光栅根据需要设计成不同的组合形式。
3.根据权利要求1或2所述的基于微纳多芯特种光纤的矢量应力计，其特征在于，所述的宽带光源(11)输出的波长是1520-1610nm，光谱分析仪(12)的分辨力为10pm，能够动态追踪透射光谱峰值移动。
4.根据权利要求3所述的基于微纳多芯特种光纤的矢量应力计，其特征在于，所述的宽带光源(11)用LED光功率计，光谱分析仪用集成光路和功率计替代，开发全光微型芯片，使该矢量应力计直接穿戴在人体手指或肩膀上，或植入人体细胞组织内部，促进人机互联技术的发展。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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