一种基于光子晶体光纤的压力传感方法及传感器技术

一种基于光子晶体光纤的压力传感方法及传感器，将光源发出的光经过普通传导光纤耦合至由光子晶体光纤制作的压力传感头中，当压力作用在压力传感头上时，光子晶体光纤的空气孔尺寸、孔间距变化和压力呈线性变化，使光源传输光模场发生变化，引起熔接点耦合损耗的变化，采用探测器探测输出光强的变化，实现压力的测量。本发明专利技术具有结构简单，尺寸小，温度无关和对电磁不敏感且生物兼容，对辐射不敏感等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学传感方法及传感器，更特别地说，是指一种基于光子晶体光纤，能够测量得到压力的光纤传感方法及传感器。
技术介绍
光纤压力传感器以其造价低廉、重量轻、不受电磁辐射影响等优点而被广泛应用， 同时成为目前该领域的主要研究方向。比如在医疗领域，随着微小侵入式疗法的推广，加之所探测空间部位都极其狭窄，小型化变得重要。而且光纤具有很好的生物兼容性，使得光纤传感器因其生物适应性，尺寸小，成本低，电绝缘性，电磁干扰性，在生物工程、医学诊断和治疗领域等器件的制作方面具有很大吸引力。然而，目前光纤压力传感技术的成熟度和应用情况相对不足，大部分研究也都基于法布里-珀罗干涉仪(FPI)。一般采用微机电或微光机电技术在光纤端形成FP腔，由于石英和硅材料的杨氏模量都较高，很难实现生理压力测量需要的高压力灵敏度，一直未能很好满足生理压力测量的要求。另外，这种技术复杂，可靠性差，受温度影响大，容易产生温度压力传感信号交叉，影响了其使用效果，限制了传感器性能的进一步提高。20世纪90年代中期，研制出一种光子晶体光纤，这种光纤不同于传统光纤，一般由纯石英拉制而成，因为没有掺杂而具有良好的抗辐射特性和温度稳定性。它还具有许多优点，如无截止的单模特性、低损耗特性、灵活的色散特性、可控的非线性、极强的双折射效应以及可进行微结构设计改造等。光子晶体光纤包层区域是由许多沿光纤轴向的微孔构成。根据其芯区的不同，导光机理也有所不同，通常将其分为两类。一种是折射率导光型光子晶体光纤，这种光纤为实心，其导光原理类似于标准的全内反射传导，是根据修正的全内反射原理，在实心中传导光波。另一种是光子带隙型光子晶体光纤，这种光纤芯区折射率低，其包层中的孔是按周期性排列的，形成二维光子晶体。这种二维周期性折射率变化的结构不允许某些频段的光在垂直于光纤轴的方向(横向)传播，形成所谓的光子带隙。由于这种光纤只用石英材料，通过特殊的微结构实现导光，因此其光传输特性对温度不敏感，而当由压力作用在光纤上时，将会改变光纤的微结构，导致传输光的模场、数值孔径等参数发生变化，因此可用来实现温度无关的压力测量。由于传统的光纤为实芯结构，其传输特性对压力不敏感，相反，对温度确较敏感， 所以目前还没有单纯采用光纤实现压力测量的实用方案和技术。由于光子晶体光纤是一种新型的光纤，将其用于压力测量的研究和报道很少，尚无利用光子晶体光纤受压时模场变化的特性进行压力传感的方法和技术。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题克服现有技术的不足，提供了一种基于光子晶体光纤的压力传感方法及传感器，利用光子晶体光纤作为压力传感头，通过光子晶体光纤与普通传导光纤熔接点的模场不匹配来实现环境压力测量。本专利技术技术解决方案一种基于光子晶体光纤的压力传感方法，将光子晶体光纤制作的压力传感头与普通传导光纤熔接，熔接点两端的光纤因结构不同具有不同的传输模场，光源发出的光经过普通传导光纤耦合至由光子晶体光纤制作的压力传感头中，当压力作用在压力传感头上时，压力传感头中光子晶体光纤的空气孔尺寸、孔间距变化和压力呈线性变化，而普通传导光纤的模场几乎不发生变化，光在经过熔接点进入压力传感头后，光功率损耗会发生变化，采用探测器探测输出光功率的变化，便可实现压力的测量；所述压力测量模型为I = I0 · (A+B · P)其中A、B分别为rcicn ,-. 