CN113156573B - 一种正交型长周期光纤光栅及其感测弯曲的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种正交型长周期光纤光栅，在光纤表面刻蚀有两段凹槽段，分别构成普通光栅结构和超结构光栅结构，两凹槽段之间沿光纤轴向前后排列，并且在圆周方向上正交。此种新型光纤光栅透射谱中包含两个谐振峰，两谐振峰波长与弯曲度成良好的线性关系，可用于感测弯曲度大小；两谐振峰波长还与温度成良好的线性关系，并且两谐振峰的弯曲灵敏度方向相反，利用弯曲‑温度交叉感测的方法测量弯曲度大小时，具有灵敏度高的优势；两谐振峰之间的漂移大小关系随弯曲方向的改变而改变，因此还可同时用于感测弯曲方向。

Description

一种正交型长周期光纤光栅及其感测弯曲的应用

技术领域

本发明属于光纤光栅技术领域，具体涉及一种正交型长周期光纤光栅及其感测弯曲的应用。

背景技术

光纤是一种用于光传导的纤维状材料，而光纤光栅则是在光纤的基础上，通过一定方法使光纤纤芯折射率发生轴向周期性调制而成的衍射光栅。光纤光栅这一技术的出现，不仅深刻改变了通信行业，还对传感技术领域产生了极大的影响。

但是在弯曲传感器领域，现有光纤光栅结构还存在精度低或者无法辨别弯曲方向等不足，因此需要研制一种用于感测弯曲的光纤光栅。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种正交型长周期光纤光栅及其感测弯曲的应用，用以提升弯曲传感精度。

本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种正交型长周期光纤光栅，在光纤表面刻蚀有两段凹槽段，两凹槽段沿光纤轴向前后排列，并且在圆周方向上正交；每段凹槽段分别由若干个凹槽沿轴向排列构成，第一段凹槽段中凹槽等间距排列；第二段凹槽段中凹槽等分为多组，组内凹槽等间距排列，各组之间间隔相等。

进一步地，所述第一段凹槽段中，凹槽深度d1、凹槽宽度w1和凹槽周期f1分别满足：20μm≤d1≤25μm、5μm≤w1≤10μm、610μm≤f1≤630μm。

进一步地，所述第一段凹槽段中凹槽的个数N1为40。

进一步地，所述第二段凹槽段中，凹槽深度d2、凹槽宽度w2和凹槽周期f2分别满足：25μm≤d2≤30μm、5μm≤w2≤10μm、490μm≤f1≤510μm。

进一步地，所述第二段凹槽段中，凹槽个数N2为24个，且每6个为一组，每组凹槽之间间隔2.5mm。

进一步地，所述两凹槽段之间间隔24.18mm。

进一步地，所述光纤光栅的原料为标准单模光纤。

一种基于上述正交型长周期光纤光栅感测弯曲的应用：所述光纤光栅的透射谱中包含两个谐振峰，且谐振峰波长与弯曲度成线性关系，通过检测光纤光栅透射谱中谐振峰波长，得到被测弯曲度大小。

进一步地，所述两谐振峰波长还与温度成线性关系，利用公式

计算得到弯曲度大小。

进一步地，根据两谐振峰波长漂移大小的比值，判断弯曲方向。

本发明的有益效果为：

(1)本发明给出了一种新型光纤光栅结构，包括一段普通光栅结构和一段超结构光栅结构，且两者之间呈正交关系；此种新型光纤光栅透射谱中包含两个谐振峰，两谐振峰波长与弯曲度成良好的线性关系，可用于感测弯曲度大小。

(2)本发明正交型长周期光纤光栅透射谱中两谐振峰波长还与温度成良好的线性关系，并且两谐振峰的弯曲灵敏度方向相反，利用弯曲-温度交叉感测的方法测量弯曲度大小时，具有灵敏度高的优势，可以此为基础制成高精度弯曲度传感器。

