专利名称：一种基于pcf-lpg的二维倾斜角度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光纤传感技术领域，涉及一种基于光子晶体光纤长周期光栅 (long-period grating written in a photonic crystal fiber，PCF-LPG)的二维倾斜角度传感器。
背景技术：
近年来，倾斜角测量已成为生产生活中不可或缺的一部分，如应用于电力工程、土木建筑工程、石化工业等安全健康监控领域，随着科技的进步，人们对倾斜角测量技术的要求越来越高。基于电容变化测量倾斜角度的传感器虽然具有灵敏度较高的优点，但易受电磁干扰，精度不高，结构复杂，不能分布式测量和远程监控，因此其适用范围受到很大的限制。光纤光栅是一种在光纤通信、光纤传感及光信息处理领域有着广泛应用前景的无源光纤器件。基于光纤光栅的传感器具有抗电磁干扰、集传感与传输于一体、构造简单等优点，能够实现高精度的测量。近年来，有人提出了基于布拉格光纤光栅的倾斜角度传感器， 如利用悬挂重物的方法将角度变化产生的力直接作用于数个光纤光栅上，通过测量不同光纤光栅的波长漂移量，即可得到倾斜的角度和方向。但是该传感器结构复杂，体积较大，测量范围较小，不适宜推广应用。长周期光纤光栅(long-period fiber grating, LPG)是一种透射型光纤器件。与普通光纤光栅相比，LPG的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感。光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF)是一种具有许多优良光学特性的新型光纤，如温度不敏感性。利用具有温度不敏感特性的光子晶体光纤制作的LPG具有对液位变化敏感的特性和良好温度稳定性的优点，基于这一特性我们设计了基于PCF-LPG的一维倾斜角传感器(申请号201020695730. 5)，然而，由于只能实现一维检测，应用范围受到限制。本实用新型利用两根PCF-LPG实现二维倾斜角度传感，结构简单、灵敏度高、温度稳定性好。
发明内容本实用新型目的就是为了克服现有技术中普通光纤光栅倾斜角度传感器结构复杂的问题，提供了一种与普通光纤光栅测量机理完全不同、结构简单的PCF-LPG 二维倾斜角度传感器。本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案基于PCF-LPG的二维倾斜角度传感器包括宽带光源、一对PCF-LPG、蔗糖溶液、有机玻璃管、光谱分析仪。一对PCF-LPG是在同一根PCF上制作而成。将串联的PCF-LPG斜插入有机玻璃管，分别与有机玻璃管的轴线相交，两个交点重合且交点是光栅的中点；两根PCF-LPG与轴线的夹角都为θ(θ <90° )，且与轴线所在的两个平面互相垂直。用胶水密封有机玻璃管管壁上穿过PCF-LPG的小孔，同时用胶水固定PCF-LPG，以使PCF-LPG处于自然拉直状态。密封有机玻璃管的一端，从另一端注入蔗糖溶液，使二分之一的PCF-LPG浸没在蔗糖溶液中而其余部分PCF-LPG暴露在空气中。PCF-LPG对的一端与宽带光源光连接，PCF-LPG对的另一端与光谱分析仪光连接。有机玻璃管、蔗糖溶液、PCF-LPG对构成二维倾斜角度传感器。 本实用新型所具有的有益效果为1、传感元PCF-LPG对液位变化十分敏感，当因装置倾斜引起浸入蔗糖溶液中的两根PCF-LPG栅区长度发生不同的变化时，PCF-LPG的谐振波长发生不同的漂移量，通过监测两根PCF-LPG波长漂移量即可解调出倾斜角改变量。2、PCF_LPG是一种温度不敏感器件，可以有效消除温度对传感器的干扰。3、传感元PCF-LPG处于自然拉直状态，有机玻璃管为硬质结构，在装置倾斜时，不会改变PCF-LPG的自然拉直状态，以消除弯曲对测量的干扰。4、由于本实用新型的传感机理并不需要光纤光栅悬挂重物和悬挂光纤光栅，所以整个传感器尺寸较小，结构简单，仅由有机玻璃管、PCF-LPG、蔗糖溶液构成。
