CN118244413A - 一种耦合器、其制备方法与应用、及曲率测试系统 - Google Patents
一种耦合器、其制备方法与应用、及曲率测试系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118244413A CN118244413A CN202410371244.4A CN202410371244A CN118244413A CN 118244413 A CN118244413 A CN 118244413A CN 202410371244 A CN202410371244 A CN 202410371244A CN 118244413 A CN118244413 A CN 118244413A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coupler
- optical fiber
- fiber
- section
- shaped
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 9
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 134
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 101
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims abstract description 43
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 claims abstract description 43
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims abstract description 43
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 29
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 4
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 claims abstract 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 53
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 5
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 abstract description 32
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- 230000008859 change Effects 0.000 description 14
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 11
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 11
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 description 7
- -1 Polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 3
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 2
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 2
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 description 1
- 206010033799 Paralysis Diseases 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 231100000956 nontoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)
Abstract
本发明公开了一种耦合器、其制备方法与应用、及曲率测试系统，涉及传感技术领域。该耦合器包括光纤和包裹光纤的PDMS膜；该光纤包括D形光纤段，D形光纤段包括纤芯和光纤包层；当纤芯为圆形结构时，光纤包层为包覆于纤芯表面的D形结构；当纤芯为D形结构时，光纤包层包覆于纤芯的曲面上。通过对耦合器的结构作上述设计，可以将弯曲曲率转换为光信号，通过解调，实现对弯曲曲率的精确测量，并且其在高温下的测量结果不会受到明显影响。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术领域，具体而言，涉及一种耦合器、其制备方法与应用、及曲率测试系统。
