CN112747847B - 光波导压力测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种光波导压力测量系统，包括：依次串联的窄线宽光纤激光器、光调制器、PLC分光器、柔性聚合物波导组、设置于立体结构的波导输出端的多通道功率计和光纤耦合器、与光纤耦合器依次连接的平衡探测器、数据采集卡以及与多通道功率计的输出端和数据采集卡的输出端相连的计算机。本发明具有空间三维可弯折结构，波导材料具有良好的延展性和较大的杨氏模量，通过波导设计能够使不同光路出射光强度比或相位差随压力传感区域受到的压力大小而变化的一个或多个光波导定向耦合器或干涉仪，实现单点式或阵列式的压力测量，可以作为压力传感器应用于可穿戴设备或其他压力测量场景。

Description

光波导压力测量系统
本申请为申请号201810710563.8，申请日2018/7/2，发明名称：基于柔性聚合物波导的压力传感器之分案申请
技术领域
本发明涉及一种压力传感领域的技术，具体涉及一种光波导压力测量系统。
背景技术
压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。随着技术的发展，静电容量型压力传感器、压电式压力传感器及半导体压力传感器也应运而生。静电容量型压力传感器是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容，将通过外力(压力)使可动极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。压电式压力传感器基于压电效应，只能够测量动态的应力。半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力，通过外力(压力)使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。以上新型传感器具有体积小、质量轻、准确度较高等优点。但由于本质是其通过将压力信号转化为电容或、电流或电压电信号，所以容易收到电磁干扰，也难以在柔性材质上加工制作，并构成阵列式的传感单元。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种光波导压力测量系统，具有空间三维可弯折结构，波导材料具有良好的延展性和较大的杨氏模量，通过波导设计能够使不同光路出射光强度比或相位差随压力传感区域受到的压力大小而变化的一个或多个光波导定向耦合器或干涉仪，实现单点式或阵列式的压力测量，可以作为压力传感器应用于可穿戴设备或其他压力测量场景。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种压力敏感的光学波导定向耦合器，包括：两根不相接触的纤芯，其中：两个纤芯的输入端口和输出端口均为水平对称设置，纤芯中部的压力检测区域为竖直对称设置。
所述的输入端口和输出端口的间距为80-250μm，竖直对称设置的中部区域为耦合区，其上下波导的间隔为5-25μm，耦合区长度为2-20mm。
所述的光学波导定向耦合器的工作波长为600-1650nm。
本发明涉及一种基于上述光学波导定向耦合器的应用，将其用于微小压力的精确测量。
所述的测量具体是指：通过以预设比例的光分别从输入端口中的任意或同时输入耦合区，由于压力对耦合区纤芯的距离的细微改变导致耦合距离以及等效光程差的改变，从而实现输出端口的功率比值的改变，通过比较干涉图样中干涉峰的中心波长频移与压力变化之间的关系，实现对微小压力变化的精确测量。
本发明涉及一种光学波导定向耦合器的制备方法，通过将带有模具的基板上涂覆包层后，以直写法在包层中直接制成立体结构的波导。
所述的直写法是指：使用点胶机将纤芯材料写入包层中并通过紫外光固化形成立体结构的波导，最后去除模具完成定向耦合器的制备。
所述的点胶机写入的芯层与包层折射率差(绝对值)为0.003-0.2，写入的纤芯直径为7-50μm。
所述的光学波导定向耦合器包括：压力敏感的光学波导定向耦合器。
