CN113310411A - 圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感领域，具体涉及圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器；包括宽谱光源，单模光纤，三维位移台，光谱仪，一端为圆弧端面的同轴双波导光纤、调制传感渐变折射率多模光纤，金属膜；其中，所述三维位移台的两侧夹具分别夹持相对设置的单模光纤一端及同轴双波导光纤的一端，单模光纤的另一端连接宽谱光源，同轴双波导光纤的圆弧端面的一端与调制传感渐变折射率多模光纤的入射端对向设置在待检测物上，调制传感渐变折射率多模光纤的另一端连接光谱仪。本发明技术方案解决了光纤型SPR传感器二维位移检测精度低、检测装置复杂等问题，同时增大了位移传感的检测范围，实现了检测范围的可调，可广泛应用于桥梁、建筑等结构的裂缝监测上。

Description

圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于光纤传感器领域，具体涉及一种圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器及其制作方法。

背景技术

位移的测量在诸多领域都起着至关重要的作用，例如桥梁、建筑等结构健康监测领域，微观制造领域以及精确定位等领域，光纤传感器由于其高灵敏度，响应快，体积小，抗电磁干扰，成本低廉，结构紧凑，远距离传输等优势受到广泛的关注。

光纤表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感器主要是对外界环境某一物理量的变化进行感知与传输，物理量可以为温度、液体折射率、压力等，该技术在生物、医学、传感等领域的得到了广泛应用，SPR现象的影响因素包括SPR入射角度，金膜厚度等。目前，已经有研究人员提出了基于光纤SPR的位移传感器，它在光纤上制作Otto结构，并实现了31.45nm/nm的超高灵敏度，但是，由于Otto结构的缺陷，检测范围超窄(0-10nm)，并且极易受环境干扰，且只能检测一个方向的位移量；也有研究人员提出一种光纤SPR基于Kretschmann结构的光纤微位移传感器，虽然实现了最高10.32nm/nm的高灵敏度，但是只能实现径向方向微位移的检测；此外申请号为201811118065.0、授权号为CN109099847A的中国专利公开的基于宏弯损耗效应和功率耦合的二维光纤位移传感器，利用有源光纤与两根无缘光纤双绞构成两个级联的宏弯耦合结构分别检测两个方向上的位移，利用宏弯半径变化影响光功率来实现两个方向上的位移检测，这种二维位移传感器微宏弯结构检测精度低只能用于工业上一些宏观位移检测。

基于此，有必要开发一种灵敏度高的新型二位位移传感器。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种新型的二维位移传感器，以提高现有光纤SPR位移传感器的灵敏度。本发明的又一目的在于提供一种制作圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器的方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器，包括宽谱光源，单模光纤，三维位移台，光谱仪，一端为圆弧端面的同轴双波导光纤，调制传感渐变折射率多模光纤，金属膜，石英毛细管，甘油水溶液，其中，三维位移台的两侧夹具分别夹持相对设置的单模光纤一端及同轴双波导光纤的一端，单模光纤的另一端连接宽谱光源，同轴双波导光纤的圆弧端面的一端与调制传感渐变折射率多模光纤的入射端对向设置固定在待检测物上，调制传感渐变折射率多模光纤的另一端连接光谱仪，所述调制传感渐变折射率多模光纤成哑铃型，其收缩部为腐蚀镀膜区，腐蚀镀膜区表面环形包覆有金属膜，调制传感渐变折射率多模光纤的腐蚀镀膜区位于石英毛细管中部，石英毛细管两端通过光学胶与调制传感渐变折射率多模光纤密封连接，石英毛细管与调制传感渐变折射率多模光纤间充满甘油水溶液，所述同轴双波导光纤与调制传感渐变折射率多模光纤通过左右两个石英V槽固定在待检测物上，且同轴双波导光纤的圆弧端面露出石英V槽。

上述结构中光信号经同轴双波导光纤的圆弧端面发出并注入调制传感渐变折射率多模光纤的纤芯中，在调制传感渐变折射率多模光纤的腐蚀镀膜区倏势场泄露到金属膜表面，发生SPR效应后传至光谱仪中进行信号采集与解调，改变同轴双波导光纤的圆弧端面与调制传感渐变折射率多模光纤左端面径向或轴向的相对位置，就能改变光在调制传感渐变折射率多模光纤的光传输轨迹，进而改变SPR共振角，使SPR共振谷波长发生移动，通过SPR共振谷波长的移动量来实现径向或轴向微位移传感。