背景技术
现代传感技术已经与人类的日常生活难以分离，弯曲形变传感器也因其柔软、高弹性和可拉伸性等特点得到了十足的发展和广泛的应用。目前，利用电信号的柔性传感器的研究已经取得了很大进展，并且在许多领域得到了应用。电信号传感器基于电学原理，可以实现非接触式或接触式测量，具有响应速度快、价格较低等优点。然而其制作工艺复杂，易受外界电磁干扰的影响，而且不适用于高温、高压、强腐蚀等恶劣环境下的物体形状测量。
当前运营商相关设备或产品由于长期处于高温环境中，会发生各种微小形变，如不及时发现轻则影响设备使用性能，重则导致设备报废使网络瘫痪。现有的检测设备多以电传感器为主，在高温干扰下检测灵敏度严重降低，难以满足实际使用需求。迫切需要寻找一款先进、可靠的检测设备实时监测、巡视设备产品的运行状态，及时发现问题防止事故发生。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种耦合器、其制备方法与应用、及曲率测试系统，以解决现有技术中曲率检测设备易受环境影响，检测灵敏度不够的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种耦合器，包括光纤和包裹光纤的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜，该光纤包括D形光纤段，D形光纤段包括纤芯和光纤包层；当纤芯为圆形结构时，光纤包层为包覆于纤芯表面的D形结构；当纤芯为D形结构时，光纤包层包覆于纤芯的曲面上。
进一步地，纤芯为D形结构。
进一步地，当光纤包层直径为125μm、纤芯直径为8.2μm时，耦合器的厚度为0.1-0.3mm，D形光纤段的厚度为58.5-66.5μm，上述光纤为不含涂覆层的单模光纤。
进一步地，光纤中还包括过渡光纤段，过渡光纤段包括第一过渡光纤段和第二过渡光纤段，第一过渡光纤段和第二过渡光纤段分别位于D形光纤段的两侧，过渡光纤段的厚度沿靠近D形光纤段向远离D形光纤段的方向呈抛物线形增长。
进一步地，第一过渡光纤段和第二过渡光纤段的长度相同。
进一步地，D形光纤段和过渡光纤段的长度比为1：(1-2)。
进一步地，过渡光纤段的最小厚度与D形光纤段的厚度相同。过渡光纤段的最大厚度与光纤包层直径相同。
根据本发明的第二方面，还提供了一种新型耦合器的制备方法，包括如下步骤：
S1，制备PDMS膜；对光纤进行抛磨，得到包含D形光纤段的光纤；
S2，将PDMS膜包覆于光纤表面，得到耦合器。
根据本发明的第三方面，提供了一种新型耦合器在曲率测试系统中的应用。
根据本发明的第四方面，提供了一种曲率测试系统，包括宽带光源、耦合器和光谱仪，耦合器的一端与宽带光源相连，耦合器的另一端与光谱仪相连，该耦合器为本发明第一方面的耦合器或本发明第二方面制得的耦合器。
应用本发明的技术方案，采用光纤柔性传感技术，将具有高弹性、高柔韧性、良好的高低温稳定性、疏水性的PDMS膜包覆于光纤表面，增加光纤的柔韧性、延展性和耐候性；通过设置D形光纤段，可以使光纤中的光逸出到外界环境中，导致损耗增大，以光信号的变化表征外界环境的变化，其反应较为灵敏，并且通过设计过渡光纤段，可以提高耦合器的力学性能，改善其加工性能，更适合在产业上应用。
附图说明
图1为本发明D形光纤段的端面结构示意图；
图2为本发明光纤的结构示意图；
图3为本发明PDMS膜的制备过程示意图；
图4为光纤F1-F5的透射光谱图；
图5为耦合器的结构示意图；
图6为实施例1中的光纤正弯曲和负弯曲的示意图；
图7为实施例1中的光纤和耦合器的透射光谱对比图；
图8为曲率测试系统的示意图；
图9为实施例1耦合器正弯曲时干涉谷的强度随曲率的变化关系图；
图10为实施例1耦合器负弯曲时干涉谷的强度随曲率的变化关系图；
图11为实施例1耦合器升温过程中干涉谷所对应的中心波长随温度的变化关系图；
图12为实施例1耦合器降温过程中干涉谷所对应的中心波长随温度的变化关系图；
图13为基于强度解调时实施例1耦合器的温度响应和曲率灵敏度的对比图。
其中，上述附图包括以下附图标记：1、纤芯；2、光纤包层；3、D形光纤段；4、过渡光纤段；+Y、正弯曲；-Y、负弯曲。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
正如本发明背景技术中所述，现有技术中存在电信号传感器的灵敏性易受温度、电磁等因素影响的问题，为了解决上述问题，在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种耦合器，该耦合器包括光纤和包裹光纤的PDMS膜；该光纤包括D形光纤段，D形光纤段包括纤芯和光纤包层；当纤芯为圆形结构时，光纤包层为包覆于纤芯表面的D形结构；当纤芯为D形结构时，光纤包层包覆于纤芯的曲面上。
