CN209279916U - 一种光纤包层spr微弯曲传感器及其标定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光纤传感领域，主要涉及一种光纤包层SPR微弯曲传感器及其标定装置，本实用新型所提出的光纤包层SPR微弯曲传感器降低了光纤SPR传感器的制作难度和制作成本；创新性的提出并验证了利用SPR效应实现弯曲曲率的测量，一定程度上拓展了传统光纤型微弯曲传感器的研究领域。并且本实用新型在滑坡灾害监测上具有明显优势，将本实用新型埋入各大滑坡灾害频发点，地表一旦发生微小形变，通过观察光谱仪上SPR共振峰的深度以及位移量，即可推测滑坡强度，达到对滑坡灾害的监测，因此本实用新型具有广阔的应用价值。

Description

一种光纤包层SPR微弯曲传感器及其标定装置

技术领域

本实用新型属于光纤传感领域，涉及一种光纤包层SPR微弯曲传感器及其标定装置。

背景技术

光纤曲率传感器由于在弯曲测量领域有着大量的应用，已经引起研究人员的广发关注。弯曲测量技术在地球物理、航空航天、机械和各种建筑结构健康监测等领域都具有颇为重要的意义。因为机械构建的状态、大型建筑以及应力参数均与弯曲具有直接的关系，也为对弯曲进行测量时获得构件力学条件的一种间接手段；在桥梁、房屋以及路轨等大型建筑结构中、在大型油罐、天然气以及汽油运输管道等油气存储和运输设备中、在火箭、大型导弹以及大型精密枪械等军事设备中、在汽车、火车以及铁路等交通工具中、在山体滑坡、水坝坍塌以及地陷等天灾中，结构和地形弯曲形变的曲率是一个非常重要的参数，该参数与结构和地形的损伤和失效有直接联系。

光纤传感器因其灵敏度高、体积小、易集成、抗电磁干扰和抗腐蚀能力强、传输损耗小、重量轻、造价低、易于埋入监测结构并进行对传输器组网等特点，因此，被广泛用于智能假肢和大型工程等结构的弯曲形变检测。

目前，光纤弯曲传感器主要包括三种类型：(1)基于功率耦合或功率衰减原理的光纤弯曲传感器、(2)光纤干涉仪型弯曲传感器、(3)光纤光栅弯曲传感器。(1)基于功率耦合或功率衰减原理的光纤弯曲传感器：传统的用于曲率测量的光强调制型光纤传感器的光纤表面未经过处理，仅仅是利用光纤在大曲率宏弯时的光强损耗突然增大的原理制成，因此，灵敏度很低；而对于目前研究最多的(2)光纤干涉仪型弯曲传感器和(3)光纤光栅弯曲传感器，都属于干涉型光纤曲率传感器，具有体积小，解调技术发展成熟等优势。但是，此类传感器大多不仅对于弯曲敏感，而且对于轴向应变和温度也同时敏感。在弯曲传感的过程中，往往会同时受到轴向应变和温度等效应影响，而许多此类弯曲传感器并不能够将轴向应变效应、温度影响和弯曲效应区分出来，交叉敏感问题影响曲率测量。

应变引起干涉型(干涉仪类或光栅类)光纤传感波长漂移的原因是弹光效应和纵向伸缩栅距/干涉臂长。温度引起干涉型(干涉仪类或光栅类)光纤传感波长漂移的原因主要来源于三个方面：光纤热膨胀效应、光纤热光效应、以及光纤内部热应力引起的弹光效应。

光纤表面等离子体共振(SPR)传感器具有高灵敏特性，已经成功的用于对液体折射率的传感领域。对于波长调制型光纤SPR传感器，其共振谷深度与共振波长会受到倏逝场强度、入射光角度、基底折射率、外部环境折射率、金膜薄膜介电常数几个因素的影响，而温度及应变的改变都基本不会对以上因素造成影响，或者造成的影响与SPR超高的灵敏度相比，是可以忽略的。

针对光纤SPR传感器少有进行曲率传感，SPR传感器不易实现两大问题。本实用新型提出一种新型简单的基于偏芯焊接技术的光纤包层SPR曲率传感器，避免了其他干涉型光纤弯曲传感器存在的灵敏度较低、应变和温度在测量曲率时会产生交叉干扰等问题。现有光纤微弯曲传感器主要有两大类，光纤光栅型微弯曲传感器和光纤干涉型微弯曲传感器。光纤光栅型微弯曲传感器弯曲灵敏度高，弯曲曲率测量范围广，有很强的弯曲方向性。但是，这种传感器制作过程中需要昂贵的激光器和掩模板，需要复杂的制备工艺；光纤干涉型微弯曲传感器主要是马赫泽德干涉仪类型，这种传感器制作简单，机械强度好，但是分辨率较低，灵敏度不高。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于偏芯焊接技术的光纤包层表面等离子体共振(SPR)微弯曲传感器，可广泛用于滑坡、泥石流等地质灾害的监测；并提供了该种传感器的标定装置与该装置的使用方法。本实用新型与现有光纤微弯曲传感器相比：制作简单，成本低廉，不需要昂贵的光纤加工设备。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种光纤包层SPR微弯曲传感器，包括注光光纤、传感光纤以及收光光纤；所述注光光纤用于接收并传递输入光；所述传感光纤外侧包裹金属薄膜，输入光在包层与金属薄膜界面发生全反射，倏逝场泄漏至金属薄膜中并发生SPR现象，光信号再传输至收光光纤；所述收光光纤用于接收并传递输出光；传感光纤弯曲时，收光光纤接收的输出光SPR光谱共振谷深度与共振谷波长发生变化，通过反射光谱的变化来体现传感光纤的弯曲曲率。

可选地，所述注光光纤与所述传感光纤的连接处为偏芯连接，该处传感光纤的截面几何中心在注光光纤的截面上的投影与注光光纤截面的几何中心交集为零。

可选地，所述金属薄膜外侧旋涂紫外固化胶层。

可选地，所述紫外固化胶层为超低折紫外固化胶；所述金属薄膜的厚度为 40-60nm，所述紫外固化胶层的折射率为1.34-1.36RIU。

一种光纤包层SPR微弯曲传感器的标定装置，包括用于固定光纤包层SPR 微弯曲传感器的固定板、用于观察光纤包层SPR微弯曲传感器的显微镜、用于为传感光纤提供输入光的光源、用于检测收光光纤输出光的光谱仪、以及用于传感光纤施力致其弯曲的微操手及微操手控制器；所述光纤包层SPR微弯曲传感器设置在固定板中，且传感光纤裸露；所述显微镜展示固定板上光纤包层SPR 微弯曲传感器的状态；光源与注光光纤相连、光谱仪与收光光纤相连。

可选地，还包括用于调整操作手高度的折叠台。

可选地，还包括用于放置固定板的操作台，所述操作台的高度可调。

可选地，所述固定板包括底板以及间隔设置在底板同侧的两个空心柱，两个空心柱之间的间隙用于放置传感光纤。

一种光纤包层SPR微弯曲传感器的标定装置的使用方法，包括以下步骤：

S1将光纤包层SPR微弯曲传感器固定在固定板上；

S2将固定板固定在显微镜载物台上，并调节显微镜目镜，使光纤包层SPR 微弯曲传感器的传感光纤显示在显微镜目镜的视野中；

S3使用微操手使传感光纤发生弯曲位移，每产生一定弯曲位移，便使用光谱仪记录一次反射光谱，保存反射光谱数据。

可选地，还包括S4；

S4使用软件对反射光谱进行处理，得到测试曲线。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型可广泛用于滑坡、泥石流等地质灾害的监测。这种光纤型微弯曲传感器相比于传统电学、力学传感器具有体积小、结构紧凑、灵敏度高、抗电磁干扰、可远距离监测等诸多优势；相比于传统光纤型微弯曲传感器具有制作简单，成本低廉，结构简单等优势，满足光纤传感器集成化、小型化、低成本、高灵敏度的发展趋势。

本实用新型所提出的光纤包层SPR微弯曲传感器，利用偏芯焊接技术，让光在光纤包层中传输一小段距离，光在光纤包层中传输时，倏逝场容易的泄漏到空气中，无需去掉光纤包层，完美解决了光纤型SPR传感器加工制作困难的问题；这时在光纤包层外面镀制金属薄膜，一般为金膜，可以利用常用光纤，以最简单的结构和思路构建新型的光纤SPR传感器，解决传统光纤SPR传感器加工制作困难、倏逝波不易获得、成本高昂的问题。通过在包层SPR传感器外部旋涂超低折紫外固化胶，构成金膜包覆的光纤包层SPR曲率传感器，当传感光纤弯曲时，弯曲会导致传感光纤包层泄漏倏逝场强度增加，同时导致传输光模式，即传输光线与包层外金膜夹角角度发生改变，进而导致SPR曲线共振谷深度增加，与共振波长红移。创新性的提出并验证了利用SPR效应实现弯曲曲率的测量，避免了其他干涉型光纤弯曲传感器存在的灵敏度较低、应变和温度在测量曲率时会产生交叉干扰等问题，一定程度上拓展了传统光纤型微弯曲传感器的研究领域。并且本实用新型在滑坡灾害监测上具有明显优势，将本实用新型埋入各大滑坡灾害频发点，地表一旦发生微小形变，通过观察光谱仪上SPR 共振峰的深度以及位移量，即可推测滑坡强度，达到对滑坡灾害的监测，因此本实用新型具有广阔的应用价值。

同时，本实用新型所涉及的光纤弯曲曲率测量装置，简单实用，精度高，重复性好，可大量推广。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：

图1为本实用新型中涉及的光纤包层SPR微弯曲传感器的整体结构示意图；

图2为本实用新型中涉及的光纤包层SPR微弯曲传感器的标定装置的整体结构示意图；

图3为本实用新型中涉及的用于固定光纤包层SPR微弯曲传感器的固定板；

图4为本实用新型中涉及的光纤包层SPR微弯曲传感器的测试曲线；

图4(a)SPR曲线共振谷深度随曲率增加而增加；

图4(b)为再次归一化的SPR曲线，SPR共振波长随曲率变化移动。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型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实用新型的基本构想，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，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，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。

本实用新型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；在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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，不能理解为对本实用新型的限制，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。

请参阅图1-图4，附图中的元件标号分别表示：光源1、注光光纤2、传感光纤3、金属薄膜3-1、超低折紫外固化胶层3-2、收光光纤4、光谱仪5、固定板6、空心柱6-1、显微镜7、微操手8、微操手控制器9。

本实用新型涉及一种光纤包层SPR微弯曲传感器，其传感原理为：光源1 光经过注光光纤2到达偏芯熔接点时，由于偏芯熔接原因，光会立即充满整个传感光纤3的包层，传输光到达包层与金属薄膜3-1界面时，会发生全反射，并有倏逝波渗透到金属薄膜3-1中，即可发生SPR效应，达到利用光纤包层发生 SPR的效果。在传感光纤3金膜外部旋涂超低折紫外固化胶，当传感光纤3段发生弯曲时，曲率半径越大，耦合进入传感光纤3段包层的传输光从包层泄漏出更多，包层与金属薄膜3-1界面的倏逝场随着曲率半径增大不断增强，SPR效应增强，导致SPR共振谷深度不断加深。同时，由于传感光纤3的弯曲，传输光线与金属薄膜3-1的夹角角度也发生微小变化，导致SPR共振谷波长也发生移动。

本实用新型提出的一种基于偏芯焊接技术的光纤包层SPR微弯曲传感器主要由三部分构成，分别为注光光纤2、传感光纤3、收光光纤4。其中，注光光纤2为常见的单模光纤，纤芯直径为9μm，包层直径为125μm，长度为1m左右；传感光纤3可以为9μm/125单模光纤、40/125-22/250阶跃多模光纤、 50/125-20/250渐变多模光纤三种，传感光纤3长度为2cm，其表面溅射镀制一层50nm金膜，并在金膜外侧旋涂超低折紫外固化胶(折射率为1.34RIU)；收光光纤4为105/125-22/250阶跃多模光纤，长度为0.5m。

具体连接方式为：单模注光光纤2一端通过FC口裸纤适配器连接到光源1 输出端，另一端连接传感光纤3；传感光纤3表面镀制有一层50nm金膜，并在金膜外侧旋涂超低折紫外固化胶(折射率为1.34RIU)，传感光纤3另一端连接收光光纤4；收光光纤4另一端通过FC口裸纤适配器连接到光谱仪5输入端。

本实用新型所涉及的光源1为超连续谱光源1(SuperK COMPACT)，波长范围为500-2400nm，输出功率为100mW；所涉及的注光光纤2用于传输光源1 光，为单模光纤；所涉及的传感光纤3为传感器的传感区，用于感测外界曲率变化；所涉及的收光光纤4用于接收经传感区作用后的反射衰减光，并将光传输给光谱仪5；所涉及的光谱仪5为横河AQ6373B光谱仪5，波长范围覆盖 350-1200nm，波长分辨率为0.02-10nm，波长精度为±0.05nm，用于对传输回来的光进行光谱采集与解调。

本实用新型中所涉及的一种光纤包层SPR微弯曲传感器的标定装置，其具体的操作方法如下：将注光光纤2的一端穿入固定板6其中一个空心柱6-1，并从另一个空心柱6-1穿出，将其传感光纤3完全裸露在底板上；而后使用显微镜 7卡槽将固定板6固定在显微镜7的载物台上，调节微操手8，使其尖端位于传感光纤3正中但不接触传感光纤3；而后注光光纤2接通光源1、收光光纤4接通光谱仪5。测量时，用胶头滴管吸取折射率为1.340的测试溶液滴在传感光纤 3区域上，将其完全覆盖；调节操作手，使其尖端接触传感光纤3并使传感光纤 3产生弯曲位移，每产生1mm的弯曲位移，就在光谱仪5中采集一次反射光谱，采集十次光谱后，停止采集，将所采集的光谱数据在MATLAB软件中进行处理，得到最终测试曲线。在操作之前及操作过程中，也可以根据具体情况对操作手及显微镜7的高度进行调整。

根据实验验证结果，本实用新型所提出的传感器SPR共振峰半峰宽为 55nm，当曲率从0m^-1变化到51.095m^-1时，SPR曲线共振谷深度从0.22变化到 0.42，SPR共振波长从567.63nm变化到603.39nm。并且本实用新型在滑坡、泥石流等地质灾害监测上也具有一定的优势。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种光纤包层SPR微弯曲传感器，其特征在于，

包括注光光纤、传感光纤以及收光光纤；

所述注光光纤用于接收并传递输入光；

所述传感光纤外侧包裹金属薄膜，输入光在包层与金属薄膜界面发生全反射，倏逝场泄漏至金属薄膜中并发生SPR现象，光信号再传输至收光光纤；

所述收光光纤用于接收并传递输出光；

传感光纤弯曲时，收光光纤接收的输出光SPR光谱共振谷深度与共振谷波长发生变化，通过反射光谱的变化来体现传感光纤的弯曲曲率；

所述金属薄膜外侧旋涂紫外固化胶层。

2.如权利要求1中所述的光纤包层SPR微弯曲传感器，其特征在于：所述注光光纤与所述传感光纤的连接处为偏芯连接，该处传感光纤的截面几何中心在注光光纤的截面上的投影与注光光纤截面的几何中心交集为零。

3.如权利要求2中所述的光纤包层SPR微弯曲传感器，其特征在于：所述紫外固化胶层为超低折紫外固化胶；所述金属薄膜的厚度为40-60nm，所述紫外固化胶层的折射率为1.34-1.36RIU。

4.一种光纤包层SPR微弯曲传感器的标定装置，其特征在于：包括用于固定光纤包层SPR微弯曲传感器的固定板、用于观察光纤包层SPR微弯曲传感器的显微镜、用于为传感光纤提供输入光的光源、用于检测收光光纤输出光的光谱仪、以及用于传感光纤施力致其弯曲的微操手及微操手控制器；所述光纤包层SPR微弯曲传感器设置在固定板中，且传感光纤裸露；所述显微镜展示固定板上光纤包层SPR微弯曲传感器的状态；光源与注光光纤相连、光谱仪与收光光纤相连。

5.如权利要求4中所述的光纤包层SPR微弯曲传感器的标定装置，其特征在于：还包括用于调整操作手高度的折叠台。

6.如权利要求4中所述的光纤包层SPR微弯曲传感器的标定装置，其特征在于：还包括用于放置固定板的操作台，所述操作台的高度可调。

7.如权利要求4中所述的光纤包层SPR微弯曲传感器的标定装置，其特征在于：所述固定板包括底板以及间隔设置在底板同侧的两个空心柱，两个空心柱之间的间隙用于放置传感光纤。