CN212513418U - 一种基于铌酸锂直波导的压力传感器 - Google Patents

一种基于铌酸锂直波导的压力传感器 Download PDF

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尹锐
杨旭
罗艳霞
季伟
黄庆捷
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Tianjin Lingxin Technology Development Co ltd
Shandong University
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Tianjin Lingxin Technology Development Co ltd
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Abstract

本实用新型公开了一种基于铌酸锂直波导的压力传感器,包括保偏光纤、钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导、质子交换工艺制作的铌酸锂直波导和输出端普通光纤依次连接,其中,钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导和质子交换工艺制作的铌酸锂直波导嵌入铌酸锂包层中,两根铌酸锂单模直波导对接连接。本实用新型的有益效果为:通过集成技术可以将起偏器、传感元件和检偏器集成到铌酸锂晶体上然后进行封装,相较于传统的偏振光压力传感器具有更高的稳定性,并能降低成本。

Description

一种基于铌酸锂直波导的压力传感器
技术领域
本实用新型涉及压力检测技术技术领域,尤其涉及一种基于铌酸锂直波导的压力传感器。
背景技术
在科学和技术快速发展的时代,各种技术蓬勃发展,现代信息技术的三大基础是信息的采集、传输和处理,即传感技术、通信技术和计算机技术,它们构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。而传感技术,是信息技术之源,是获取信息的前端基础。传感技术是指通过传感器感知周围环境参数或物质的变化。压力传感器可以广泛地应用于各个领域,包括工业制造、机械制造、汽车、智能家居、智慧城市、交通运输、油井监测、土木采矿、航天航空和海洋环境监测等。
光学压力传感器应用在多个领域,随着各项技术的提高,满足应用需求,对其测量精度、灵敏度和稳定性等提出了更高的要求,并且朝着小型化、集成化方向发展。光学压力传感器的主要类型包括:光频率式压力传感器、光强式压力传感器、相位式(干涉式)压力传感器和偏振光式压力传感器,其中,偏振光式压力传感器可以看作是光强式压力传感器的一种。光学压力传感器利用光传输过程中幅度、相位、折射率分布、光程和光波极化方式的改变来感应外部压力变化。由于光学压力传感器不改变被测物本身的性质、低功耗、体积小等特点得到广泛应用。
通常传统的偏振光压力传感器都是由分离的元器件组成,包括起偏器、光弹物质、检偏器三部分,如图1所示,此种结构组装过程复杂容易出现偏差,成本较高。
实用新型内容
针对上述现有技术中存在的技术问题,本申请的目的在于提供一种基于铌酸锂直波导的压力传感器。
为实现本实用新型的目的,本实用新型提供的一种基于铌酸锂直波导的压力传感器,包括保偏光纤、钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导、质子交换工艺制作的铌酸锂直波导和输出端普通光纤依次连接,
其中,钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导和质子交换工艺制作的铌酸锂直波导嵌入铌酸锂包层中,两根铌酸锂单模直波导对接连接。
其中,还包括输入端普通光纤和输入端质子交换工艺制作的铌酸锂直波导,所述输入端质子交换工艺制作的铌酸锂直波导嵌入铌酸锂包层中,
其中,输入端普通光纤、输入端质子交换工艺制作的铌酸锂直波导、保偏光纤、钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导、质子交换工艺制作的铌酸锂直波导和输出端普通光纤依次连接,所述保偏光纤的输入端为0°,输出端为45°。
其中,钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导和质子交换工艺制作的铌酸锂直波导的芯层长度均为5mm,宽度都为7μm,厚度均为3-4μm。
其中,输入端质子交换工艺制作的铌酸锂直波导的芯层长度为10mm,宽度都为7μm,厚度均为3-4μm。
与现有技术相比,本实用新型的有益效果为:
1、本实用新型所述铌酸锂波导压力传感器,巧妙利用材料的光弹效应;一束偏振光经过保偏光纤入射到设计好的钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导中,由于压力引起的不同方向折射率变化差异会引起不同方向的偏振光强度不同,再通过质子交换工艺制作的铌酸锂直波导使得经过双折射后的一种偏振光输出,不同压力下的偏振光的光功率不同,在功率变化的单调区间内可以实现铌酸锂波导传感器的压力检测的功能。
2、本实用新型所述铌酸锂波导压力传感器,利用光弹效应来测量压力的大小,因而不会改变施力物体本身的性质,亦可保证测量精度。
3、本实用新型所述铌酸锂波导压力传感器,通过集成技术可以将起偏器、传感元件和检偏器集成到铌酸锂晶体上然后进行封装,相较于传统的偏振光压力传感器具有更高的稳定性,并能降低成本,这是由于传统装置都基于分离元器件组装而成,且过程复杂容易出现偏差,而本设计工艺相对简单,成本低。
4、本实用新型所述铌酸锂波导压力传感器,设计对输出光强度进行检测,测量简单易行并且成本低、稳定性高。
5.本实用新型所述压力检测过程完全基于铌酸锂波导材料的光弹性效应,无电流产生,因此零功耗节能环保。
附图说明
图1为传统的偏振光压力传感器的结构示意图;
图2为基于铌酸锂波导的压力传感器的第一种结构示意图;
图3为基于铌酸锂波导的压力传感器的第二种结构示意图;
图4为基于钛扩散工艺制作的铌酸锂波导截面图;
图5为基于质子交换工艺制作的铌酸锂波导截面图;