PDMS又名聚二甲基硅氧烷，具有耐热性、耐寒性、防水性、导热性、生理惰性、化学稳定性、电绝缘性、耐候性、抗剪切性、黏度随温度变化小、表面张力小、无毒无味等特性。
D形光纤为横截面呈现为英文字母“D”样式的光纤，其端面结构示意图如图1所示，光纤的部分包层(a)、部分包层和部分纤芯(b)、部分包层和全部纤芯(c)被去除。
包层是指在携带光波的纤芯外面覆盖的一层玻璃或其他的透明材料，它具有比纤芯略低的折射系数，因此能将光限制在纤芯里传播。
以PDMS膜包覆光纤可以提高光纤的柔韧性、耐温性，降低外界环境对耦合器的干扰，适用于光纤柔性传感技术领域。光纤柔性传感技术是基于光纤传感的发展与柔性光学材料相结合而逐渐形成的。它利用光纤传输光信号，在被测物或光纤位移或形状发生改变时，通过监测光强度、光相位、偏振态等特征的变化实现柔性传感功能。光纤柔性传感器主要有以下优势：(1)精度高，可以实现微小形状和位移的检测；(2)响应时间短，可以实现实时监测和反馈；(3)可靠性高，能够在恶劣环境下长时间运行；(4)灵敏度高，能够实现高分辨率的测量；(5)易于集成，能够实现多参数的检测和监测。
本发明以光纤柔性传感技术为基础，对耦合器的结构进行设计，D形光纤段可以使光纤中的光逸出到外界环境，当弯曲发生时，根据弯曲方向及D形光纤凸侧的位置的不同，光泄露窗口面积会分别发生缩小或增大，从而对弯曲曲率进行检测。
作为本发明一种优选的实施方式，所述纤芯为D形结构。当纤芯为D形结构，也即图1(b)所示结构时，其弯曲曲率检测的灵敏度最高，同时还具有良好的柔韧性，实用性高。
作为本发明一种优选的实施方式，当光纤包层直径为125μm、纤芯直径为8.2μm时，耦合器的厚度为0.1-0.3mm，D形光纤段的厚度为58.5-66.5μm，上述光纤为不含涂覆层的单模光纤。优选的，耦合器的厚度为0.15-0.25mm。
耦合器的厚度在上述范围内时，其易于加工，可以对光纤形成良好的包覆，360°弯曲不产生裂纹，同时具有良好的柔韧性，D形光纤段的厚度满足上述限定时其具有良好的力学性能以及曲率灵敏性，可以长期使用，稳定性较高。
作为本发明一种优选的实施方式，光纤中还包括过渡光纤段，过渡光纤段包括第一过渡光纤段和第二过渡光纤段，第一过渡光纤段和第二过渡光纤段分别位于D形光纤段的两侧，过渡光纤段的厚度沿靠近D形光纤段向远离D形光纤段的方向呈抛物线形增长。包含D形光纤段和过渡光纤段的光纤的结构示意图如图2所示。
通过在D形光纤段相邻位置设置过渡光纤段，可以避免耦合器在使用过程中产生裂纹，寿命降低过快。通过对耦合器的结构作上述设计，可以平衡耦合器的灵敏度以及力学性能，使其具有良好的使用性能。
作为本发明一种优选的实施方式，D形光纤段和过渡光纤段的长度比为1：(1-2)；第一过渡光纤段和第二过渡光纤段的长度相同。满足上述限定时，曲率测量精度更高，由于第一过渡光纤段和第二过渡光纤段相同，其承受的弯曲作用力相同，不会产生一侧较高，一侧较低的问题，有助于提高其使用寿命。
作为本发明一种优选的实施方式，过渡光纤段的最小厚度与D形光纤段的厚度相同。
作为本发明一种优选的实施方式，过渡光纤段的最大厚度与光纤包层直径相同。
在本发明另一典型的实施方式中，提供了一种耦合器的制备方法，包括如下步骤：
S1，制备PDMS膜；对光纤进行抛磨，得到包含D形光纤段的光纤；
S2，将PDMS膜包覆于光纤表面，得到耦合器。
典型的而非限定性的，上述PDMS膜可以通过购买或自制获得，例如，可以采用如下方法制备PDMS膜：首先按10:1的质量比分别称取聚二甲基硅氧烷和固化剂，然后将两者混合，使用搅拌机匀速搅拌15分钟，使其混合均匀，得到PDMS溶液；再将PDMS溶液放置在真空腔中2小时以去除PDMS溶液中的气泡，将脱模处理后的载玻片超声清洗，去除表面杂质，然后将其固定在提拉镀膜机上，根据厚度需要，以一定的速度将其浸入PDMS溶液中，提拉结束后迅速放入烘箱中，在110℃固化30min，得到一层PDMS膜，其制备过程具体如图3所示。光纤也可以通过购买或自制得到，典型的而非限定性的，将单模光纤如SMF-28中间约2-3cm去除涂覆层，用无水乙醇擦拭干净，然后将光纤水平固定在抛磨系统的夹具上，抛磨加工成D形光纤。一般情况下，为了缩短制样时间，会在光纤的一端悬挂质量为5g的配重，并且在配重旁边固定一个金属杆，使配重倚靠在金属杆上，这样可以减少光纤抛磨过程中产生的抖动，提高制作D形光纤的成功率。将带有PDMS膜的载玻片水平放置在三维位移平台上，通过调节位移平台使D形光纤的抛磨面水平朝上，并且保持绷直的状态放置在这层PDMS膜上，该方法可以成功标定D形光纤抛磨面所在位置，当D形光纤完全贴合在PDMS膜上后，光纤两端用紫外胶固定，紫外胶不可滴加到抛磨区域内，然后重复之前的步骤，提拉PDMS膜并固化，使光纤完全包覆在PDMS膜内。
