可方向识别的光纤V槽型包层SPR曲率传感器及其制作方法技术

本发明专利技术属于光纤传感领域，主要涉及可方向识别的光纤V槽型包层SPR曲率传感器；包括顺次连接的传感光纤和收光阶跃多模光纤；传感光纤上刻制有V槽结构，传感光纤接收并传输由光源发出的光束，光在经过V槽结构时将纤芯中的光耦合进入包层中，与覆盖在包层表面的金属膜发生SPR效应，最后由收光阶跃多模光纤进行收光并将光信号传输到光谱仪中进行信号采集与解调；本发明专利技术利用传感光纤上刻制V槽，有效的将纤芯中的光耦合进入包层中，解决包层型光纤SPR传感器倏逝场难以获得的难题，通过改变光纤弯曲程度改变V槽的形状，改变SPR入射角，使SPR共振谷偏移，实现高灵敏弯曲测量并具有方向识别能力。能力。能力。

【技术实现步骤摘要】
可方向识别的光纤V槽型包层SPR曲率传感器及其制作方法


[0001]本专利技术属于光纤传感器领域，具体涉及可方向识别的光纤V槽型包层SPR曲率传感器及其制作方法。

技术介绍

[0002]表面等离子体共振(SPR)技术因其灵敏度高、抗电磁干扰、无需标记、远距离测量等优势成为研究热点。SPR传感原理为：当光波从光密介质射向光疏介质时，在两种介质的界面，将发生反射和折射，如果入射角大于临界角，将不会发生折射，反射光波与入射光波能量相等，这种现象称为全反射，当发生全反射时，入射光照射到两种介质分界面后，光波能量全部反射回光密介质，但并不是在界面上一下就反射回去的，而是在光疏介质中穿透很薄的一层，厚度在光波波长量级，这部分穿透的电磁波称为倏逝波，倏逝波在金属表面激发表面等离子体，在一定条件下，倏逝波与金属表面等离子体发生共振，此时，反射光的能量由于入射光的能量被部分吸收而下降，形成共振峰，当光疏介质折射率不同时，共振峰发生偏移，这就是光纤SPR传感器对待测介质(光疏介质)折射率参数进行检测的基本原理。
[0003]在实际应用中，许多建筑结构因负载发生弯曲，在这样的建筑中，对于弯曲测量的需求增加，而且，弯曲方向的判断对于建筑结构的检测也是十分重要的。因此，基于MZI、FBG、LPFG类型的光纤弯曲传感器被提出，这几类光纤传感器都通过具有不对称结构或者使用不对称特殊光纤来进行弯曲传感与方向识别，他们对弯曲表现出高灵敏度与方向识别的优势，但是大多传感器使用特殊光纤，成本高、操作过程复杂、信号解调设备昂贵。
[0004]但目前将SPR技术与弯曲传感相结合的研究还较少，要建立SPR技术与弯曲传感的联系，首先要确保发生SPR效应，其次要建立弯曲与SPR共振波长的联系。
[0005]针对SPR效应发生条件，SPR发生的结构条件是：倏逝波需进入金属薄膜，即要求传输光全反射时接触金膜。对于光纤波导来说，传输光在纤芯和包层界面全反射，从而在纤芯中传输，包层中没有传输光，在进行光纤型SPR传感器结构构造时，要解决的问题是如何让传输光全反射时接触金膜。解决这个问题有两种方法：即纤芯型SPR传感器和包层型SPR传感器。纤芯型光纤SPR传感器需要去除光纤包层以使倏逝场与金属薄膜接触才能发生SPR效应，目前使用的方法为腐蚀、光纤侧面抛磨或光纤研磨等，但这些加工方法存在加工困难，使光纤机械强度降低、重复性差等问题，可用性不高。包层型光纤SPR传感器需要将光纤纤芯中的传输光泄露耦合至光纤包层中，以使倏逝场与金属薄膜接触才能发生SPR效应，目前的方法有拉锥结构、异质芯结构，U型结构，但是拉锥结构的光纤SPR传感器容易折断，重复利用性差；异质芯结构通常为多模
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单模
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多模光纤结构，此种方法无法实现在多模光纤包层上进行SPR传感；U型结构重复制作困难且产生弯曲损耗。
[0006]针对SPR弯曲传感：光纤受到弯曲，光纤纤芯中的光逐渐泄露到包层与空气中，受到的弯曲程度不同，那么光在光纤中的全反射角度不同，即SPR入射角不同，SPR入射角影响SPR共振谷的波长范围，因此，要实现SPR弯曲传感，目前要解决的问题是如何建立弯曲与SPR入射角的关系。
[0007]目前的解决方法有：Takagi等人利用异质芯结构光纤传感器研究了通过弯曲可成倍增加SPR共振峰损耗来增强光纤SPR传感器的灵敏度，但只理论推导了光纤弯曲曲率与SPR谱线的直接关系。苏于东等人在2018年报道了一种基于温度补偿的光纤SPR曲率传感器。沈等人利用环芯光纤实现分布式曲率传感，但机械弯曲是存在方向性的，而这些研究都没有实现方向识别，在2020年提出的一种光纤半膜SPR曲率传感器，实现了弯曲方向识别，但是灵敏度较低。
[0008]基于此，本专利技术要解决的问题是提供一种简单的光纤包层型SPR传感器以及基于此对曲率进行高精度测量的方法。

