CN112212966A - 一种基于飞秒激光刻写螺旋型波导的光纤振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于飞秒激光刻写螺旋型波导的光纤振动传感器，包括单波长激光器、传感头、光电探测器、示波器，其特征为：所述传感头为单模‑无芯‑单模的三明治结构，由飞秒激光在无芯光纤内刻写螺旋波导制成。波导共有五部分：水平直线波导、直径均匀递增的螺旋波导、直径均匀的螺旋波导、直径均匀递减的螺旋波导、水平直线波导。本发明利用强度解调的方法，将光信号转化为电信号，当振动时，输出光强发生周期性的变化，即电压值发生周期性变化，对输出的电压值进行傅里叶变换，得到振动频率，从而实现对振动频率的传感测量。本发明具有结构坚固、体积小、制备简单、成本低、抗电磁干扰、灵敏度高、测量范围广等优点。

Description

一种基于飞秒激光刻写螺旋型波导的光纤振动传感器

技术领域

本发明提供了一种基于飞秒激光刻写螺旋型波导的光纤振动传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

振动测量在结构健康监测、无损检验和冲击波检测等领域中都存在广泛的应用，但传统的电学、机械振动传感器存在易受到电磁干扰、精度低、体积大等缺点，无法满足现实需求。近年来，光纤传感器凭借其尺寸小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐高温等独特的优势，在振动传感领域引起了广泛的关注。在众多的光纤振动传感器中，根据其工作原理可分为：基于波长调制、基于强度调制、基于相位调制的光纤振动传感器。其中波长调制型振动传感器大多基于光纤布拉格光栅(FBG)，此类振动传感器虽然具有高精度、波分复用等优势，但易受温度、应变和压力的交叉影响；强度调制型振动传感器是通过对光强改变的测量，来测量振动频率，其中反射式强度调制型光纤振动传感器以其结构简单、成本低、易于测量等优势被广泛认可，但仍存在检测灵敏度低、无法在复杂环境下精确测量等缺点；相位调制型光纤振动传感器又称干涉型光纤振动传感器，此类振动传感器凭借精度高、测量范围广、灵敏度高等优点成为研究热点，但其信号检测复杂，且易受环境扰动。因此，探索高精度、高灵敏度、低成本且适用于复杂环境的光纤振动传感器成为目前的研究热点之一。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供一种基于飞秒激光刻写螺旋型波导的光纤振动传感器，具有结构坚固、体积小、制备简单、成本低、抗电磁干扰、灵敏度高、测量范围广等优点。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：一种基于飞秒激光刻写螺旋型波导的光纤振动传感器，包括单波长激光器、传感头、光电探测器、示波器四部分，其特征在于：所述传感头为单模-无芯-单模光纤的三明治结构，由飞秒激光在无芯光纤内刻写螺旋型波导制成，波导直径为1.2-2.0μm。第一部分为水平直线波导，长度为100-500μm，将光从单模光纤纤芯引出到无芯光纤中；第二部分为螺旋直径从0μm至60-100μm均匀递增的螺旋波导，螺距为100-300μm；第三部分为螺旋直径为60-100μm的均匀螺旋波导，螺距为100-300μm；第四部分为螺旋直径从60-100μm均匀递减至0μm的螺旋波导，螺距为100-300μm；第五部分为水平直线波导，长度为100-500μm，将光再次耦合到单模光纤的纤芯中。制作过程中，这三段螺旋波导的长度、螺距以及螺旋直径均可进行相应调整，以获得灵敏度和传感区域长度不同的振动传感器。所述单模光纤的直径为125μm，其纤芯直径为8.9μm；所述无芯光纤的直径为125μm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1.本传感头由普通单模光纤及无芯光纤制成，结构简单且坚固、成本低、体积小。

2.本传感头可通过控制螺旋波导的螺距、直径、长度等参数，获得不同灵敏度和不同传感区域长度的振动传感器，以满足不同需求。

3.本传感器为纯强度解调，较之波长解调的振动传感器，本发明响应速度快，解调所需设备成本更低。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明进一步说明：

图1为基于飞秒激光刻写螺旋型波导的振动传感头结构示意图；

图2为本发明的实施应用系统示意图；

图3为本发明在600Hz的振动频率环境下测得的电压值信号变化图；

图4为此电压值信号经傅里叶变换(FFT)后得到的频谱图。

图中：1(a).单模光纤纤芯，1(b).单模光纤包层，2.无芯光纤，3(a).单模光纤纤芯，3(b).单模光纤包层，4.水平直线波导，5.螺旋直径递增的螺旋波导，6.均匀螺旋波导，7.螺旋直径递减的螺旋波导，8.水平直线波导，9.单波长激光器，10.光纤传感头，11.光电探测器，12.示波器。