在本发明一种典型的实施方式中，还提供了一种上述耦合器在曲率测试系统中的应用。
在本发明另一典型的实施方式中，提供了一种曲率测试系统，包括宽带光源、耦合器和光谱仪，耦合器的一端与宽带光源相连，耦合器的另一端与光谱仪相连，耦合器与宽带光源以及光谱仪相连处为完整的单模光纤，未进行抛磨，其连接方式为光纤熔接，损耗很小，灵敏度高。利用上述设备测试曲率的原理是将曲率的变化转变为光信号的变化，将光信号通过光纤送入光谱仪中，将光信号的强弱与曲率的大小关联起来，后期再经解调器解调，得到设备具体弯曲量。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
实施例及对比例中使用的光纤为单模光纤SMF-28，光纤包层直径(不含涂覆层)为125μm，纤芯直径为8.2μm。
【光纤】
将单模光纤中间一段(3cm)的涂覆层(这一段用来制备耦合器)去除，用无水乙醇擦拭干净，然后将光纤水平固定在抛磨系统的夹具上，在光纤的一端悬挂质量为5g的配重，并且在配重旁边固定一个金属杆，使配重倚靠在金属杆上，通过抛磨，形成具有D形光纤段和过渡光纤段的光纤，D形光纤段的长度为5mm，过渡光纤段的长度为10mm，过渡光纤段包括第一过渡光纤段和第二过渡光纤段，两者长度相同，过渡光纤段的厚度呈抛物线形增加。通过改变抛磨程度，得到D形光纤段厚度不同的光纤；过渡光纤段与D形光纤段的长度比为1:2，过渡光纤段的最小厚度与D形光纤段的厚度相同，过渡光纤段的最大厚度为无涂覆层单模光纤的厚度，将无涂覆层单模光纤命名为F1，其厚度为125μm，根据D形光纤段厚度的不同，将光纤分别命名为F2、F3、F4、F5，其D形光纤段的厚度依次为71μm、68μm、65μm、50μm。
图4为F1-F5的透射光谱图，由图可知，F1(剩余厚度RT＝125μm，未进行抛磨)的透射光谱大致为一条插入损耗为零的直线，F2(RT＝71μm)的透射光谱几乎与初始状态重合，无明显变化，F3(RT＝68μm)样品抛磨面距离纤芯仅1μm，透射光谱的插入损耗在-1.5dB左右，这是由于纤芯内的倏逝场穿过了很薄的单侧包层造成光泄露，其弯曲曲率检测的灵敏度仍然不够高，此时可以通过优化抛磨面质量并附着纳米级厚度的金属材料利用表面等离子体共振现象(SPR)来制作高灵敏度的光纤传感器。F4(RT＝65μm)样品中的纤芯被破坏掉一部分，并且缺少包层的束缚，大量纤芯中的光逸出到外界环境，导致损耗急剧增大，通过损耗量的大小可以区分弯曲变形程度，对于弯曲曲率检测具有较高的灵敏性。F5(RT＝50μm)的透射光谱中可以明显看到有三个干涉谷，并且最大消光比为16dB，此时纤芯被完全去除，D形光纤段仅剩下单侧包层，虽然其对弯曲较敏感，但制样过程中易断裂，实用性相对较差。当D形光纤段的厚度低于50μm，光纤结构的刚性和柔韧性遭到极大破坏，虽能得到更高的消光比，已完全不具备实用价值。
【耦合器】
实施例1
本发明耦合器的一种实施例，其结构示意图如图5所示，其制备方法如下：
(1)按10：1的质量比分别称取聚二甲基硅氧烷(道康宁)和固化剂(道康宁)，然后将两者混合，使用搅拌机匀速搅拌15分钟，使其混合均匀，得到PDMS溶液；再将PDMS溶液放置在真空腔中2小时以去除PDMS溶液中的气泡，将脱模处理后的载玻片超声清洗，去除表面杂质，然后将其固定在提拉镀膜机上，以0.25mm/s的速度进入PDMS溶液中，提拉结束后迅速放入烘箱中，在110℃固化30min，得到一层PDMS膜，命名为PDMS-1；
(2)将带有PDMS膜的载玻片水平放置在三维位移平台上，通过调节位移平台使D形光纤段的抛磨面水平朝上，并且保持绷直的状态放置在这层PDMS膜上，该方法可以成功标定D形光纤段抛磨区所在位置，当光纤完全贴合在PDMS膜上后，光纤两端用紫外胶固定，紫外胶不可滴加到抛磨区域内；然后再重复上述提拉步骤，制备PDMS-1，使D形光纤段和过渡光纤段全部被PDMS膜覆盖，得到具有内层为光纤，外层为PDMS膜的耦合器，3次测试耦合器的厚度，为0.2mm±0.02mm。
耦合器正弯曲(+Y方向)和负弯曲(-Y方向)的示意图如图6所示，当耦合器受力弯曲时，纤芯内模场主要集中在D形光纤段凸侧。因此当耦合器正弯曲时，抛磨区域位于光纤弯曲的凸侧，光的传输损耗增加，由于光泄露窗口的有效面积增大，导致更多的光散射到外界环境中，耦合器的透光率降低；当耦合器负弯曲时，抛磨区域位于光纤弯曲的凹侧，光泄露窗口面积减小，光的传输损耗降低，耦合器的透光率升高。由上述描述可知，耦合器在实现曲率传感的同时还具有辨别正、负方向弯曲的功能。
图7为光纤和实施例1耦合器的透射光谱图，由图可知，以PDMS膜包覆前，光纤的原始光谱在波长为1470nm附近形成了一个对比度约为15dB的干涉谷，由于PDMS材料的折射率ηPDMS为1.4204，大于空气的折射率，因此，以PDMS膜封装后，耦合器的透射光谱会产生红移，红移现象在干涉谷附近尤其明显，通过标定干涉谷的中心波长红移量可以精确计算出该耦合器对弯曲的灵敏度大小。
