CN113138044B - 一种用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器，将有微光纤包层包裹的椭圆微光纤向四个方向接有垂直应力杆和水平应力杆连于应变壳。应变壳分为左右两部分，由支撑膜片隔开，两部分中心为椭圆微光纤，同时在整个应变壳内装有低折射率聚合物缓冲液，支撑膜片的中间放有矩形空芯微光纤，其内充满荧光微粒，光纤上连接CCD探测器进行荧光的采集、分析和存储。结合垂直方向和水平方向的分析结果用矢量的形式表示应力，达到矢量应力监测的效果。该系统以矢量的形式监测应力，应用于建筑物施工过程及大型项目施工等高风险，需要高精度作业的工作中，可以准确监测值接近控制值时发出报警，用来保证施工的安全性，也可用于检查施工过程是否合理。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，涉及一种空芯微光纤的耦合器，具体涉及一种用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器。
背景技术
微纳光纤是指将普通光纤在熔融状态下拉制得到的直径微米、纳米量级的光纤。微纳光纤由于具有尺寸小、光场约束能力强、损耗低、倏逝场传输能力强等优点,近年来在光传感、光通信、等方面都有着广泛的应用。光纤耦合器最早采用熔接的方法实现了多模光纤之间的焊接，紧接着采用类似的熔接技术实现了单模光纤之间的焊接。2017年，汪海，周文超等人就提出了一种基于微纳光纤耦合器的高灵敏度、便携式生物传感器，并对该传感器用于无标生物检测的灵敏度和重复性进行了研究。而在光纤耦合器的快速发展同时，偏振光纤耦合器也开始出现。相对于普通光纤耦合器，偏振光纤耦合器有很多的优势，比如偏振串扰小、附加损耗低以及能够保持传输中的线偏振光的偏振态不变等，在光纤通信系统和光纤传感技术中得到广泛应用，而且高性能的偏振光纤耦合器更加受青睐。
张红霞的《保偏光纤偏振耦合应力传感器的研究》，该项研究主要针对作用在保偏光纤上的横向应力可以引起偏振耦合现象，而通过测量耦合强度可以检测应力的位置和大小，实现应力传感。该项目可以实现在1根直径125μm，拍长2.1mm的保偏光纤上进行应力大小和作用的长度对偏振耦合强度的影响的实验研究。但是，仅能测出作用于光纤结构的应力强度大小，仍然无法实现对应力作用方向的精确检测。
发明内容
本发明解决了传统光纤对应力的监测对于目标任务的要求不够准确，无法矢量化的问题，提出了一种用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器。通过将应力分解为垂直方向与水平方向，垂直方向通过形变引起的椭圆微光纤内部沿着快轴和慢轴两个方向的偏振光的等效光学传输长度差增大，将产生光谱展宽监测，水平方向通过应力传递，使左右两侧的椭圆微光纤互相靠近，增强矩形空芯微光纤的内部光场，增加荧光颗粒的可见光荧光强度，由CCD探测器监测强度，分开监测可以达到矢量化的效果。同时利用光纤的偏振性使耦合器的性能大大提升，有望更好地应用于高精度，高风险的工作等，用来保证工作的安全性。由于其体积小，对称性等特点，可以嵌入应用设备中，使该结构可方便快捷监测应力。
为达到上述目的，本发明提出了一种用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器，采用的技术方案如下：
包括应变壳、缓冲液、支持膜片、椭圆微型光纤、垂直应力杆、水平应力杆、微光纤包层、矩形微型空芯微光纤、荧光颗粒、CCD探测器；应变壳用于包裹整个耦合器，椭圆微型光纤外周包覆微光纤包层；矩形微型空芯微光纤两侧通过支撑膜片与应变壳相连，位于整个耦合器的中心；同时支撑膜片将应变壳内部分成两个对称的应力检测池，每个应力检测池的中心均设置带有微光纤包层的椭圆微型光纤，两个应力检测池中的微光纤包层分别与矩形微型空芯微光纤的两侧面接触；应变壳内部与微光纤包层之间充斥着缓冲液，作为二者之间作用应力的缓冲与传递；两个应力检测池中的微光纤包层分别通过垂直应力杆与竖直方向的应变壳壁面连接，通过水平应力杆与水平方向的应变壳壁面连接，用于将应变壳受到的应力传递给微光纤包层和椭圆微光纤；