力 _ 4wc W0px W0py t p _^wOpx ^py W0py ^fJ)LUUl U」~；~rri" - ~2；ΓΤ2其中=Itl为输入光功率，I为输出光功率Atlpj^ktlpy分别为光子晶体光纤在X和Y轴方向的压力系数，Wc为普通传导光纤的模场直径，w0px, W0py为光子晶体光纤未施加压力时X 轴和Y轴的初始模场直径，P是施加的压力大小；由于W。相对光子晶体光纤的模场直径大很多，而光子晶体光纤模场较小，所以高阶项可以被忽略。所述光子晶体光纤是实心结构，也可为空心结构。所述压力传感头为透射光路中的透射型压力传感头或反射光路中反射型压力传感头。所用光源是宽谱的发光二极管、或窄谱的激光二级管，或掺稀土的光纤光源、或光纤激光器。本专利技术采用反射和透射光路结构实现压力测量，其中反射结构为一种基于光子晶体光纤的反射型压力传感器，包括光源(1)、光纤耦合器(3)、探测器O)、第一传导光纤G)、反射型压力传感头(5)；所述反射型压力传感头(5)由一段第一光子晶体光纤⑶和反射膜(9)组成；光源⑴的尾纤与光纤耦合器(3)的输入端即A 端熔接，探测器( 与光纤耦合器C3)的反射端即C端熔接；传导光纤(4)的一端与光纤耦合器(3)的出射端即B端熔接，另一端与反射型压力传感头(5)中第一光子晶体光纤(8) 的第一出射端D端熔接，第一光子晶体光纤(8)的第二出射端即E端镀有反射膜(9)。反射膜(9)的材料为二氧化硅、二氧化钛或金属膜。透射结构为一种基于光子晶体光纤的透射型压力传感器包括其特征在于包括光源(1)、探测器O)、透射型压力传感头(11)、第二传导光纤(10)、第三传导光纤(1 ；所述透射型压力传感头(11)为一段第二光子晶体光纤(1 ；第二传导光纤(10)的一端与光源(1)的尾纤熔接，另一端与透射型压力传感头(11)中第二光子晶体光纤(1 的入射端即F端熔接； 第三传导光纤(1 的一端与探测器( 熔接，另一端与透射型压力传感头(11)中第二光子晶体光纤(15)的出射端即G端熔接。本专利技术测量压力的光纤传感器的优点在于(1)本专利技术利用光子晶体光纤作为压力传感头，通过光子晶体光纤与普通传导光纤熔接点的模场不匹配来实现环境压力测量，由于温度对光纤的模场不影响，因此可实现温度无关的压力测量。解决了目前传统光纤传感器由于对温度交叉敏感大而不能实用的难题。(2)在光纤中形成稳定模场的光传输距离很短，本专利技术所用的光子晶体光纤传感头尺寸可以很小，由于光纤本身具有很好的生理、生物兼容性，本专利技术可很好的满足生物医学领域的各种压力的监测，特别适合人体侵入式压力测量。(3)由于纯石英对辐射不敏感，本专利技术还可很好满足各种核辐射环境下的压力测量。克服了目前光纤传感器由于对核辐射敏感而不能应用于核辐射环境的“瓶颈”问题。(4)本专利技术通过测量由压力引起的功率变化实现压力测量，除压力传感头需要用到特种的光子晶体光纤外，对传输光纤和光源形式没有要求，因此这种传感器的设计和制作具有非常好的灵活性和兼容性，而且成本低廉。这一点是目前所有光纤压力传感器都不能做到的。附图说明图1是空芯光子晶体光纤截面及其模场图2是实芯光子晶体光纤截面及其模场图3是光子晶体光纤模场直径与压力关系曲线；图4是光子晶体光纤损耗与压力关系曲线图5是本专利技术反射型光纤传感器结构图6是本专利技术透射型光纤传感器结构图。具体实施方式本专利技术提供了一种基于光子晶体光纤的可精确传感压力的方法，当有压力作用在传统光纤和光子晶体光纤上时，光子晶体光纤的尺寸和传输模场的形状会发生相应的变化，而传统的模场不发生变化，因此在光子晶体光纤与普通传导光纤的熔接点处传输损耗会随着施加的压力发生变化，利用这个特性，本专利技术设计了一种简单的反射和透射光路，在光源功率一定时，通过测量光路的输出变化，实现压力的测量。本专利技术的传感测量可以有两种不同结构，分别是反射型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨远洪，段玮倩，张星，杨明伟，叶淼，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：