作为优选方案，所述宽谱光源波长范围覆盖500nm至1000nm波段；所述光谱仪的波长覆盖范围为500nm-1100nm；所述单模光纤的纤芯直径为9μm，包层直径为125μm；所述三维位移台可调节单模光纤和圆弧端面同轴双波导光纤的位置进行前后、左右、上下方位的移动以实现给圆弧端面同轴双波导光纤的中间纤芯或环形纤芯注光，所述三维位移台的移动精度为10μm。

作为优选方案，所述圆弧端面同轴双波导光纤是同轴双波导光纤通过光纤放电熔融技术加工成微球或锥形的圆弧端面；其中，同轴双波导光纤的中间纤芯位于同轴双波导光纤中央，为圆形，直径9μm，内包层直径60μm，环形纤芯围绕内包层均匀分布，内径为60μm，外径为80μm，外包层直径125μm围绕环形纤芯均匀分布。

作为优选方案，所述左石英V槽和右石英V槽为矩形石英块，在长边的中线处有一条V槽贯穿整个矩形石英块，V槽夹角为90度，槽深为300μm。

作为优选方案，所述调制传感渐变折射率多模光纤是由纤芯直径为105μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.3的渐变折射率多模光纤制成，其中腐蚀镀膜区的直径为50μm。

作为优选方案，所述金属膜可以是厚度为30nm-60nm的金属薄膜；所述石英毛细管内直径范围为250～280μm，外直径为300μm，石英毛细管长度为2cm；所述甘油水溶液为甘油和水的混合溶液，其折射率范围在1.333RIU到1.405RIU之间。

所述的圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1取一段足够长的单模光纤，对其两端面做切平处理，单模光纤左端面通过裸纤适配器连接到宽谱光源上，右端放置于三维位移台的左侧夹具中；

S2制备圆弧端面同轴双波导光纤，具体步骤为：取两段1m长的同轴双波导光纤，将两段同轴双波导光纤的四个端面做切平处理，将一段同轴双波导光纤的右端面放入光纤端面成球机中经多次放电熔融，将光纤端面加工成微球结构的圆弧端面；将另一段同轴双波导光纤的右端剥除5cm长涂覆层，放入放电熔融拉锥机中经多次放电熔融拉锥直至光纤熔融拉断，此时光纤端面就会形成锥形结构的圆弧端面，将端面加工好的两段同轴双波导光纤放置一旁备用；

S3制备调制传感渐变折射率多模光纤，具体步骤如下：

S3-1取一段35cm长的渐变折射率多模光纤，用光纤剥线钳将渐变折射率多模光纤左侧剥除5cm长涂覆层，并将其左端面切平，并用蘸有酒精的无纺布擦拭干净，在距离左端面1cm处的右侧进行腐蚀，腐蚀长度为1cm，并将待腐蚀的渐变折射率多模光纤固定在亚克力板上，欲腐蚀区位于亚克力板的中心，在欲腐蚀区上滴加氢氟酸，将其直径腐蚀至50μm后清洁干净，将腐蚀后的光纤放入磁控溅射仪金靶下方，镀制50nm金膜；

S3-2将镀制好金膜的渐变折射率多模光纤从右至左插入一段长2cm，中心孔直径大于250微米的石英毛细管中，镀有金膜的传感区位于石英毛细管的中间位置，从石英毛细管的一端与渐变多模的开口处注入折射率为1.375的甘油水溶液，直至甘油水溶液填满石英毛细管，然后用紫外固化胶将石英毛细管两端与渐变多模光纤的开口处密封；

S4将处理好的同轴双波导光纤的左端固定在三维位移台的右侧夹具中，右端用光学胶固定于左石英V槽内，其中，圆弧端面露出V槽，将制作好的调制传感渐变折射率多模光纤左端用光学胶固定于右石英V槽内，其左端面露出V槽，右端通过裸纤适配器连接至光谱仪；