实施例2-5
本发明耦合器的实施例，实施例2-5与实施例1的区别在于，制备PDMS膜时的提拉速度不同，制得的耦合器的厚度不同，实施例2耦合器的厚度为0.15mm±0.02mm，实施例3耦合器的厚度为0.25mm±0.02mm，实施例4耦合器的厚度为0.1mm±0.02mm，实施例5耦合器的厚度为0.3mm±0.02mm。
性能测试
将宽带光源、耦合器和光谱仪依次通过光纤熔接方式相连，图8为该曲率测试系统的示意图，其中光源是宽带光源，将耦合器紧密贴在钢尺两端，用夹具固定，通过改变夹具间距调节钢尺的曲率大小。
实验中通过将耦合器分别以抛磨面朝上、朝下的状态贴在钢尺的上表面，以此实现正弯曲、负弯曲两个方向的曲率传感实验，测试过程中，每次将夹具之间的距离缩短2mm，以此梯度完成测试，计算出每次夹具之间的距离缩短2mm时所对应的曲率值为0m-1、0.91m-1、1.49m-1、2.08m-1、2.56m-1、3.03m-1，记录每次曲率所对应的透射光谱，以实施例1作为耦合器的测试结果如表1和图9-10所示。其中，表1为正弯曲和负弯曲时耦合器在不同曲率下的透射光谱强度数据表，图9-10分别为正弯曲和负弯曲时干涉谷的强度随曲率的变化关系图。
表1
| 弯曲曲率 | 0m-1 | 0.91m-1 | 1.49m-1 | 2.08m-1 | 2.56m-1 | 3.03m-1 |
| 正向弯曲强度 | -27.33dB | -28.74dB | -30.50dB | -31.51dB | -32.63dB | -33.24dB |
| 负向弯曲强度 | -26.01dB | -24.51dB | -22.51dB | -20.76dB | -19.56dB | -18.24dB |
由表1可知，两者在波长为1470nm附近的干涉谷强度有明显变化，正弯曲时干涉谷会变得更加尖锐，在0m-1-3.03m-1的变化范围内，强度变化了-6.9dB，强度的绝对值随着曲率的增大而增大；负弯曲时干涉谷强度的绝对值随着曲率的增大而减小，在0m-1-3.03m-1的变化范围内，强度变化了7.8dB。
由图9-10可知，在0m-1-3.03m-1的变化范围内，正弯曲和负弯曲状态下干涉谷的强度随曲率的变化均呈线性变化，正弯曲时曲率传感灵敏度为2.04dB/m-1，线性度为0.9904；负弯曲时曲率传感灵敏度为2.66dB/m-1，线性度为0.9870；上述结果表明，本发明公开的耦合器具有良好的曲率检测灵敏度。
另外，由于PDMS的热光系数为-4.66×10-4K-1，比二氧化硅的热膨胀系数(9.2×10-6K-1)高两个数量级，因此该耦合器能实现高灵敏度的温度传感。对以实施例1作为耦合器构建的上述曲率测试系统进行温度传感性能测试，将耦合器放入电阻炉温度控制器中，以10℃为步长分别记录从20℃-80℃的温度变化内升温和降温过程的透射光谱图，并且每次达到预设温度后稳定10min再测量光谱图，以降低电阻炉温度控制器带来的偶然误差，升温和降温过程的透射光谱中心波长如表2所示，图11-12为升温和降温过程中干涉谷中心波长随温度的变化关系图。
表2
| 温度 | 20℃ | 30℃ | 40℃ | 50℃ | 60℃ | 70℃ | 80℃ |
| 升温 | 1483.5nm | 1479.7nm | 1475.5nm | 1472.3nm | 1468.7nm | 1465.7nm | 1463.0nm |
| 降温 | 1483.6nm | 1478.4nm | 1475.8nm | 1471.8nm | 1467.9nm | 1465.3nm | 1462.9nm |
由表2可知，温度从20℃升到80℃的过程中1480nm附近干涉谷蓝移20.5nm，从80℃到20℃降温时干涉谷红移了20.7nm。
由图11-12可知，线性度较高，线性度为0.9955，耦合器的温度响应为-0.344nm/℃，图11-12具有良好的对称性，这表明该耦合器在温度传感方面具有高稳定性、可逆性及可重复性。此外，由图可知，从20℃-80℃，透射光谱强度的变化较小，波长为1470nm附近干涉谷的透射光强度变化了1.5dB，综合对比可以发现，基于强度解调时，耦合器的温度响应远小于曲率传感的灵敏度。
图13为基于强度解调时，耦合器的温度响应和曲率传感灵敏度的对比图，从图13中可以明显看到，dip处强度随着温度变化的拟合直线斜率的绝对值明显小于强度随曲率变化的拟合直线斜率的绝对值，也就是说，耦合器的温度响应对曲率检测结果的影响微乎其微。因此，该耦合器可以解决温度与曲率的交叉传感问题。
采用与实施例1相同的方法测试实施例2-5正弯曲时干涉谷的强度随曲率的变化关系，并且在30d后再次测试实施例1-5正弯曲时干涉谷的强度随曲率的变化关系，测试结果如表3所示。