所述矩形空芯微光纤内部包含荧光颗粒，在椭圆微光纤的倏逝场激发下产生可见荧光，矩形空芯微光纤连接CCD探测器用于采集可见光，进行分析和存储。
将外界施加的应力分为垂直方向和竖直方向。当垂直方向应力作用时，应力通过垂直应力杆传递到微光纤包层和椭圆微光纤上，挤压椭圆微光纤使之产生形变，其内部沿着快轴和慢轴两个方向的偏振光的等效光学传输长度差增大，将产生光谱展宽，进而与垂直作用力的大小和方向建立联系；当水平方向应力作用时，应变壳受到的水平方向应力传递给微光纤包层和椭圆微光纤，左右两侧的椭圆微光纤会互相靠近，从而使位于其中间耦合区阈内矩形空芯微光纤的内部光场增强，激发荧光颗粒的可见光荧光强度增加，之后可通过CCD探测器测量其强度，以实现对水平应力大小的可视化监测。结合垂直方向和水平方向的分析结果就可以用矢量的形式表示应力，达到矢量应力监测的效果。
本发明中所使用的应变壳由铍青铜材料构成，壳层厚度为1mm。
采用的缓冲液成分为折射率为1.37-1.40的低折射率聚合物。
采用的椭圆微光纤其材料为二氧化硅，椭圆横截面的慢轴和快轴直径分别为20μm和5μm。采用椭圆形，以长轴指向中心。
采用的垂直应力杆和水平应力杆材料为氟化镁晶体且垂直应力杆和水平应力杆相垂直。
采用的微光纤包层材料为氟化镁晶体。
采用的矩形空芯微光纤材料为二氧化硅，短边和长边直径分别为8μm和12μm。内部填充荧光颗粒(9)材料为微米晶体，在光场的激发下可见荧光强度增加，实现对水平应力大小的可视化监测。
两边中心的微光纤采用椭圆形，以长轴指向中心，使两个光纤靠拢时的压力效果更加显著，提升了灵敏度，其内部沿着快轴和慢轴两个方向的偏振光的等效光学传输长度差增大，将产生光谱展宽，使其对水平应力的监测更加精确。同时扩大了从应力杆传来的信号接收面积，效果更明显。同时矩形空心微光纤内的荧光颗粒在光场激发下可见荧光强度增加，实现对水平应力大小的可视化监测。与现有的技术相比，该发明的有益效果是：
1)使用垂直应力杆与水平应力杆相结合方式使得应力监测结果可以矢量化，结果更加精确。
2)矩形空心微光纤内装有荧光颗粒，可以实现对水平应力的可视化监测。
3)应变壳由铍青铜材料构成，高硬度、高弹性极限、高疲劳极限、高耐磨性，还具有良好的耐蚀性、导热性和导电性，受冲击时不产生火花，稳定性高，不易被破坏且使用寿命长。可用于穿戴式行为监测及辅助设备，实现对垂直和水平应力大小的矢量化监测，同时水平应力通过荧光可以实现可视化监测。
附图说明
图1为一种用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器结构示意图。
图中：1应变壳；2缓冲液；3支持膜片；4椭圆微型光纤；5垂直应力杆；6水平应力杆；7微光纤包层；8矩形空芯微光纤；9荧光颗粒；10CCD探测器。
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，本发明的一种用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器，主体为由垂直应力杆5，水平应力杆6，椭圆微光纤4，矩形空芯微光纤8及CCD探测器10耦合成的应力传导监测结构；如图1，当垂直方向应力作用时，应力通过垂直应力杆5传递到微光纤包层7和椭圆微光纤4上，使之产生形变；当水平方向应力作用时，应变壳1受到的水平方向应力传递给微光纤包层7和椭圆微光纤4，从而使矩形空芯微光纤8的内部光场增强，激发荧光颗粒9的可见光荧光强度增加。
其中，当垂直方向应力作用时，应力通过垂直应力杆5传递到微光纤包层7和椭圆微光纤4上，挤压椭圆微光纤4使之产生形变，其内部沿着快轴和慢轴两个方向的偏振光的等效光学传输长度差增大，将产生光谱展宽，进而与垂直作用力的大小和方向建立联系；当水平方向应力作用时，应变壳1受到的水平方向应力传递给微光纤包层7和椭圆微光纤4，左右两侧的椭圆微光纤4会互相靠近，从而使位于其中间耦合区阈内矩形空芯微光纤8的内部光场增强，激发荧光颗粒9的可见光荧光强度增加，可通过CCD探测器10完成可见荧光的采集、分析和存储，测量其强度，以实现对水平应力大小的可视化监测。
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，应变壳采用铍青铜材料构成，具有很高的硬度、弹性极限、疲劳极限和耐磨性，还具有良好的耐蚀性、导热性和导电性，受冲击时不产生火花，耐高温耐低温，因此具有良好的温度性能，腐蚀后，铍青铜合金强度、延伸率均无变化，可在海水中可保持40年以上，强度和稳定性极高，性能优越。同时利用缓冲液，防止受力过大导致损坏，起到保护作用且使得传递的力更均匀，利于监测。中间的微光纤8采用空心微光纤，使内面的反射率接近1，以减少反射损耗，使工作波长段损耗减少。此外，垂直应力杆5，水平应力杆6和微光纤包层7采用氟化镁晶体制成，有良好的消除光学损耗作用，特别适于紫外线和红外光谱，有利于信号传递。此系统将水平作用力与垂直作用力分开监测，因此可以将应力以矢量的形式表示出来，准确而高效。并且矩形空心微光纤8内的荧光颗粒9在光场激发下产生荧光可以达到对水平应力大小可视化监测的目的。
鉴于此系统以矢量的形式监测应力，因此该系统可以更好地应用于建筑物施工过程及大型项目施工等，可以准确监测值接近控制值时发出报警，用来保证施工的安全性，也可用于检查施工过程是否合理。由于其体积小，对称性等特点，可以嵌入应用设备中，使该结构可方便快捷监测应力。
Claims (6)
1.一种用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器，其特征在于，包括应变壳(1)、缓冲液(2)、支持膜片(3)、椭圆微型光纤(4)、垂直应力杆(5)、水平应力杆(6)、微光纤包层(7)、矩形空芯微光纤(8)、荧光颗粒(9)、CCD探测器(10)；应变壳(1)用于包裹整个耦合器，椭圆微型光纤(4)外周包覆微光纤包层(7)；矩形空芯微光纤(8)两侧通过支撑膜片(3)与应变壳(1)相连，位于整个耦合器的中心；同时支撑膜片(3)将应变壳(1)内部分成两个对称的应力检测池，每个应力检测池的中心均设置带有微光纤包层(7)的椭圆微型光纤(4)，两个应力检测池中的微光纤包层(7)分别与矩形空芯微光纤(8)的两侧面接触；应变壳(1)内部与微光纤包层(7)之间充斥着缓冲液(2)，作为二者之间作用应力的缓冲与传递；两个应力检测池中的微光纤包层(7)分别通过垂直应力杆(5)与竖直方向的应变壳(1)壁面连接，通过水平应力杆(6)与水平方向的应变壳(1)壁面连接，用于将应变壳(1)受到的应力传递给微光纤包层(7)和椭圆微光纤(4)；
所述矩形空芯微光纤(8)内部包含荧光颗粒(9)，在椭圆微光纤(4)的倏逝场激发下产生可见荧光，矩形空芯微光纤(8)连接CCD探测器(10)用于采集可见光，进行分析和存储。
2.根据权利要求1所述的用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器，其特征在于，所述应变壳(1)由铍青铜材料构成，厚度为1mm。
3.根据权利要求1所述的用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器，其特征在于，所述的缓冲液(2)成分为折射率1.37-1.40的低折射率聚合物。
4.根据权利要求1所述的用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器，其特征在于，所述的椭圆微光纤(4)，材料为二氧化硅，横截面的慢轴和快轴直径分别为20μm和5μm，采用椭圆形，以长轴指向中心。
5.根据权利要求1所述的用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器，其特征在于，所述的垂直应力杆(5)和水平应力杆(6)，材料为氟化镁晶体，二者相互垂直。
6.根据权利要求1所述的用于矢量应力监测的微光纤偏振耦合器，其特征在于，所述微光纤包层材料为氟化镁晶体；矩形空芯微光纤材料为二氧化硅，矩形空芯微光纤的短边和长边直径分别为8μm和12μm，内部填充荧光颗粒(9)材料为微米晶体，在光场的激发下可见荧光强度增加，实现对水平应力大小的可视化监测。
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| CN113138044A (zh) | 2021-07-20 |
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