S5使用时，将左、右石英V槽分别贴于待检测的物体上，圆弧端面与渐变折射率多模光纤的左端面正对放置，同轴双波导光纤中心轴与渐变折射率多模光纤的中心轴在同一直线上。

所述圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器的标定方法为：将左、右石英V槽分别放于三维位移台左右两夹具上，通过移动三维位移台来移动两光纤的相对位置，构建二维位移量与SPR共振波长之间的关系，以便于实际应用中，能够通过SPR共振波长的移动量去判断发生的位移量。

本发明的有益效果在于：通过利用光纤放电熔融技术在同轴双波导光纤端面加工微球形或锥形圆弧端面，调节单模光纤给圆弧端面同轴双波导光纤的环形纤芯或中间纤芯注光，构造圆锥环形出射光场和平行出射的单芯光场，这两种光场进入到调制传感渐变折射率多模光纤中，可分别检测圆弧端面同轴双波导光纤与调制传感渐变折射率多模光纤之间的轴向位移量和径向位移量，通过选择微球端面或锥形端面的同轴双波导光纤来实现灵敏度的提高或检测范围的增大，还可通过改变同轴双波导光纤端面微球的大小或锥形端面的尖锐程度来实现灵敏度和检测范围的调节，解决了光纤型SPR传感器二维位移检测精度低、检测装置复杂等问题；本发明在桥梁、建筑等结构健康监测上具有明显优势，将本发明贴敷于桥梁上或建筑结构上，桥梁或建筑一旦出现裂缝，通过观察光谱仪上SPR共振波长的移动量，即可推测裂缝宽度，因此本发明具有广阔的应用价值。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例的整体组成示意图；

图2为本发明实施例的微球端面同轴双波导光纤二维位移传感探针结构示意图；其中图2(a)为同轴双波导光纤剖面图对应于AA’平面；图2(b)为渐变折射率多模光纤剖面图对应于BB’平面；图2(c)为调制传感渐变折射率多模光纤腐蚀传感区剖面图对应于CC’平面；

图3为本发明实施例的微球端面同轴双波导光纤径向位移SPR传感探针结构示意图；

图4为本发明实施例的微球端面同轴双波导光纤轴向位移SPR传感探针结构示意图；

图5为本发明实施例的锥形端面同轴双波导光纤径向位移SPR传感探针结构示意图；

图6为本发明实施例的锥形端面同轴双波导光纤轴向位移SPR传感探针结构示意图；

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本实施例的整体组成包括：宽谱光源1，单模光纤2，三维位移台3，圆弧端面同轴双波导光纤4，左石英V槽5，调制传感渐变折射率多模光纤6，金属膜7，石英毛细管8，甘油水溶液9，右石英V槽10，光谱仪11。本实施例涉及圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器，二维位移传感器可以是径向位移传感器，也可以是轴向位移传感器；宽谱光源波长范围覆盖500nm至1000nm波段；单模光纤2的纤芯直径为9μm，包层直径为125μm；三维位移台3的移动精度为10μm；同轴双波导光纤的中间纤芯4-3位于同轴双波导光纤中央，为圆形，直径9μm，内包层4-4直径60μm，环形纤芯4-5围绕内包层1-2均匀分布，内径为60μm，外径为80μm，外包层4-6直径125μm围绕环形纤芯4-5均匀分布；左石英V槽5和右石英V槽10完全相同，为长3cm，宽1cm，厚0.15cm的矩形石英块，在长边的中线处有一条V槽贯穿整个矩形石英块，V槽夹角为90度，槽深为300μm；调制传感渐变折射率多模光纤6是由纤芯6-1直径为105μm，包层6-2直径为125μm，数值孔径为0.3的渐变折射率多模光纤制成，其中腐蚀镀膜区的直径为50μm；金属膜7可以是厚度为30nm-60nm的金属薄膜；石英毛细管8的中心为空气，内直径为250～280μm，外直径为300μm，石英毛细管8长度为2cm；甘油水溶液9为甘油和水的混合溶液，其折射率范围在1.333RIU到1.405RIU之间；光谱仪11的波长覆盖范围为500nm-1100nm。