所述的M-Z干涉型光学波导包括：输入端口、Y形波导、相互并联的测试支路和参考支路以及输出端口。
所述的迈克尔逊干涉型光学波导包括：位于同侧的输入端口和输出端口、与之分别相连的Y形波导、倒Y形波导以及分别设置于倒Y形波导两个末端的反射镜。
附图说明
图1为光波导压力测量系统示意图；
图中：1窄线宽光纤激光器、2光调制器、3PLC分光器、4柔性聚合物波导组、5多通道功率计、6偏振控制器、7信号形发生器、8直流电压源、9平衡探测器、10数据采集卡、11计算机、12信号脉冲信号、13直流电流、14时钟信号、15光纤耦合器、16活动光连接头；
图2为光波导制备示意图；
图3为光波导的单元结构的三维立体图；
图中：401、402为波导输入端、403、404为波导输出端；
图4为光波导的单元结构的三视图示意图；
图中：a为正视图；b为俯视图；c为侧视图；
图5为M-Z干涉型光学波导三维示意图；
图6为图5原理图；
图中：21激光器、22Y波导、23测试支路、24参考支路、25耦合器；
图7为迈克尔逊干涉型光学波导三维示意图；
图8为图7原理图；
图中：31激光器、32Y波导、33反射镜、34相位检测及信号处理模块；
图9a为实施例2结构示意图；
图中：17为迈克尔逊光波导组件；
图9b为迈克尔逊光波导组17示意图；
图10为光波导的光功率与分光比测试单元所测得到的数据示意图；
图11为干涉仪在压力变化前后所测得的波长平移。
具体实施方式
实施例1
如图2所示，为本实施例涉及的制备柔性聚合物波导的流程图，制备得到如图3和图4所示的柔性聚合物波导，其包括两根不相接触的纤芯，其中：两个纤芯的输入端口和输出端口均为水平对称设置，纤芯的中部区域为竖直对称设置。
所述的输入端口和输出端口的间距为250μm，竖直对称设置的中部区域的距离为15μm。
如图1所示，为本实施例涉及的光波导压力测量系统，其中包含：依次串联的窄线宽光纤激光器1、光调制器2、PLC分光器3、基于直写法制备得到的柔性聚合物波导组4，设置于柔性聚合物波导4输出端的多通道功率计5和光纤耦合器15、与光纤耦合器15依次连接的平衡探测器9、数据采集卡10以及与多通道功率计5的输出端和数据采集卡10的输出端相连的计算机11，其中：PLC分光器3和光纤耦合器15之间进一步设有偏振控制器6，光调制器2通过信号形发生器7和直流电压源8控制并输出调制信号，信号形发生器7、直流电压源8和数据采集卡10共用一个时钟信号14。
所述的窄线宽光纤激光器1通过保偏光纤与光调制器2相连，光调制器2将直流源8以及信号发生器7输出的信号调制后输出至PLC分光器3，通过活动光连接头16与柔性聚合物波导组4以及偏振控制器6，通过调节偏振器6实现对光的偏振校准；多通道功率计5将采集到的光功率比传送到计算机11中进行对接收到的8通道的功率数值经行处理并得到功率与压力的拟合曲线；通过50：50的光纤耦合器15将调节偏振器6输出的本地光与柔性聚合物波导组4输出的所测光相互拍频，经平衡探测器9转为数字信号后由数据采集卡10采集，通过计算机11进行合成和处理分析并得到压力与相位关系，最终通过将10接收到的数据与从5接收到的数据相结合，得到最终压力的测量结果。
所述的保偏光纤优选采用单模光纤。
所述的柔性聚合物波导组4包括：相互独立的至少一个基于直写法制备得到的强度调制型光学波导定向耦合器和至少一个基于直写法制备得到的相位调制型光学波导，其分别排布在一整块波导的立体空间内且通过活动光连接头16进行输入/出的连接。
所述的强度调制型光学波导定向耦合器包括：微弯型、投射型、反射型以及倏逝波耦合型。
所述的相位调制型光学波导包括：如图5所示的M-Z干涉型、如图7所示的迈克尔逊干涉型以及F-P干涉型。
所述的强度调制型光学波导定向耦合器和相位调制型光学波导在水平位置上相互重叠，在垂直位置上互相错开。
如图3所示，所述的测量具体是指：通过以预设比例的光分别从两个纤芯的输入端口401和/或402输入耦合区。
当未受到压力时，由于上下纤芯的距离较远，光耦合区域即压力检测区域，对应在输出端口403或404则没有光输出(预设比例为1:0)或在输出端口403和404分别以一定比例输出。
当压力检测区域收到压力后，由于压力对纤芯的距离的细微改变导致耦合距离以及等效光程差的改变，从而实现输出端口403与404在输出的功率比值，即分光比的改变，通过比较干涉图样中干涉峰的中心波长频移与压力变化之间的关系，实现对微小压力变化的精确测量。
如图5、图6和图11所示，通过在测试纤芯上施加压力，入射光通过Y波导22分成测试支路23和参考支路24，通过耦合器25将两路光相干，得到如图11的干涉图样，通过对比两路光的光谱可以看出光平移的距离，从中得到压力的大小。
如图10所示，所述的分光比与外部压力之间的关系为:
P2/P＝cos2(βexp(λ(d-(Fd/AE)))L0)，其中：P和P2分别为图3中输入端口401的输入光功率和输出端口404的输出光功率，β为波导常数，d和L0分别为垂直间距和耦合长度，F和A分别为施加在传感芯片上的力及其面积，E为波导材料的杨氏模量。
如图10所示，实线与点线表示分光比与传感芯片变形相关性的计算与实验结果。可以观察到，分光比会随着波导材料的变形的增加而以周期性振荡。
实施例2
如图9a所示，为本实施例涉及的光波导压力测量系统，与实施例相比本实施例将图1中的光波导中的柔性聚合物波导组4替换为如图9b所示的迈克尔逊光波导组17，从而实现一端使活动光连接头，进而降低实施方案所带来的额外损耗。
本实施例具体包含：依次串联的窄线宽光纤激光器1、光调制器2、PLC分光器3、迈克尔逊光波导组17、设置于迈克尔逊光波导组17输出端的多通道功率计5、设置于PLC分光器3和迈克尔逊光波导组17之间的偏振控制器6，其中：偏振控制器6以及迈克尔逊光波导组17的一个输出端口与光纤耦合器15相连，光纤耦合器15的输出端依次连接的平衡探测器9、数据采集卡10以及与多通道功率计5的输出端和数据采集卡10的输出端相连的计算机11。
如图9b所示，所述的迈克尔逊光波导组17包括：基于直写法制备得到的至少一个相位调制型光学波导，即包括至少一个M-Z干涉型或迈克尔逊干涉型光学波导。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (2)

1.一种光波导压力测量系统，其特征在于，包括：依次串联的窄线宽光纤激光器、光调制器、PLC分光器、柔性聚合物波导组、设置于立体结构的波导输出端的多通道功率计和光纤耦合器、与光纤耦合器依次连接的平衡探测器、数据采集卡以及与多通道功率计的输出端和数据采集卡的输出端相连的计算机，其中：PLC分光器和光纤耦合器之间进一步设有偏振控制器，光调制器通过信号形发生器和直流电压源控制并输出调制信号，信号形发生器、直流电压源和数据采集卡共用一个时钟信号；
所述的柔性聚合物波导组包括：相互独立的至少一个基于直写法制备得到的强度调制型光学波导定向耦合器和至少一个基于直写法制备得到的相位调制型光学波导，其分别排布在一整块波导的立体空间内且通过活动光连接头进行输入/出的连接；
所述的直写法是指：使用点胶机将纤芯材料写入包层中并通过紫外光固化形成立体结构的强度调制型光学波导定向耦合器或相位调制型光学波导；
所述的强度调制型光学波导定向耦合器包括：压力敏感的光学波导定向耦合器，该压力敏感的光学波导定向耦合器包括：两根不相接触的纤芯，其中：两个纤芯的输入端口和输出端口均为水平对称设置，纤芯中部的压力检测区域为竖直对称设置，竖直对称设置的中部区域为耦合区；
所述的相位调制型光学波导包括：M-Z干涉型光学波导或迈克尔逊干涉型光学波导；
所述的M-Z干涉型光学波导包括：输入端口、Y形波导、相互并联的测试支路和参考支路以及输出端口；
所述的迈克尔逊干涉型光学波导包括：位于同侧的输入端口和输出端口、与之分别相连的Y形波导、倒Y形波导以及分别设置于倒Y形波导两个末端的反射镜。
2.根据权利要求1所述的光波导压力测量系统，其特征是，所述的点胶机写入的纤芯材料与包层折射率差为0.003-0.2，写入的纤芯材料直径为7-50μm。
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