表3
由表3可知，实施例1-5均具有一定的曲率传感灵敏性及线性度，并且实施例1-3的灵敏度及线性度均明显高于实施例4-5，该结果表明，当光纤包层直径为125μm、纤芯直径为8.2μm时，耦合器的厚度为0.15-0.25mm可以获得最佳曲率传感性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种耦合器，其特征在于，包括光纤和包裹所述光纤的PDMS膜；所述光纤包括D形光纤段，所述D形光纤段包括纤芯和光纤包层；当所述纤芯为圆形结构时，所述光纤包层为包覆于所述纤芯表面的D形结构；当所述纤芯为D形结构时，所述光纤包层包覆于所述纤芯的曲面上。
2.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述纤芯为D形结构。
3.根据权利要求2所述的耦合器，其特征在于，当所述光纤包层直径为125μm、纤芯直径为8.2μm时，所述耦合器的厚度为0.1-0.3mm，所述D形光纤段的厚度为58.5-66.5μm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的耦合器，其特征在于，所述光纤还包括过渡光纤段，所述过渡光纤段包括第一过渡光纤段和第二过渡光纤段，所述第一过渡光纤段和所述第二过渡光纤段分别位于所述D形光纤段的两侧，所述过渡光纤段的厚度沿靠近所述D形光纤段向远离所述D形光纤段的方向呈抛物线形增长。
5.根据权利要求4所述的耦合器，其特征在于，所述第一过渡光纤段和所述第二过渡光纤段的长度相同。
6.根据权利要求5所述的耦合器，其特征在于，所述D形光纤段和所述过渡光纤段的长度比为1：(1-2)。
7.根据权利要求4所述的耦合器，其特征在于，所述过渡光纤段的最小厚度与所述D形光纤段的厚度相同，所述过渡光纤段的最大厚度与所述光纤包层的直径相同。
8.一种根据权利要求1至7中任一项所述的耦合器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，制备PDMS膜；对光纤进行抛磨，得到包含D形光纤段的光纤；
S2，将所述PDMS膜包覆于所述光纤表面，得到所述耦合器。
9.一种根据权利要求1至7中任一项所述的耦合器在曲率测试系统中的应用。
10.一种曲率测试系统，包括光源、耦合器和光谱仪，所述耦合器的一端与所述光源相连，所述耦合器的另一端与所述光谱仪相连，其特征在于，所述耦合器为权利要求1至7中任一项所述的耦合器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410371244.4A CN118244413A (zh) | 2024-03-28 | 2024-03-28 | 一种耦合器、其制备方法与应用、及曲率测试系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410371244.4A CN118244413A (zh) | 2024-03-28 | 2024-03-28 | 一种耦合器、其制备方法与应用、及曲率测试系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118244413A true CN118244413A (zh) | 2024-06-25 |
Family
ID=91562042
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410371244.4A Pending CN118244413A (zh) | 2024-03-28 | 2024-03-28 | 一种耦合器、其制备方法与应用、及曲率测试系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118244413A (zh) |
-
2024
- 2024-03-28 CN CN202410371244.4A patent/CN118244413A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tan et al. | Theoretical model and design considerations of U-shaped fiber optic sensors: A review | |
| Wang et al. | A high-temperature humidity sensor based on a singlemode-side polished multimode-singlemode fiber structure | |
