倾斜角传感器及其制备方法技术

一种倾角传感器，包括宽带光源、第一定向耦合器、第二定向耦合器、参考单模光纤、传感单模光纤和光谱仪；所述宽带光源与所述第一定向耦合器输入端连接，所述第一定向耦合器输出端连接所述参考单模光纤和所述传感单模光纤，所述参考单模光纤和所述传感单模光纤的另一端连接所述第二定向耦合器的输入端，所述第二定向耦合器的输出端连接所述光谱仪；所述传感单模光纤的包层上开设有深度小于等于包层壁厚度的凹槽，所述凹槽内充满且密封有两种不同密度且互不相溶的液体，且两种液体形成分层。还提供一种倾角传感器的制备方法。本发明专利技术的传感器具有抗电磁干扰、绝缘、灵敏度及分辨率高、耐高压、耐腐蚀、信号衰弱小的优点。

Tilt angle sensor and its preparation method

An inclination sensor includes a broadband light source, a first directional coupler, a second directional coupler, a reference single-mode fiber, a sensing single-mode fiber and a spectrometer; the broadband light source is connected to the input end of the first directional coupler, and the output end of the first directional coupler is connected to the reference single-mode fiber and the sensing single. A mode fiber, the reference single mode fiber and the other end of the sensing single mode fiber are connected to the input end of the second directional coupler, and the output end of the second directional coupler is connected to the spectrometer; a groove with a depth less than or equal to the thickness of the cladding wall is arranged on the cladding of the sensing single mode fiber, and the groove is filled. And there are two different densities of liquids which are not mutually soluble, and two liquids are layered. A method for preparing a tilt sensor is also provided. The sensor has the advantages of anti-electromagnetic interference, insulation, high sensitivity and resolution, high voltage resistance, corrosion resistance and weak signal.

【技术实现步骤摘要】
倾斜角传感器及其制备方法
本专利技术属于传感器领域，具体涉及一种基于倏逝场效应的光纤传感器及其制备方法。
技术介绍
倾斜角传感器是用于测量被测对象与水平面相对角度的装置，常用于桥梁、矿山、筑路、水坝等的倾斜角监视与测量。倾斜角传感器大量用于操作频繁的露天环境，因此其可靠性和稳定性必须较高。目前常用的倾斜角传感器有气泡式、差动变压器式、电容式、电位器式、磁敏电阻式、偏振片式等多种结构，这些倾斜角传感器有的结构复杂、成本较高，有的在使用寿命、长期高精度的观测上有一定局限性。
技术实现思路
为了克服上述缺陷，本专利技术提供一种倾角传感器及其制备方法。具体方案如下。本专利技术一方面提供一种倾角传感器，包括宽带光源、第一定向耦合器、第二定向耦合器、参考单模光纤、传感单模光纤和光谱仪；所述宽带光源与所述第一定向耦合器输入端连接，所述第一定向耦合器输出端连接所述参考单模光纤和所述传感单模光纤，所述参考单模光纤和所述传感单模光纤的另一端连接所述第二定向耦合器的输入端，所述第二定向耦合器的输出端连接所述光谱仪；所述传感单模光纤的包层上开设有深度小于等于包层壁厚度的凹槽，所述凹槽内充满且密封有两种不同密度且互不相溶的液体，且两种液体形成分层。可选地，所述参考单模光纤是单模石英光纤，所述传感单模光纤是单模石英光纤。可选地，所述凹槽的深度小于所述包层壁厚度。可选地，所述不同密度互不相溶的两种液体是聚二甲基硅氧烷和水、汽油和水、或氯仿和水等等。可选地，所述不同密度互不相溶的两种液体可以是任意比例，为了便于操作，优选两种液体的体积比是3:7～7:3之间。可选地，还包括计算并显示倾斜角度的装置。本专利技术另一方面提供一种倾斜角传感器的制备方法，包括如下步骤：选取单模光纤作为传感单模光纤；在所述传感单模光纤的包层上开设深度小于等于所述包层壁厚度的凹槽；在所述凹槽内充满两种不同密度且互不相溶的液体，所述两种液体形成分层；以及密封所述凹槽。可选地，利用飞秒激光器在所述包层上开设所述凹槽。可选地，所述参考单模光纤是单模石英光纤，所述传感单模光纤是单模石英光纤。可选地，所述凹槽的深度小于所述包层壁厚度。可选地，所述不同密度互不相溶的两种液体是聚二甲基硅氧烷和水、汽油和水、或氯仿和水等等。可选地，所述不同密度互不相溶的两种液体可以是任意比例，为了便于操作，优选两种液体的体积比是3:7～7:3之间。本专利技术的传感器是利用光源发出光与待测参数相互作用，导致光的强度、波长、相位等发生变化，成为被调制的信号，经解调后获得被测参数的一种新型传感器。与传统基于机电和压电效应的传感器相比，本专利技术的传感器具有抗电磁干扰、绝缘、灵敏度及分辨率高、耐高压、耐腐蚀、信号衰弱小的优点。附图说明通过参照附图详细描述其示例实施方式，本专利技术的上述和其它特征及优点将变得更加明显。图1是本专利技术的传感器的构成图。图2是本专利技术的传感器的结构示意图。图3是本专利技术的传感器的工作原理图。图4A和图4B是本专利技术的传感器的封装示意图。其中，附图标记说明如下：10：宽带光源20：第一定向耦合器30：传感单模光纤40：参考单模光纤50：敏感区域51：包层52：聚二甲基硅氧烷53：水54：玻璃管55：密封层56：纤芯57：凹槽60：第二定向耦合器70：光谱仪具体实施方式现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本专利技术将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。本专利技术基于倏逝场效应制成高精度、抗电磁干扰的倾斜角传感器。倏逝效应是指光从一种介质射向另一介质发生全反射时，并不是绝对在界面上被反射回第一介质，而是透入第二介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离后重新返回第一介质，沿着反射光方向射出，这个沿着第二介质表面流动的波称为倏逝波，倏逝波可以带回第二介质中的信息。利用这一效应，将光纤表面倏逝场作为敏感区，选择适当的物质填充这一区域，可以制成传感器。本专利技术基于这一效应，采用不同密度互不相溶的液体双层溶液作为敏感物质，设计了灵敏度及分辨率高、抗电磁干扰、耐高压及腐蚀的干涉型光纤传感器。结合图1说明本专利技术的的光纤倾斜角传感器，包括宽带光源10、第一定向耦合器20、第二定向耦合器60、参考单模光纤40、传感单模光纤30和光谱仪70。宽带光源10与第一定向耦合器20输入端连接，第一定向耦合器20输出端连接参考单模光纤40和传感单模光纤30，参考单模光纤40和传感单模光纤30的另一端连接第二定向耦合器60的输入端，第二定向耦合器60的输出端连接光谱仪70。传感单模光纤30包括敏感区域50，敏感区域50为在传感单模光纤30的包层51上开设有深度小于等于包层51壁厚度的凹槽，凹槽内充满且密封有两种不同密度且互不相溶的液体，且两种液体形成分层。第一定向耦合器20和第二定向耦合器60可以是3dB耦合器等。参考单模光纤40和传感单模光纤30可以是单模石英、玻璃、塑料光纤。由于石英的热膨胀系数小于玻璃和塑料，因此石英光纤受温度的影响较玻璃和塑料受温度的影响小，因此采用石英光纤的传感器传感精度较采用玻璃或塑料光纤的精度高。开设在包层51上的凹槽的深度最大不能超过包层51的厚度，超出包层51的厚度，则会损伤光纤。应当在工艺条件允许的条件下尽量减小凹槽的深度，凹槽的深度越小，测量的精度越高。光纤倾斜角传感器利用波长1000-1680nm宽带光源作为光信号输出源，利用两个定向耦合器20,60实现光信号分路/合路，利用两根单模光纤作为传感单模光纤40和参考单模光纤30，利用填充有两种不同密度且互不相溶的液体双层溶液作为倾斜角传感器敏感物质，利用光谱仪接收干涉光信号。其工作原理为：光从宽带光源发出后，通过第一定向耦合器20分成两束光分别进入传感和参考单模光纤，两束光始终沿着光纤传播，速度恒定。由于传感单模光纤40上装有填充液体的敏感区域50，基于倏逝效应，经过传感单模光纤的光获得相位延迟，与参考单模光纤30的光在第二定向耦合器60相遇后叠加干涉，并由光谱仪70接收干涉光信号。结合图2说明的光纤传感器敏感区域50的结构，传感单模光纤40由包层51和纤芯56组成。在包层51上形成深度等于包层壁厚的凹槽57，凹槽57内充满两种不同密度且互不相溶的液体。可以用玻璃管54对凹槽57进行密封。凹槽57内的两种液体互不相溶，且存在密度差异，因此将出现分层现象。凹槽57内的液体可以使任何两种不同密度且互不相溶的液体，例如可以是聚二甲基硅氧烷和水、汽油和水、氯仿和水等等。两种液体的比例可以是任意比例，为了便于操作优选两种液体的体积比是3:7～7:3。以下以体积比1：1的聚二甲基硅氧烷和水为例，参考图3，解释本专利技术的传感器的工作原理，但并不意在限定本专利技术。当传感器处于水平状态时，光从传感单模光纤40中传递时经过的敏感区域50液体，液体内部折射率由聚二甲基硅氧烷52和水53共同决定，对应延迟相位θ1。当传感器处于倾斜状态时，光经过敏感区域50的液体是图中的状态，液体折射率左段由二甲基硅氧烷52决定，中段由二甲基硅氧烷52和水5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种倾斜角传感器，其特征在于，包括宽带光源、第一定向耦合器、第二定向耦合器、参考单模光纤、传感单模光纤和光谱仪；所述宽带光源与所述第一定向耦合器输入端连接，所述第一定向耦合器输出端连接所述参考单模光纤和所述传感单模光纤，所述参考单模光纤和所述传感单模光纤的另一端连接所述第二定向耦合器的输入端，所述第二定向耦合器的输出端连接所述光谱仪；所述传感单模光纤的包层上开设有深度小于等于包层壁厚度的凹槽，所述凹槽内充满且密封有两种不同密度且互不相溶的液体，且两种液体形成分层。

【技术特征摘要】
1.一种倾斜角传感器，其特征在于，包括宽带光源、第一定向耦合器、第二定向耦合器、参考单模光纤、传感单模光纤和光谱仪；所述宽带光源与所述第一定向耦合器输入端连接，所述第一定向耦合器输出端连接所述参考单模光纤和所述传感单模光纤，所述参考单模光纤和所述传感单模光纤的另一端连接所述第二定向耦合器的输入端，所述第二定向耦合器的输出端连接所述光谱仪；所述传感单模光纤的包层上开设有深度小于等于包层壁厚度的凹槽，所述凹槽内充满且密封有两种不同密度且互不相溶的液体，且两种液体形成分层。2.根据权利要求1所述的倾斜角传感器，其特征在于，所述参考单模光纤是单模石英光纤，所述传感单模光纤是单模石英光纤。3.根据权利要求1所述的倾斜角传感器，其特征在于，所述凹槽的深度小于所述包层壁厚度。4.根据权利要求1所述的倾斜角传感器，其特征在于，所述不同密度互不相溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宇，翟明，傅晓亮，
申请(专利权)人：京东方科技集团股份有限公司，北京京东方光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11