具体实施方式

图1为本发明传感头的结构示意图，其制作方法及步骤为：第一步：用熔接机将单模光纤1与无芯光纤2熔接；第二步：将无芯光纤2切割至需要的长度；第三步：将无芯光纤2的另一端与单模光纤3熔接；第四步：用飞秒激光在近单模1-无芯2熔接处的单模光纤纤芯1(a)内刻写水平直线波导4，其长度为100-500μm，第五步：在无芯光纤内接着水平直线波导4继续刻写螺旋直径从0μm至60-100μm均匀递增的螺旋波导5，螺距为100-300μm；第六步：接着螺旋波导5刻写螺旋直径为60-100μm的均匀螺旋波导6，螺距为100-300μm；第七步：接着螺旋波导6刻写螺旋直径从60-100μm均匀递减至0μm的螺旋波导7，螺距为100-300μm；第八步：接着螺旋波导7刻写水平直线波导8，长度为100-500μm。其中，水平直线波导4与8至少覆盖单模光纤纤芯1(a)与3(a)各100μm，从而将单模光纤纤芯1(a)中的光引出至无芯光纤2及再次耦合进单模光纤纤芯3(a)。在制作过程中，三段螺旋波导的长度、螺距以及螺旋直径均可进行相应调整，以获得灵敏度和传感区域长度不同的振动传感器。

图2为本发明的实施应用系统示意图，包括单波长激光器、传感头、光电探测器和示波器。应用时，单波长激光器9将光输入光纤传感头10，传输至光电探测器11，将光信号转换为电信号以后，由示波器12接收输出的电信号。

结合图1、2，具体介绍本发明的工作原理：当静置时，此传感头在1550nm附近的透射谱为强度一致的直线，故可将单波长激光器的输出波长设置为1550nm附近的任一波长，输入光经光纤传感头传输至光电探测器，将光信号转换为电信号，即将该波长下的光强变化转换为电压值的变化，再输出给示波器。当检测到振动发生时，该传感器的螺旋波导部分光纤因振动而产生弯曲，故光在传输过程中产生损耗，光强减小。检测过程中，传感头做向上向下的周期性弯曲，故该波长下的光强大小发生周期性的变化，输出至示波器时，显示为电压值周期性的变化，不同的振动频率对应不同的电压值变化周期，再对此电信号进行傅里叶变换处理，获得精确的振动频率，从而实现对振动频率的传感测量。

图3为本发明在600Hz的振动频率环境下测得的电压值信号变化图。图4为此电压值信号经傅里叶变换(FFT)后得到的频谱图，可见其振动频率成分有600Hz及其倍频，根据频率成分的幅值大小可知，此振动环境的主要频率成分为600Hz。

最后，以上所述的具体实施实例仅用以说明本发明的技术方案，并非限制，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于飞秒激光刻写螺旋型波导的光纤振动传感器，包括单波长激光器、传感头、光电探测器、示波器四部分，其特征在于：所述传感头为单模-无芯-单模光纤的三明治结构，由飞秒激光在无芯光纤内刻写螺旋型波导制成。

2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光刻写螺旋型波导的光纤振动传感器，其特征在于：所刻写的波导分为五个部分，第一部分为水平直线波导，将光从单模光纤纤芯引出到无芯光纤中；第二部分为螺旋直径递增的螺旋波导；第三部分为螺旋直径均匀的螺旋波导；第四部分为螺旋直径递减的螺旋波导；第五部分为水平直线波导，将光再次耦合到单模光纤的纤芯中。

3.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光刻写螺旋型波导的光纤振动传感器，其特征在于：所述的波导直径为1.2-2.0μm；第一部分水平直线波导长度为100-500μm；第二部分螺旋波导的螺旋直径由0μm 均匀递增至60-100μm，螺距为100-300μm；第三部分均匀螺旋波导的螺旋直径为60-100μm，螺距为100-300μm；第四部分螺旋波导的螺旋直径由60-100μm均匀递减至0μm，螺距为100-300μm；第五部分水平直线波导长度为100-500μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光刻写螺旋型波导的光纤振动传感器，制作过程中，三段螺旋波导的长度、螺距以及螺旋直径均可进行相应调整，以获得具有不同灵敏度和不同传感区域长度的振动传感器。

5.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光刻写螺旋型波导的光纤振动传感器，其特征在于：所述单模光纤的直径为125μm，其纤芯直径为8.9μm；所述无芯光纤的直径为125μm，其长度为5000-10000μm。

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