| Bilro et al. | Analytical analysis of side-polished plastic optical fiber as curvature and refractive index sensor | |
| CN103293131A (zh) | 一种响应快速锥形微纳光纤湿度传感器及其制备方法 | |
| CN102879357A (zh) | 一种微纳光纤布拉格光栅折射率传感器及其制作方法 | |
| CN110987832A (zh) | 宏弯曲侧抛塑料光纤表面等离子体共振传感器及制备方法 | |
| Teng et al. | Double-side polished U-shape plastic optical fiber based SPR sensor for the simultaneous measurement of refractive index and temperature | |
| CN107677390B (zh) | 一种熔锥型光纤马赫-增德尔传感器的制备方法 | |
| Yang et al. | Structural and mechanical properties of polymeric optical fiber | |
| CN109540179B (zh) | 基于表面等离子体共振的光纤锥形传感探头及其制作方法 | |
| Liu et al. | PDMS-assisted microfiber MZ interferometer with a knot resonator for temperature sensing | |
| Cheng et al. | A surface plasmon resonance optical fiber sensor for simultaneous measurement of relative humidity and temperature | |
| Teng et al. | Investigation of U-shape tapered plastic optical fibers based surface plasmon resonance sensor for RI sensing | |
| Paliwal et al. | Design and fabrication of lossy mode resonance based U-shaped fiber optic refractometer utilizing dual sensing phenomenon | |
| Hu et al. | A narrow groove structure based plasmonic refractive index sensor | |
| CN109632710B (zh) | 利用水凝胶涂覆修饰的干涉型光纤检测pH值的方法 | |
| Zhao et al. | Simultaneous measurement of temperature and pressure based on ring-shaped sensing structure with polymer coated no-core fiber | |
| Lopez et al. | The influence of geometric shape on the performance of refractive index sensors based on plastic optical fibers: Simulations and experimental assessment | |
| Ren et al. | A High-FOM surface plasmon resonance sensor based on MMF-TUMMF-MMF structure of optical fiber | |
| CN118244413A (zh) | 一种耦合器、其制备方法与应用、及曲率测试系统 | |
| Xue et al. | Screw-shaped plastic optical fibers for refractive index sensing | |
| CN116242807A (zh) | 基于拟合质心法的温度补偿spr葡萄糖传感器 | |
| CN214150438U (zh) | 一种光纤湿度传感器及湿度传感器检测装置 | |
| TWI494546B (zh) | 法布里-珀羅光纖干涉儀的感測元件的製造方法及其量測系統裝置 | |
| Chen et al. | Sensor for measuring extremely large strain based on bending Polymer optical fiber |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |