CN202149761U - 一种基于pcf-lpg的一维倾斜角度传感器及装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及基于PCF-LPG的一维倾斜角度传感器及装置。所述的管状体为两端密封的中空圆柱体结构，在管状体的侧壁靠近底部和顶部的位置开有PCF-LPG尾纤出口，两个出口的连线与管状体的轴线相交且与轴线成夹角θ且θ＜90°；管状体内填充有填充液；PCF-LPG的中点设置在填充液的液面处，PCF-LPG的尾纤穿过光纤出口，光纤出口密封设置；PCF-LPG的尾纤分别与宽带光源和光谱仪光连接；管状体、填充液、PCF-LPG构成一维倾斜角度传感器。本实用新型具有结构简单，灵敏度高的优点，并且能有效消除温度对传感器的干扰。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感技术领域，涉及一种基于光子晶体光纤长周期光栅(long-period grating written in a photonic crystal fiber，PCF-LPG)的一维倾斜角度传感器及装置。
背景技术
近年来，倾斜角测量已广泛应用于大型土木建筑工程、电力工程、石化工业等安全健康监控领域，成为生产生活中不可或缺的一部分。随着科学技术的发展，人们对倾斜角测量技术的要求越来越高。基于电容变化测量倾斜角度的传感器虽然具有灵敏度较高的优点，但易受电磁干扰，精度不高，结构复杂，不能分布式测量和远程监控，因此其适用范围受到很大的限制。
光纤光栅是一种在光纤通信、光纤传感及光信息处理领域有着广泛应用前景的无源光纤器件。基于光纤光栅的传感器具有抗电磁干扰、集传感与传输于一体、构造简单等优点，能够实现高精度的测量。近年来，有人提出了基于布拉格光纤光栅的倾斜角度传感器，如利用悬挂重物的方法将角度变化产生的力直接作用于数个光纤光栅上，通过测量不同光纤光栅的波长漂移量，即可得到倾斜的角度和方向。但是该传感器结构复杂，体积较大，测量范围较小，不适宜推广应用。
长周期光纤光栅(long-period fiber grating，LPG)是一种透射型光 纤器件。与普通光纤光栅相比，LPG的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感。光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)是一种具有许多优良光学特性的新型光纤，如温度不敏感性。利用具有温度不敏感特性的光子晶体光纤制作的LPG具有对接触溶液折射率敏感的特性和良好温度稳定性的优点。本实用新型正是利用上述优点设计的基于PCF-LPG的一维倾斜角度传感器，其传感原理与普通光纤光栅倾斜角测量原理完全不同，具有结构简单、灵敏度高的优点。
发明内容
本实用新型目的就是为了克服现有技术中普通光纤光栅倾斜角度传感器结构复杂的问题，提供了一种与普通光纤光栅测量机理完全不同、结构简单的PCF-LPG一维倾斜角度传感器及装置。
本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案：
基于PCF-LPG的一维倾斜角度传感器包括宽带光源、PCF-LPG、填充液、管状体、光谱分析仪。
所述的管状体为两端密封的中空圆柱体结构，在管状体的侧壁靠近底部和顶部的位置开有PCF-LPG尾纤出口，两个出口的连线与管状体的轴线相交且与轴线成夹角θ且θ＜90°；管状体内填充有填充液，填充液的折射率接近但小于PCF-LPG包层的有效折射率；PCF-LPG的中点设置在填充液的液面处，PCF-LPG的尾纤穿过光纤出口，光纤出口密封设置；PCF-LPG的尾纤分别与宽带光源和光谱仪光连接；管状体、填充液、PCF-LPG构成一维倾斜角度传感器。本实用新型所具有的有益效果为：
1、传感元PCF-LPG对外界折射率变化十分敏感，当因装置倾斜引起浸入填充液中的栅区长度变化时，PCF-LPG的谐振波长即发生 较大漂移，通过监测波长漂移即可解调出倾斜角改变量。
2、由于本实用新型的传感机理并不需要光纤光栅悬挂重物和悬挂光纤光栅，所以整个传感器尺寸较小，结构简单，仅由管状体、PCF-LPG、填充液构成。
3、传感元PCF-LPG处于自然拉直状态，管状体为硬质结构，在装置倾斜时，不会改变PCF-LPG的自然拉直状态，以消除弯曲对测量的干扰。
4、PCF-LPG是一种温度不敏感器件，可以有效消除温度对传感器的干扰。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步描述。
如图1所示，基于PCF-LPG的一维倾斜角度传感器，包括宽带光源1、PCF-LPG 2、填充液3、管状体4、光谱分析仪5。所述的管状体4为两端密封的中空圆柱体结构，在管状体4的侧壁靠近底部和顶部的位置开有PCF-LPG2尾纤出口，两个出口的连线与管状体4的轴线相交且与轴线成夹角θ且θ＜90°；管状体4内填充有填充液3，填充液的折射率接近但小于PCF-LPG包层的有效折射率；PCF-LPG2的中点设置在填充液3的液面处，PCF-LPG2的尾纤穿过光纤出口，光纤出口密封设置；PCF-LPG2的尾纤分别与宽带光源1和光谱仪5光连接；管状体4、填充液3、PCF-LPG2构成一维倾斜角度传感器。
本实施方式的工作方式为：当该装置倾斜时，PCF-LPG与水平面的夹角改变，进而浸入填充液中的PCF-LPG栅区长度发生改变，导致PCF-LPG谐振波长的漂移。通过测量PCF-LPG的波长漂移量，反推 出PCF-LPG浸入填充液中长度的改变量，进而推出PCF-LPG与水平面的夹角，装置的倾斜角度即可求得。该装置的灵敏度约为0.2nm/度，若光谱分析仪的分辨率为0.01nm，该传感器的分辨率可达0.05度。该装置能够实现倾斜角度测量的关键因素为：
1.PCF-LPG对折射率变化十分敏感，通过监测PCF-LPG谐振波长漂移量即可求得装置倾斜角的变化。
2.为使溶液表面水平，选取的管状体直径要足够大以消除液体表面张力带来的液面弯曲。
3.PCF-LPG与管状体的母线的夹角应尽量小，这样在装置倾斜时，PCF-LPG才能完全浸入填充液中。
4.选取填充液的折射率近似于PCF-LPG包层的有效折射率，有利于提高传感器的灵敏度。
本实施例中PCF-LPG的栅区长度为1.9cm，谐振波长为1566nm，谐振波长处衰减幅度为20dB，其中栅格周期为469um，周期数为40。管状体的直径为4cm，高10cm。填充液的折射率为1.42。
Claims (2)
1.基于PCF-LPG的一维倾斜角度传感器及装置包括宽带光源、填充液、PCF-LPG、管状体、光谱分析仪，其特征在于：
所述的管状体为两端密封的中空圆柱体结构，在管状体的侧壁靠近底部和顶部的位置开有PCF-LPG尾纤出口，两个出口的连线与管状体的轴线相交且与轴线成夹角θ且θ＜90°；管状体内填充有填充液；PCF-LPG的中点设置在填充液的液面处，PCF-LPG的尾纤穿过光纤出口，光纤出口密封设置；PCF-LPG的尾纤分别与宽带光源和光谱仪光连接；管状体、填充液、PCF-LPG构成一维倾斜角度传感器。
2.根据权利要求1所述的基于PCF-LPG的一维倾斜角度传感器及装置，其特征在于填充液的折射率接近但小于PCF-LPG包层的有效折射率。
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