技术实现思路

[0009]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种可方向识别的光纤V槽型包层SPR曲率传感器，以及基于该传感器测量曲率的方法。
[0010]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0011]可方向识别的光纤V槽型包层SPR曲率传感器，包括顺次连接的传感光纤，收光阶跃多模光纤；其中，传感光纤的右端与收光阶跃多模光纤的左端正对焊接，所述传感光纤固定在待测弯曲的物体上(为方便测试和验证也可以用夹具固定在弯曲测试装置上，弯曲测试装置是可以模拟弯曲的装置)，传感光纤的左端与宽谱光源相连以传输光束，传感光纤上具有V槽结构，光束到达V槽结构时纤芯中的光耦合进入包层中，与覆盖在包层表面的金属膜发生表面等离子体共振(SPR)效应后，反射光进入收光阶跃多模光纤的左端，收光阶跃多模光纤的右端与光谱仪相连，光谱仪对信号进行采集与解调；利用CO2激光器在传感光纤上刻制V槽，有效的将纤芯中的光耦合进入包层中，解决包层型光纤SPR传感器倏逝场难以获得的难题；通过改变光纤弯曲程度改变V槽的形状，V槽向内凹弯曲时，V槽受到挤压角度变小，SPR入射角相应的变大，SPR共振谷蓝移；V槽向外凸弯曲时，V槽扩张使角度变大，SPR入射角相应的变小，SPR共振谷红移，实现高灵敏弯曲测量并具有方向识别能力。
[0012]所述弯曲测试装置包括微操手、电机、三维微动台，顶柱和旋转器。微操手与电机通过电缆连接，三维微动台位于电机上方，可通过电机来控制三维微动台在三维方向上的移动。顶柱安装在旋转器上，光纤的弯曲可通过顶柱来实现，通过旋转旋转器使顶柱方向发生180
°
变化以实现不同弯曲方向。
[0013]作为优选方案，所述的传感光纤具有V槽结构，可以有效的将纤芯中的光耦合进入包层中，传感光纤是阶跃多模光纤，纤芯直径40μm，包层直径125μm，数值孔径0.22；V槽的制作方法为：将剥除了涂敷层的裸纤放置于CO2激光器下方的三维微动台上，裸纤一端用光纤夹具固定住，光纤另一端悬挂轻质砝码使光纤在加热过程中保持恒定的轴向应力而始终处于水平直线状态，利用计算机设计CO2激光器加工V槽个数和周期，可通过改变加工次数来改变V槽深度。
[0014]作为优选方案，所述的收光阶跃多模光纤的纤芯直径105μm，包层直径125μm，数值孔径0.22。
[0015]作为优选方案，其制作方法为：
[0016]S1取一段足够长的阶跃多模光纤，纤芯直径40μm，包层直径125μm，用米勒钳将阶跃多模光纤一端剥除10cm的涂敷层，用无纺布蘸取酒精擦拭干净，将剥除了涂敷层的裸纤
放置于CO2激光器下方的三维微动台上，裸纤一端用光纤夹具固定住，光纤另一端悬挂轻质砝码使光纤在加热过程中保持恒定的轴向应力而始终处于水平直线状态，CO2激光器加工参数设置为加工速度800毫米/秒，功率50％，频率5KHz，利用计算机设计V槽个数和周期，可通过改变加工次数来改变V槽深度。取出V槽刻制完成后的光纤，将其用定长切割装置在V槽后切割2cm的长度做为传感区，另一端做切平处理后用酒精擦拭干净放置一旁备用；
[0017]S2取一段5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.可方向识别的光纤V槽型包层SPR曲率传感器，包括顺次连接的传感光纤，收光阶跃多模光纤；其中，传感光纤的右端与收光阶跃多模光纤的左端正对焊接，传感光纤的左端与宽谱光源相连以传输光束，其特征在于：所述传感光纤固定在待测弯曲物体上，传感光纤上设有V槽结构，光束到达V槽结构时纤芯中的光耦合进入包层中，与覆盖在包层表面的金属膜发生表面等离子体共振效应后，反射光进入收光阶跃多模光纤的左端，收光阶跃多模光纤的右端与光谱仪相连，光谱仪对信号进行采集与解调。2.根据权利要求1所述的可方向识别的光纤V槽型包层SPR曲率传感器，其特征在于：所述的传感光纤是阶跃多模光纤，纤芯直径40μm，包层直径125μm，数值孔径0.22。3.根据权利要求1所述的可方向识别的光纤V槽型包层SPR曲率传感器，其特征在于：所述的收光阶跃多模光纤的纤芯直径105μm，包层直径125μm，数值孔径0.22。4.根据权利要求1所述的可方向识别的光纤V槽型包层SPR曲率传感器，其特征在于：具体制作方法如下：S1取一段阶跃多模光纤，纤芯直径40μm，包层直径125μm，剥除涂敷层并用CO...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏勇，李玲玲，赵晓玲，王星凯，程菁，刘春兰，苏于东，
申请(专利权)人：重庆三峡学院，
类型：发明
国别省市：