(3)本发明正交型长周期光纤光栅透射谱中两谐振峰之间的漂移大小关系随弯曲方向的改变而改变，因此还可同时用于感测弯曲方向。

附图说明

图1为本发明正交型长周期光纤光栅结构示意图；

图2为第一段凹槽段的尺寸示意图；

图3为第二段凹槽段的尺寸示意图；

图4为制备本发明光纤光栅的设备结构图；

图5为本发明光纤光栅透射谱随弯曲曲率变化情况图；

图6为透射谱中第一个谐振峰处局部放大图；

图7为第一个谐振峰波长随曲率变化的线性拟合关系图；

图8为透射谱中第二个谐振峰处局部放大图；

图9为第二个谐振峰波长随曲率变化的线性拟合关系图；

图10为本发明光纤光栅透射谱随温度变化情况图；

图11为第一个谐振峰波长随温度变化的线性拟合关系图；

图12为第二个谐振峰波长随温度变化的线性拟合关系图。

附图标记：

101-CO₂激光器； 102-光学聚焦系统； 103-三维高精度移动平台； 104-超连续光源；

105-扭转夹具； 106-砝码； 107-光谱分析仪； 108-计算机；

109-CCD相机。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所示实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相通或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

(一)光纤光栅结构：

如图1至3所示的正交型长周期光纤光栅，在光纤圆周面上设有两段凹槽段，每段凹槽段都由数个同向排列的凹槽组成，每道凹槽均与光纤轴线相切，第一段凹槽段构成普通长周期光纤光栅，第二段凹槽段构成超结构长周期光纤光栅；两段凹槽段沿光纤长度方向前后设置，且在圆周方向上两段凹槽段之间呈正交排布。

第一段凹槽段中，凹槽深度d1、凹槽宽度w1和凹槽周期f1(即两两凹槽之间的间距)分别满足：20μm≤d1≤25μm，5μm≤w1≤10μm，610μm≤f1≤630μm；凹槽个数也会影响光纤光栅特性，本发明中第一段凹槽个数N1优选40个。

第二段凹槽段中，凹槽深度d2、凹槽宽度w2和凹槽周期f2(即两两凹槽之间的间距)分别满足：25μm≤d2≤30μm，5μm≤w2≤10μm，490μm≤f1≤510μm；本发明第二段凹槽个数N2优选24个，且每6个凹槽为一组，每组之间间隔v＝2.5mm。

在光纤轴向方向上，第一段凹槽段与第二段凹槽段之间间隔u＝24.18mm。

(二)制备方法：

制备本发明正交型长周期光纤光栅的装置如图4所示，包括CO₂激光器101、光学聚焦系统102、三维高精度移动平台103、超连续光源104、扭转夹具105、砝码106、光谱分析仪107、计算机108和CCD相机109。制备原理为通过CO₂激光器101聚焦照射光纤，使光纤被加热熔融，释放光纤内的残余应力并发生物理变形，即对光纤表面进行刻蚀，最终使得单模光纤纤芯和包层的有效折射率差值发生变化，形成光栅；在利用CO₂激光器101写制光纤光栅的过程中，通过光谱分析仪107监测光纤的透射谱，当光从单模光纤纤芯输入并通过光栅区域时，部分纤芯基膜的能量会耦合进入高阶包层膜，导致透射谱中出现一定的损耗，从而在透射谱特定波长处形成损耗峰(即谐振峰)，通过观测透射谱判断是否达到写制要求。

具体操作步骤如下：

步骤(1)：取一段标准单模光纤，光纤直径为125μm，光纤一端连接超连续谱光源104，另一端连接至光谱分析仪107；将上述单模光纤放置在三维高精度移动平台103上，三维高精度移动平台103由计算机108控制，用于精确调控其上光纤空间位置，处于三维高精度移动平台103外的光纤两端分别通过扭转夹具105夹持，并在其中一端悬挂砝码106，保证光纤处于水平拉紧状态；CO₂激光器101与计算机108连接并受其操控，用以发射激光，激光经光学聚焦系统102聚焦后照射光纤，从而对光纤进行刻蚀写制；CCD相机109与计算机108连接，用于观测光纤写制区域的加工情况。

步骤(2)：将处于三维高精度移动平台103上的光纤中部一小段去除涂覆层，露出其中裸纤，长度10cm；调节三维高精度移动平台103，使得裸纤处在由光学聚焦系统102聚焦的激光焦平面上，其中激光焦平面位置可预先利用感光纸确定，具体确定方法为现有常规技术手段，或者也可用其他等同方法确定焦平面位置，上述露出的裸纤部分即为写制区域；打开超连续光源104，并利用光谱分析仪107实时监测透射光谱。

步骤(3)：通过计算机108并利用现有写制程序对光纤分进行第一段写制，第一段写制程序中，设置光栅周期f1为620μm，标记刻槽数1,2,3,4……40，其中初始的第一个槽的坐标为-12.09mm，最后一个槽的坐标为12.09mm；在写制过程中，通过光谱分析仪107监测透射谱，由于单次刻蚀的深度较浅，导致光谱仪上显示的光谱效果不佳，所以需要重复写制6～8次，从而完成普通长周期光纤光栅的写制。

步骤(4)：第一段写制完成后，利用扭转夹具105将光纤旋转90°，并利用三维高精度移动平台103将光纤沿轴向平移，以第一段最后一个槽为基准，朝远离第一个槽的方向平移24.18mm。

步骤(5)：通过计算机108并利用现有写制程序对光纤进行第二段写制，第二段写制程序中，设置光栅周期为500μm，标记刻槽数41,42,43……64，其中每6个槽为一组，每组间隔2.5mm，并设第二段中第一个槽的坐标为-12.09mm，最后一个槽的坐标为7.41mm；在写制过程中监测透射谱，第二段需重复写制8～10次，从而完成超结构长周期光纤光栅的写制。

在上述制备方法中，因为CO₂激光器101照射加热光纤的过程中会使光纤产生拉伸或轻微弯曲，所以采用在光纤一端悬挂砝码106的方法，使光纤始终处于拉紧状态，对光纤施加轴向预紧力可以有效提高光纤光栅的制备效率。

(三)应用及试验：

弯曲测试：

在室温下，利用螺旋测微器使本发明正交型长周期光纤光栅的弯曲曲率，沿同一弯曲方向由0.122m^-1变化至1.098m^-1，观测并记录其透射光谱随之相应的变化情况，变化情况包括谐振波长和损耗，其中曲率每变化0.122m^-1记录一组数据，最后利用Origin软件绘制出透射谱的变化情况图。

如图5所示的透射谱随曲率变化情况图，横坐标为波长(单位nm)，纵坐标为损耗(单位dB)，其中DipA和DipB为两个谐振峰。

将DipA处的透射谱提取并放大，结果如图6所示，由图示看出，随着弯曲曲率的增大，DipA谐振波长向长波方向漂移；DipA的谐振波长随弯曲曲率变化的线性拟合如图7所示，其线性拟合结果为y＝1.639x+1237.4，即弯曲灵敏度为1.639nm/m^-1。

将DipB处的透射谱提取并放大，结果如图8所示，由图示看出，随着弯曲曲率的增大，DipB谐振波长向短波方向漂移；DipB的谐振波长随弯曲曲率变化的线性拟合如图9所示，其线性拟合结果为y＝-6.229x+1312.8，即弯曲灵敏度为-6.229nm/m^-1。

温度测试：

保证其他条件不变，利用光谱分析仪观测本发明正交型长周期光纤光栅透射谱随环境温度的变化情况，温度调节范围30～170℃，光谱分析仪每隔20℃记录一组观测数据，结果如图10所示。

按前述方法，将图8中两个谐振峰DipA和DipB波长随温度变换关系做线性拟合，分别得到图11和图12，其中DipA的拟合结果为y＝0.070x+1235.4，即灵敏度为0.070nm/℃；DipB的拟合结果为y＝0.065x+1310.1，即灵敏度为0.065nm/℃。

应用：

由上述试验得出，当外界条件不变时，随着弯曲曲率增加，本发明正交型长周期光纤光栅的谐振峰波长会发生漂移，且波长与曲率之间呈良好的线性关系，通过检测谐振峰漂移情况，可得到相应弯曲度大小，即曲率。

并且由于本发明存在两个谐振峰且两者弯曲灵敏度方向相反，同时加上两谐振峰波长还与温度存在良好的线性关系且两者温度灵敏度方向相同，因此，可利用弯曲-温度交叉感测的方法，提高弯曲度的感测精度，具体方法如下：

弯曲-温度交叉感测时，两谐振峰DipA及DipB波长Δλ_A和Δλ_B随弯曲度Δρ和温度ΔT的变化公式为：

其中，K_ρA和K_ρB分别表示弯曲单独作用于光纤光栅时，谐振峰DipA和DipB的弯曲灵敏度；K_TA和K_TB分别表示温度单独作用于光纤光栅时，谐振峰DipA和DipB的温度灵敏度。将公式(1)变形得到：

其中D为K_ρAK_TB-K_ρBK_TA，因与Δρ和ΔT成反比关系，故D值大小反应了上述弯曲-温度交叉感测方法的灵敏度，其值越大则灵敏度越高；根据上述测试得到，本发明光纤光栅K_ρA和K_ρB方向相反，K_TA和K_TB方向相同，故D值较大，进而同时测量时精度较高。因此本发明正交型长周期光纤光栅可以用于制成弯曲传感器，具有弯曲度测量精度高的优点。

本发明正交型长周期光纤光栅透射谱中出现的两个谐振峰，分别是由处于正交关系的普通光栅结构和超结构光栅结构产生，因此不同的弯曲方向，造成的两谐振峰漂移情况并不相同，即不同的弯曲方向将导致两谐振峰弯曲灵敏度发生改变，具体表现为同一弯曲度下，不同弯曲方向造成的两谐振峰波长漂移大小的比值不同，进而根据此特性，本发明光纤光栅还可用于感测弯曲方向。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种正交型长周期光纤光栅，其特征在于：在光纤表面刻蚀有两段凹槽段，两凹槽段沿光纤轴向前后排列，并且在圆周方向上正交；每段凹槽段分别由若干个凹槽沿轴向排列构成，第一段凹槽段中凹槽等间距排列，第一段凹槽段构成长周期光纤光栅；第二段凹槽段中凹槽等分为多组，组内凹槽等间距排列，各组之间间隔相等，第二段凹槽段构成超结构长周期光纤光栅；所述第二段凹槽段中，凹槽深度d2、凹槽宽度w2和凹槽周期f2分别满足：25μm≤d2≤30μm、5μm≤w2≤10μm、490μm≤f1≤510μm；第二段凹槽段中凹槽的个数N2为24，且每6个为一组，每组凹槽之间间隔v＝2.5mm；

所述光纤光栅用于测量弯曲度，光纤光栅的透射谱中包含两个谐振峰，分为DipA和DipB，两个谐振峰波长与弯曲度以及温度之间呈线性关系，且有：

D＝K_ρAK_TB-K_ρBK_TA

其中K_ρA和K_ρB分别为弯曲单独作用于光纤光栅时，谐振峰DipA和DipB的弯曲灵敏度；K_TA和K_TB分别表示温度单独作用于光纤光栅时，谐振峰DipA和DipB的温度灵敏度，ΔT为温度，Δρ为弯曲度。

2.根据权利要求1所述的正交型长周期光纤光栅，其特征在于：所述第一段凹槽段中，凹槽深度d1、凹槽宽度w1和凹槽周期f1分别满足：20μm≤d1≤25μm、5μm≤w1≤10μm、610μm≤f1≤630μm。

3.根据权利要求2所述的正交型长周期光纤光栅，其特征在于：所述第一段凹槽段中凹槽个的数N1为40。

4.根据权利要求1所述的正交型长周期光纤光栅，其特征在于：所述两凹槽段之间间隔u＝24.18mm。

5.根据权利要求1所述的正交型长周期光纤光栅，其特征在于：所述光纤光栅的原料为标准单模光纤。

6.一种基于权利要求1-5中任一项所述正交型长周期光纤光栅感测弯曲的应用，其特征在于：所述光纤光栅的透射谱中包含两个谐振峰，通过检测光纤光栅透射谱中谐振峰波长，利用公式

计算得到被测弯曲度大小。

7.根据权利要求6所述的正交型长周期光纤光栅感测弯曲的应用，其特征在于：根据两谐振峰波长漂移大小的比值，判断弯曲方向。

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