图中,1、起偏器;2、光弹物质;3、检偏器;4、保偏光纤;5、钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导;6、质子交换工艺制作的铌酸锂直波导;7、输出端普通光纤;8、铌酸锂包层;9、钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导芯层;10、铌酸锂波导包层截面;11、空气;12、质子交换工艺制作的铌酸锂直波导芯层;13、输入端的普通光纤;14、输入端质子交换工艺制作的铌酸锂直波导。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
本申请实施例中:图1为传统的偏振光压力传感器的结构示意图;图2为基于铌酸锂波导的压力传感器的第一种结构示意图;图3为基于铌酸锂波导的压力传感器的第二种结构示意图;图4为基于钛扩散工艺制作的铌酸锂波导截面图;
图5为基于质子交换工艺制作的铌酸锂波导截面图;
实施例1
本实施例提供的一种基于铌酸锂直波导的压力传感器,如图2所示,包括保偏光纤4、嵌入铌酸锂包层8中的钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导5、质子交换工艺制作的铌酸锂直波导6和普通光纤7。其中,两根铌酸锂单模直波导是对接在一起的。
其中,两根直波导的芯层长度均为5mm,宽度都为7μm,厚度均为3-4μm。
保偏光纤4起到起偏器的作用,使得进入钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导5 的光均为45°偏振光,钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导5作为压力传感区,由于铌酸锂波导的光弹效应,当有外力施加或者改变时,此区域不同方向的折射率发生改变,压力作用下不同偏振方向传播速度发生变化,引起两个方向的偏振光的强度改变,再经过质子交换工艺制作的铌酸锂直波导6,铌酸锂直波导6起到检偏器的作用,使垂直于压力方向的偏振光通过,最后经过普通光纤7输出,对输出偏振光的光强进行检测,偏振光的输出光强的大小可以推出所受压力的大小,因此由光强的改变可以实现检测压力大小的目的。
利用上述基于铌酸锂波导的压力传感器的检测方法,包括步骤如下:
(1)输入单波长光信号,在未施加压力时,使用光功率计测得波导压力传感器输出光功率P_1;
(2)输入单波长光信号,对压力传感区施加压力,使用光功率计测得波导压力传感器输出光功率P_2;
(3)由P_1和P_2与所受压力之间的关系可以求得所测压力的大小。
需要说明的是,本实用新型中所使用的铌酸锂波导是一种具有光弹效应的材料,对于光弹性材料,在通常情况下是各向同性而不发生双折射现象,但当它们受到压力时,就会变成各向异性表现出双折射性质,即光弹效应。而铌酸锂本身就是各向异性的材料,受压力影响后表现出的双折射现象更明显。光束入射到各向异性的晶体后分解成两束光并沿着不同方向折射,这两束光是振动方向互相垂直的偏振光,由于两个方向的折射率不同,所以两束偏振光的速度不同,这种现象就是双折射。
实施例2
根据实施例1所提供的一种基于铌酸锂直波导的压力传感器,实施例2与之区别之处在于:
如图3所示,输入端为普通光纤13、光从输入端射入先进入质子交换工艺制作的铌酸锂直波导14,再经过一段保偏光纤4,经保偏光纤旋转45度后进入钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导5,再进入另一段质子交换工艺制作的铌酸锂直波导6使得垂直于压力方向的偏振光透过,最终由普通光纤7输出。其中,质子交换工艺制作的铌酸锂直波导14保证通过的光为偏振光,保偏光纤起到检偏器作用,输入端为0°,输出端为45°,保证进入钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导 5的光为45°偏振光,钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导5是传感区,然后进入质子交换工艺制作的铌酸锂直波导6起到检偏器的作用,保证输出光为垂直压力方向的偏振光,经过输出端普通光纤7输出,并检测输出光的光强。
其中,钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导5和质子交换工艺制作的铌酸锂直波导6的芯层长度均为5mm,宽度都为7μm,厚度均为3-4μm,直波导14的芯层长度为10mm,宽度和厚度都和直波导5、6的相同。
传感原理和实施例1的相同,不同的是输入、输出均采用普通光纤,保偏光纤连接了两段直波导,实施例2比实施例1多了一段直波导。
需要说明的是,本申请中未详述的技术方案,采用公知技术。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式,应当指出的是,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于铌酸锂直波导的压力传感器,其特征在于,包括保偏光纤、钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导、质子交换工艺制作的铌酸锂直波导和输出端普通光纤依次连接,其中,钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导和质子交换工艺制作的铌酸锂直波导嵌入铌酸锂包层中,两根铌酸锂单模直波导对接连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂直波导的压力传感器,其特征在于,还包括输入端普通光纤和输入端质子交换工艺制作的铌酸锂直波导,所述输入端质子交换工艺制作的铌酸锂直波导嵌入铌酸锂包层中,其中,输入端普通光纤、输入端质子交换工艺制作的铌酸锂直波导、保偏光纤、钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导、质子交换工艺制作的铌酸锂直波导和输出端普通光纤依次连接,所述保偏光纤的输入端为0°,输出端为45°。
3.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂直波导的压力传感器,其特征在于,钛扩散工艺制作的铌酸锂直波导和质子交换工艺制作的铌酸锂直波导的芯层长度均为5mm,宽度都为7μm,厚度均为3-4μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂直波导的压力传感器,其特征在于,输入端质子交换工艺制作的铌酸锂直波导的芯层长度为10mm,宽度都为7μm,厚度均为3-4μm。
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