图1为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进一步描述。如图1所示，基于PCF-LPG的二维倾斜角度传感器，包括宽带光源1、PCF-LPG2、 PCF-LPG3、蔗糖溶液4、有机玻璃管5、光谱分析仪6。将PCF-LPG2和PCF-LPG3斜插入有机玻璃管，分别与有机玻璃管5的轴线相交，两个交点重合且交点是光栅的中点；PCF-LPG2和 PCF-LPG3与轴线的夹角都为θ (Θ <90° )，且与轴线所在的两个平面互相垂直。用胶水密封有机玻璃管5管壁上穿过PCF-LPG2和PCF-LPG3的小孔，同时用胶水固定PCF-LPG2和 PCF-LPG3，以使PCF-LPG2和PCF-LPG3处于自然拉直状态。密封有机玻璃管5的一端，从另一端注入蔗糖溶液4，使二分之一的PCF-LPG2和PCF-LPG3浸没在蔗糖溶液4中而其余部分的PCF-LPG2和PCF-LPG3暴露在空气中。PCF-LPG2和PCF-LPG3是在同一根PCF上制成的PCF-LPG对。PCF-LPG对的一端与宽带光源1光连接，PCF-LPG对的另一端与光谱分析仪 6光连接。有机玻璃管5、蔗糖溶液4、PCF-LPG2和PCF-LPG3对构成二维倾斜角度传感器。本实施方式的工作方式为当该装置倾斜角度为θ时，PCF-LPG2和PCF-LPG3与水平面的夹角改变，角度改变量分别为Φ1和Φ 2，进而浸入蔗糖溶液中的PCF-LPG栅区长度发生改变，导致PCF-LPG谐振波长的漂移，漂移量分别为Δ λ 和Δ λ2。通过测量 PCF-LPG的波长漂移量Δ λ 1和Δ λ 2，反推出PCF-LPG浸入蔗糖溶液中长度的改变量，进而推出PCF-LPG与水平面的夹角Φ1和Φ2，装置的倾斜角度θ即可求得。该装置的灵敏度约为0. 25nm/度，若光谱分析仪的分辨率为0. Olnm，该传感器的分辨率可达0. 04度。该装置能够实现倾斜角度测量的关键因素为1. PCF-LPG2和PCF-LPG3分别与有机玻璃管的轴线相交，两个交点重合且交点是光栅的中点，两根PCF-LPG与轴线的夹角都为θ (θ <90° )，且与轴线所在的两个平面互相垂直。此结构导致在倾斜角度改变时浸入蔗糖溶液的栅区长度改变量不相同，进而导致两光栅的波长漂移量不相同，因而可以解调出二维倾斜角度。[0017]2.为使溶液表面水平，选取的有机玻璃管直径要足够大以消除液体表面张力带来的液面弯曲。3. PCF-LPG与有机玻璃管的母线的夹角应尽量小，这样在装置倾斜时，PCF-LPG才能完全浸入蔗糖溶液中。4.选取蔗糖溶液的折射率近似于PCF-LPG包层的有效折射率，有利于提高传感器的灵敏度。本实施例中PCF-LPG2的栅区长度为1. 9cm,谐振波长为1566nm，谐振波长处衰减幅度为20dB，其中栅格周期为469um，周期数为40。PCF_LPG3的栅区长度为1. 9cm,谐振波长为1525nm，谐振波长处衰减幅度为MdB，其中栅格周期为469um，周期数为40。PCF-LPG2和 PCF-LPG3的间距为50cm。有机玻璃管的直径为km，高10cm。蔗糖溶液的折射率为1. 42。
权利要求1.基于PCF-LPG的二维倾斜角度传感器包括宽带光源、蔗糖溶液、一对PCF-LPG、有机玻璃管、光谱分析仪，其特征在于一对PCF-LPG是在同一根PCF上制作而成；将串联的PCF-LPG斜插入有机玻璃管，分别与有机玻璃管的轴线相交，两个交点重合且交点是光栅的中点；两根PCF-LPG与轴线的夹角都为θ且θ <90°，且与轴线所在的两个平面互相垂直；用胶水密封有机玻璃管管壁上穿过PCF-LPG的小孔，同时用胶水固定PCF-LPG，以使PCF-LPG处于自然拉直状态；密封有机玻璃管的一端，从另一端注入蔗糖溶液，使二分之一的PCF-LPG浸没在蔗糖溶液中而其余部分PCF-LPG暴露在空气中；PCF-LPG对的一端与宽带光源光连接，PCF-LPG对的另一端与光谱分析仪光连接；有机玻璃管、蔗糖溶液、PCF-LPG对构成二维倾斜角度传感器。
2.根据权利要求1所述的基于PCF-LPG的二维倾斜角度传感器，其特征是蔗糖溶液的折射率接近但小于PCF-LPG包层的有效折射率。
专利摘要本实用新型涉及基于PCF-LPG的二维倾斜角度传感器。一对PCF-LPG是在同一根PCF上制作而成。将串联的PCF-LPG斜插入有机玻璃管，分别与有机玻璃管的轴线相交，两个交点重合且交点是光栅的中点；两根PCF-LPG与轴线的夹角都为θ(θ＜90°)，且与轴线所在的两个平面互相垂直。用胶水密封有机玻璃管管壁上穿过PCF-LPG的小孔，同时用胶水固定PCF-LPG，以使PCF-LPG处于自然拉直状态。密封有机玻璃管的一端，从另一端注入蔗糖溶液，使二分之一的PCF-LPG浸没在蔗糖溶液中而其余部分PCF-LPG暴露在空气中。PCF-LPG对的一端与宽带光源光连接，PCF-LPG对的另一端与光谱分析仪光连接。有机玻璃管、蔗糖溶液、PCF-LPG对构成二维倾斜角度传感器。本实用新型具有结构简单，灵敏度高的优点，并且能有效消除温度对传感器的干扰。
文档编号G01C9/18GK202126259SQ201120136880
公开日2012年1月25日 申请日期2011年4月29日 优先权日2011年4月29日
发明者倪凯, 张在宣, 王云鹏, 胡李敏, 赵春柳, 金尚忠 申请人:中国计量学院