具体连接方式为：宽谱光源1与单模光纤2的左端相连，单模光纤2右端置于三维位移台3左边夹具中，圆弧端面同轴双波导光纤4左端置于三维位移台3右边夹具中，圆弧端面同轴双波导光纤4的右端用光学胶固定于左石英V槽5中，圆弧端面露出V槽，调制传感渐变折射率多模光纤6左端经氢氟酸腐蚀去掉包层和部分纤芯后，环镀一层金属膜7，再将调制传感渐变折射率多模光纤6插入石英毛细管8中，使腐蚀镀膜区位于石英毛细管8中间，注入甘油水溶液9将石英毛细管8填满并密封，构成SPR传感区域，再将调制传感渐变折射率多模光纤6的左端用光学胶固定于右石英V槽10中，且左端面露出V槽，调制传感渐变折射率多模光纤6右端与光谱仪11相连。

具体制作方法步骤如下：

S1取一段足够长的单模光纤，对其两端面做切平处理，单模光纤左端面通过裸纤适配器连接到宽谱光源上，右端放置于三维位移台的左侧夹具中；

S2制备圆弧端面同轴双波导光纤，具体步骤为：取两段1m长的同轴双波导光纤，将两段同轴双波导光纤的四个端面做切平处理，将一段同轴双波导光纤的右端面放入光纤端面成球机中经多次放电熔融，将光纤端面加工成微球结构的圆弧端面；将另一段同轴双波导光纤的右端剥除5cm长涂覆层，放入放电熔融拉锥机中经多次放电熔融拉锥直至光纤熔融拉断，此时光纤端面就会形成锥形结构的圆弧端面，将端面加工好的两段同轴双波导光纤放置一旁备用；

S3制备调制传感渐变折射率多模光纤，具体步骤如下：

S3-1取一段35cm长的渐变折射率多模光纤，用光纤剥线钳将渐变折射率多模光纤左侧剥除5cm长涂覆层，并将其左端面切平，并用蘸有酒精的无纺布擦拭干净，在距离左端面1cm处的右侧进行腐蚀，腐蚀长度为1cm，并将待腐蚀的渐变折射率多模光纤固定在亚克力板上，欲腐蚀区位于亚克力板的中心，在欲腐蚀区上滴加氢氟酸，将其直径腐蚀至50μm后清洁干净，将腐蚀后的光纤放入磁控溅射仪金靶下方，镀制50nm金膜；

S3-2将镀制好金膜的渐变折射率多模光纤从右至左插入一段长2cm，中心空气孔直径大于250微米的石英毛细管中，镀有金膜的传感区位于石英毛细管的中间位置，从石英毛细管的一端与渐变多模的开口处注入折射率为1.375的甘油水溶液，直至甘油水溶液填满石英毛细管，然后用紫外固化胶将石英毛细管两端与渐变多模光纤的开口处密封；

S4将处理好的同轴双波导光纤的左端固定在三维位移台的右侧夹具中，右端用光学胶固定于左石英V槽内，其中，圆弧端面露出V槽，将制作好的调制传感渐变折射率多模光纤左端用光学胶固定于右石英V槽内，其左端面露出V槽，右端通过裸纤适配器连接至光谱仪；

S5使用时，将左、右石英V槽分别贴于待检测的物体上，圆弧端面与渐变折射率多模光纤的左端面正对放置，同轴双波导光纤中心轴与渐变折射率多模光纤的中心轴在同一直线上。

圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器的标定方法为，将左、右石英V槽分别放于三维位移台左右两夹具上，通过移动三维位移台来移动两光纤的相对位置，构建二维位移量与SPR共振波长之间的关系，以便于实际应用中，能够通过SPR共振波长的移动量去判断发生的位移量。

通过光纤端面放电融球技术可将同轴双波导光纤的端面加工成微球端面4-1，如图3所示，当调节三维位移台3移动单模光纤2给中间纤芯注光时，将会在微球端面4-1得到一个更加平行出射的单芯光束，单芯光束会进入调制传感渐变折射率多模光纤6中，此时光束在调制传感渐变折射率多模光纤6的自聚焦效应下呈现沿正弦曲线向前传播，当同轴双波导光纤的微球端面4-1与调制传感渐变折射率多模光纤6的左端面发生径向移动时，径向位移量越大，单芯光束的注光位置偏离调制传感渐变折射率多模光纤6的中心轴越远，且光传输轨迹的振幅越大，光束在腐蚀镀膜区形成的反射角(即SPR入射角)就越小，共振波长往长波长方向移动，进而通过SPR共振波长实现径向微位移传感；

如图4所示，微球端面4-1的环形纤芯发生对应形状的弯曲变形，当调节三维位移台3移动单模光纤2给环形纤芯4-5注光时，通过球面的折射，将会在微球端面4-1得到直径均匀变小的圆锥环形光束，当同轴双波导光纤的微球端面4-1与调制传感渐变折射率多模光纤6的左端面发生轴向移动时，轴向位移量越大，环形光束的注光位置偏离调制传感渐变折射率多模光纤6的中心轴就越近，环形光束入射到调制传感渐变折射率多模光纤6的直径就越小，光在调制传感渐变折射率多模光纤6中的传输轨迹的振幅越小，光束在腐蚀镀膜区形成的反射角(即SPR入射角)就越大，共振波长往短波长方向移动，进而通过SPR共振波长实现轴向微位移传感。

通过光纤电熔拉锥技术可将同轴双波导光纤的端面加工成锥形端面4-2，如图5所示，锥形端面4-2的中间纤芯直径均匀变细，当调节三维位移台3移动单模光纤2给中间纤芯注光时，将会在锥形端面4-2得到一个更加平行的单芯光束，当同轴双波导光纤的锥形端面4-2与调制传感渐变折射率多模光纤6的左端面发生径向移动时，径向位移量越大，单芯光束的注光位置偏离调制传感渐变折射率多模光纤6的中心轴越远，光在调制传感渐变折射率多模光纤6中的光传输轨迹的振幅越大，光束在腐蚀镀膜区形成的反射角(即SPR入射角)就越小，共振波长往长波长方向移动，进而通过SPR共振波长实现径向微位移传感。

如图6所示，锥形端面4-2的环形纤芯发生对应形状弯曲和变细，当调节三维位移台3移动单模光纤2给环形纤芯4-5注光时，通过微锥结构圆弧端面的折射，将会在锥形端面4-2得到的圆锥环形光束直径先均匀变小并汇聚到一点，然后再从该点开始光场直径均匀变大，由于同轴双波导光纤的锥形端面4-2均匀变细，所以出射的光束直径比较小，而渐变折射率多模光纤的腐蚀加工工艺有限，所以当同轴双波导光纤的锥形端面4-2与调制传感渐变折射率多模光纤6的左端面发生轴向移动时，调制传感渐变折射率多模光纤6端面接收到的环形光场直径过小，还不能使倏势场泄露到腐蚀镀膜区表面，所以有一段轴向位移量无法发生SPR效应，即存在空程，随着轴向位移量逐渐增大，直到调制传感渐变折射率多模光纤6接收到的环形光场直径足够大，以至于能够使倏势场泄露到腐蚀镀膜区表面，才能发生SPR效应，此时渐变折射率多模光纤的收光位置位于汇聚点的右侧，且随着轴向位移量逐渐增大，环形光束的注光位置离调制传感渐变折射率多模光纤6的中心轴就越远，环形光束入射到调制传感渐变折射率多模光纤6的直径就越大，光在调制传感渐变折射率多模光纤6中的光传输轨迹的振幅越大，光束在腐蚀镀膜区形成的反射角，即SPR共振角就越小，共振波长往长波长方向移动，进而通过SPR共振波长实现轴向微位移传感。

本传感器可通过微球直径的大小来实现灵敏度的提高或检测范围的增大，也可通过改变调制传感渐变折射率多模光纤6的纤芯直径以及腐蚀镀膜区的直径来实现灵敏度和检测范围的调节。

本发明利用光纤端面放电融球技术和光纤电熔拉锥技术，将同轴双波导光纤的平端面加工成微球和锥形结构的圆弧端面，即在同轴双波导光纤的端面加工一个微透镜，当调节三维位移台3移动单模光纤2给同轴双波导光纤的环形纤芯4-5注光时,就能形成圆锥环形光场，圆锥环形光场由调制传感渐变折射率多模光纤6的左端面接收并沿正弦曲线向右传输，当同轴双波导光纤的圆弧端面与调制传感渐变折射率多模光纤6左端面发生轴向微位移时，调制传感渐变折射率多模光纤6左端面接收到的环形光场直径随着轴向位移量的变化而变化，调制传感渐变折射率多模光纤6中环形光束的传输振幅也会发生改变，在腐蚀镀膜区形成的反射角也会发生改变，即SPR共振角改变，使得SPR共振波长发生移动，从而通过SPR共振波长的移动量实现对轴向微位移的传感；且同轴双波导光纤环形纤芯经过端面加工成圆弧后出射中心无光的圆锥形环形光束，环形光束进入到调制传感渐变折射率多模光纤6后沿各个方向的正弦曲线传输，在腐蚀传感区发生SPR后传至光谱仪，在没有中心光场的干扰下，得到的SPR共振谷半高宽更窄，SPR共振谷更深。

同轴双波导光纤的中间纤芯直径为9um，注入宽谱光信号，宽谱光会以多模或少模的形式沿纤芯传输，不同模式的光以不同出射角从端面射出，因此在光纤平端面会出射存在发散角的锥状光束，存在发散角的锥状光束进入到调制传感渐变折射率多模光纤6中就会以多模形式在调制传感渐变折射率多模光纤6的纤芯中传输，由于传输光的模式不单一，使得SPR共振谷展宽和SPR共振谷深度变浅，降低了传感器的检测性能；且同轴双波导光纤中间纤芯输出的具有发散角的锥状光束在进行径向微位移传感时，若同轴双波导光纤端面与调制传感渐变折射率多模光纤端面存在不同距离的间隙，使得调制渐变折射率多模光纤端面接收到的光场直径不同，会不同程度上影响SPR共振谷的宽度和SPR共振谷深度；本发明在同轴双波导光纤端面制作圆弧构造微透镜，依据光纤端面出射锥状光束的发散程度控制选择不同的圆弧端面，利用微透镜的汇聚特性将发散的锥状出射光变成平行出射光，平行光场的大小不会因间隙不同而发生改变，并以单一模式进入到调制传感渐变折射率多模光纤6中，不会使SPR共振谷展宽和深度变浅，解决同轴双波导光纤平端面出射光存在发散角的问题，在提升传感器检测性能的同时，解决径向微位移传感受间隙干扰的问题。

本发明可通过控制微球端面4-1的微球直径来实现轴向微位移传感灵敏度和检测范围的调节，微球直径越大，其端面出射的圆锥环形光场与中心轴的夹角逐渐减小即圆锥环形光场与中心轴越来越平行，当轴向微位移改变相同的量时，调制传感渐变折射率多模光纤6左端面接收到的圆锥环形光场直径变化更小，对应的光场传输振幅变化更小，传输光在腐蚀镀膜区的全反射角变化更小，即SPR入射角变化更小，即SPR共振波长移动量更小，传感器的灵敏度降低；由于光谱仪检测波段范围固定，而所选微球直径越大时SPR共振波长每移动1个纳米，对应的轴向位移改变量就更大，因此传感器对轴向微位移的检测范围更大。

本发明可通过控制锥形端面4-2尖端的尖锐程度来实现对轴向微位移传感灵敏度和检测范围的调节，若要使轴向微位移传感的灵敏度更高，就要构造直径变化趋势更大的圆锥环形光束，即构造与中心轴夹角更大的圆锥环形光束，就能使SPR共振角对更小的轴向位移变化量敏感，锥形端面4-2作为尖端透镜，使光束发生折射，其锥形端面的尖端越尖锐，等同于透镜对光束的汇聚能力越强，汇聚后的圆锥环形光束与中心轴的夹角就越大,因此可以通过控制选择尖锐的锥形端面4-2来实现高灵敏度的轴向微位移传感；反之，若要使轴向微位移传感的检测范围更大，就要构造直径变化趋势更小的圆锥环形光束，即构造与中心轴夹角更小的环形光束，即要选择更加钝化的锥形端面4-2。

本发明可实现时分复用传感，当调节三维位移台3移动单模光纤2给圆弧端面同轴双波导光纤4的中间纤芯4-3注光时，将会在同轴双波导光纤的圆弧端面得到一个平行出射的单芯光束，当同轴双波导光纤的圆弧端面与调制传感渐变折射率多模光纤6的左端面发生径向移动时，径向位移量越大，单芯光束的注光位置离调制传感渐变折射率多模光纤6的中心轴越远，光在调制传感渐变折射率多模光纤6的自聚焦特性下沿正弦曲线向前传输，且光的传输振幅随单芯光束注光位置偏离调制传感渐变折射率多模光纤6中心轴的距离的增大而增大，光束在腐蚀镀膜区形成的反射角即改变SPR共振角就越小，共振波长往长波长方向移动，进而通过SPR共振波长的移动量实现径向微位移传感；当调节三维位移台3移动单模光纤2给圆弧端面同轴双波导光纤4的环形纤芯4-5注光时，通过圆弧端面的折射，将会在圆弧端面得到直径均匀变化的圆锥环形光束，当同轴双波导光纤的圆弧端面与调制传感渐变折射率多模光纤6的左端面发生轴向移动时，圆锥环形光束的注光位置就会发生改变，使得环形光束入射到调制传感渐变折射率多模光纤6的直径发生变化，进而改变光在调制传感渐变折射率多模光纤6中的传输振幅，从而改变光束在腐蚀镀膜区传输的反射角即改变SPR共振角，使得共振波长发生移动，进而通过SPR共振波长的移动量实现轴向微位移传感；径向微位移传感与轴向微位移传感的转换仅需调整单模光纤2给圆弧端面同轴双波导光纤4注光的位置，两个传感模式相互独立，互不影响。

当调节三维位移台3移动单模光纤2给圆弧端面同轴双波导光纤4的环形纤芯4-5注光时，微球端面4-1形成的直径均匀变小的圆锥环形光场，而锥形端面4-2会出射先汇聚后发散的圆锥环形光场；且锥形端面4-2出射的圆锥环形光场与中心轴的夹角比微球端面4-1出射的圆锥环形光场与中心轴的夹角大，当两传感探针发生相同的轴向移动量时，调制传感渐变折射率多模光纤6端面接收到锥形端面4-2的环形光场直径变化更大，锥形端面4-2出射的光在调制传感渐变折射率多模光纤中的传输振幅变化更大，对应的SPR共振角变化更大，即SPR共振波长移动更明显，对应的检测范围较小，传感器的灵敏度更高，故锥形端面4-2能够实现窄检测范围高灵敏度的轴向微位移传感；而微球端面4-1则能够实现宽检测范围低灵敏度的轴向微位移传感。

锥形端面4-2的环形纤芯4-5变细，当调节三维位移台3移动单模光纤2给环形纤芯4-5注光时，通过微锥结构圆弧端面的折射，将会在锥形端面4-2得到光场直径先减小汇聚再变大的圆锥环形光场，由于环形纤芯4-5直径变细，所以出射的光束直径比较小，而渐变折射率多模光纤的腐蚀加工工艺有限，所以当同轴双波导光纤的锥形端面4-2与调制传感渐变折射率多模光纤6的左端面发生轴向移动时，调制传感渐变折射率多模光纤6端面接收到的环形光场直径过小，还不能使倏势场泄露到腐蚀镀膜区表面，所以有一段轴向位移量无法发生SPR效应，即存在空程，而微球端面4-1出射的圆锥环形光场直径大，其轴向微位移传感不存在空程问题，因此在检测轴向微位移时，可以通过控制选择微球端面4-1来弥补锥形端面4-2存在空程的缺陷。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过以上优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器，包括宽谱光源，单模光纤，三维位移台，光谱仪，其特征在于：还包括有一端为圆弧端面的同轴双波导光纤、调制传感渐变折射率多模光纤，金属膜，石英毛细管，甘油水溶液；其中，所述三维位移台的两侧夹具分别夹持相对设置的单模光纤一端及同轴双波导光纤的一端，单模光纤的另一端连接宽谱光源，同轴双波导光纤的圆弧端面的一端与调制传感渐变折射率多模光纤的入射端对向设置固定在待检测物上，调制传感渐变折射率多模光纤的另一端连接光谱仪，所述调制传感渐变折射率多模光纤成哑铃型，其收缩部为腐蚀镀膜区，腐蚀镀膜区表面环形包覆有金属膜，调制传感渐变折射率多模光纤的腐蚀镀膜区位于石英毛细管中部，石英毛细管两端通过光学胶与调制传感渐变折射率多模光纤密封连接，石英毛细管与调制传感渐变折射率多模光纤间充满甘油水溶液。

2.根据权利要求1所述的圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器，其特征在于：所述同轴双波导光纤与调制传感渐变折射率多模光纤通过左右两个石英V槽固定在待检测物上，且同轴双波导光纤的圆弧端面露出石英V槽。

3.根据权利要求1所述的圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器，其特征在于：所述宽谱光源波长覆盖范围为500nm-1000nm；所述光谱仪的波长覆盖范围为500nm-1100nm；所述三维位移台调节单模光纤和同轴双波导光纤的相对位置为同轴双波导光纤的中间纤芯或环形纤芯注光，同轴双波导光纤的中间纤芯位于同轴双波导光纤中央，环形纤芯围绕内包层均匀分布，外包层围绕环形纤芯均匀分布。

4.根据权利要求1所述的圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器，其特征在于：所述同轴双波导光纤的圆弧端面为微球形或锥形。

5.根据权利要求1所述的圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器，其特征在于：所述调制传感渐变折射率多模光纤是由纤芯直径为105μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.3的渐变折射率多模光纤制成，其中腐蚀镀膜区的直径为50μm。

6.根据权利要求1所述的圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器，其特征在于：所述金属膜为厚度30nm-60nm的金属薄膜；所述石英毛细管内直径范围为250-280μm，外直径为300μm；所述甘油水溶液为甘油和水的混合溶液，其折射率范围在1.333RIU到1.405RIU之间。

7.根据权利要求1所述的圆弧端面同轴双波导光纤二维位移传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1取一段足够长的单模光纤，对其两端面做切平处理，单模光纤左端面通过裸纤适配器连接到宽谱光源上，右端放置于三维位移台的左侧夹具中；

S2制备圆弧端面同轴双波导光纤，具体步骤为：取两段1m长的同轴双波导光纤，将两段同轴双波导光纤的四个端面做切平处理，将一段同轴双波导光纤的右端面放入光纤端面成球机中经多次放电熔融，将光纤端面加工成微球结构的圆弧端面；将另一段同轴双波导光纤的右端剥除5cm长涂覆层，放入放电熔融拉锥机中经多次放电熔融拉锥直至光纤熔融拉断，此时光纤端面就会形成锥形结构的圆弧端面，将端面加工好的两段同轴双波导光纤放置一旁备用；

S3制备调制传感渐变折射率多模光纤，具体步骤如下：

S3-1取一段35cm长的渐变折射率多模光纤，将渐变折射率多模光纤左侧剥除5cm长涂覆层，并将其左端面切平，并擦拭干净，在距离左端面1cm处的右侧进行腐蚀，腐蚀长度为1cm，并将待腐蚀的渐变折射率多模光纤固定并滴加氢氟酸腐蚀，将其直径腐蚀至50μm后清洁干净，将腐蚀后的光纤放入磁控溅射仪金靶下方，镀制50nm金膜；

S3-2将镀制好金膜的渐变折射率多模光纤从右至左插入一段长2cm，中心孔直径大于250微米的石英毛细管中，镀有金膜的传感区位于石英毛细管的中间位置，从石英毛细管的一端与渐变多模的开口处注入折射率为1.333-1.405RIU的甘油水溶液，直至甘油水溶液填满石英毛细管，然后用紫外固化胶将石英毛细管两端与渐变多模光纤的开口处密封；

S4将s2中处理好的微球结构或锥形结构的同轴双波导光纤的左端固定在三维位移台的右侧夹具中，右端用光学胶固定于左石英V槽内，其中，圆弧端面露出V槽，将制作好的调制传感渐变折射率多模光纤左端用光学胶固定于右石英V槽内，其左端面露出V槽，右端通过裸纤适配器连接至光谱仪；

S5使用时，将左、右石英V槽分别贴于待检测的物体上，圆弧端面与渐变折射率多模光纤的左端面正对放置，同轴双波导光纤中心轴与渐变折射率多模光纤的中心轴在同一直线上。

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