一种塑料光纤微位移传感器及其制备方法与流程

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种耦合结构塑料光纤微位移传感器及其制备方法。

背景技术：

位移的测量在工业生产、航空航天以及结构健康监测等领域具有重要意义。目前，多种测量技术都可以应用到位移传感当中，如电感式、电容式、光电式以及光纤式位移传感器。相比于其他类型的位移传感器，光纤位移传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、可进行远程传感，以及操作灵活性较高等优点。

按照所使用的光纤材料进行分类，可以将现有的光纤位移传感器分为石英光纤位移传感器和塑料光纤位移传感器。相比于石英光纤，塑料光纤具有芯径大、柔韧性好、可见光操作等独特的优势，在位移传感领域具有重要应用价值。如专利申请号201810802189.4“一种塑料光纤位移传感器及其制备方法”，利用了带有v形槽结构的塑料光纤进行位移传感。但是该位移传感器需要在塑料光纤上压制v形槽结构，这会导致器件的机械强度下降，并且该器件测量精度较低，不能进行微米级的微位移传感。另外，如专利申请号cn201510229468.2“基于宏弯曲损耗效应的光纤位移传感器”和专利申请号cn109099847a“基于宏弯损耗效应和功率耦合的二维光纤位移传感器”，都是采用两根宏弯曲塑料光纤之间的耦合效应来实现位移传感的。但是其耦合结构是通过直接将两个裸光纤进行缠绕而获得的，耦合效率很低，耦合输出光信号很弱，只有纳米量级，使得其在测量时很容易受到接收装置的噪声和环境光的影响，信噪比较差，并且其分辨率在毫米量级，也不能进行微米量级位移的测量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种成本低廉、制备工艺简单，并且可进行微米量级位移传感的塑料光纤微位移传感器。

为解决上述问题，作为本发明的第一方面，提供了一种弯曲的锥形塑料光纤耦合结构微位移传感探头的制备方法。包括s1：锥形塑料光纤的制备，该过程采用电烙铁对塑料光纤进行加热，制备时需要将一段塑料光纤置于电烙铁的上方约1cm的位置处，使烙铁头的温度加热至480℃左右。待光纤加热至熔融状态时，停止加热并向外拉伸光纤的两端，在拉力的作用下，熔融区域的塑料光纤被拉细，从而形成一个两端带有锥形过度区域，中间为直径均匀的双锥形塑料光纤；s2：锥形塑料光纤耦合器的制备，选择两根制备好的双锥形结构塑料光纤，将其拉锥区域进行互相缠绕，缠绕时尽量保证光纤锥形结构部分紧密贴合，以达到高效光能量耦合的目的，为进一步提高耦合效率和器件结构的稳定性，需要在缠绕的耦合区域滴注紫外固化胶，然后再用紫外光照射直至其凝固，该耦合结构分别有两个输入端和两个输出端；s3：弯曲型耦合结构锥形塑料光纤探头的制备，该过程需要将制备好的耦合结构锥形塑料光纤插入到一个软质的u形塑料套管中，然后再用环氧树脂胶将其两端口与耦合结构塑料光纤进行固定和密封。优选地，套管的直径约为3～5mm，其长度要大于锥形光纤的长度。

作为本发明的第二方面，提供了一种弯曲锥形塑料光纤耦合结构微位移传感系统，它由光源、弯曲型耦合结构锥形塑料光纤探头、光探测器、单片机处理控制系统和显示屏组成。光源由其中一个锥形光纤输入(称为有源光纤)，另外一个光纤(称为无源光纤)输入端闲置，光纤两输出端采用两个探测器进行光功率的测量，传感器通过两个输出端分光比的变化来反映微位移的变化。

本发明还可以包括：

1、所述的塑料光纤为多模塑料光纤，光纤的外径为250～1500μm，纤芯直径范围为240～1480μm。

2、所制备的锥形塑料光纤的锥腰直径为100～500μm，并且有源锥形光纤的锥腰直径要小于无源锥形光纤的锥腰直径。

3、锥形塑料光纤耦合区域的长度为5～20mm。

4、光纤探头的u形塑料套管的弯曲半径为2～5mm。

5、所述的光源为中心波长为650nm的红光led，光电探测器为光电二极管，采用单片机进行数据处理，并将数据显示在显示屏幕上。

本发明是基于倏逝场宏弯曲耦合效应原理进行工作的。其可以阐述如下：当耦合结构的塑料光纤进行弯曲后，输入光纤纤芯内的光场会朝着弯曲的外侧偏移，光纤中的一部分纤芯模式会转换为包层模式，这部分包层模是不能忽略的，其在包层/外部介质的界面上会发生全反射，产生倏逝波，在倏逝波的作用下，一部分光能量会从有源光纤耦合进入到无源光纤当中。而当位移发生变化时，会改变耦合结构塑料光纤的弯曲半径，使倏逝波增强，从而引起两个光纤间耦合效率发生改变，使两光纤输出光的分光比发生变化。因此，通过监测分光比的变化，就可以检测位移的变化量。而采用锥形塑料光纤，可以极大地增强倏逝波的强度，有效地增加两个锥形光纤间的耦合效率，从而即使在微小位移的条件下，也会有相当一部分能量耦合进入无源光纤当中，从而产生明显的分光比变化，提高位移检测的灵敏度与分辨率。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明的微位移传感探头的制作不需要复杂的设备，也不需要腐蚀或者抛磨，制作工艺简单，容易控制，成本低廉，便于商业化生产。

2)本发明的微位移传感探头采用弯曲的锥形塑料光纤，可以有效增加传输光倏逝场的强度，提高两光纤之间的耦合效率，从而可以提高器件的灵敏度与信噪比，进而实现微位移传感。

3)本发明器件的两个输出端测得的光功率均来源于同一个光源，具有相同的光功率波动，因此，通过测量耦合比来反映位移的变化就可以消除光源波动所带来的影响。

附图说明

图1是本发明的弯曲型耦合结构锥形塑料光纤传感系统示意图；

图2是本发明的熔融拉锥法制备塑料光纤双锥体结构过程示意图；

图3是本发明的弯曲型耦合结构塑料光纤微位移传感探头的结构示意图；

图4是本发明的微位移传感器所测的位移与分光比的关系及拟合曲线图；

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明的具体实施作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质相同的等同替换均属于本发明的保护范围。

参见图1，为本发明的弯曲型耦合结构锥形塑料光纤的微位移传感系统的示意图，其由光源1、输入光纤2、探头固定部件3、光纤传感探头4、位移装置挡板5、输出光纤6、光电探测器7(由两个相同的光功率计构成)、信号处理及显示单元8组成。其工作过程为：光源发出的光通过输入光纤进入到其中一根锥形塑料光纤(有源光纤)，在耦合区域，由于弯曲锥形光纤的强倏逝场作用，光能量可以从输入光纤耦合到另外一个光纤(无源光纤)当中。最后两个光纤的输出光功率由两个相同的光功率计进行测量，而后再经过数据处理，计算出分光比并显示出来。

当位移发生改变时，光纤探头的弯曲半径会随之改变，从而导致光纤内传输的光场发生畸变，进而使分光比发生变化，因此，可以通过监测探头的分光比来检测位移的变化量。工作时可以将传感探头置于一个固定板和一个可移动板之间，通过改变移动板的位置就可以改变位移量的大小。下面以使探头的弯曲半径减小为例，解释一下该传感器的工作过程。随着光纤弯曲半径的减小，有源光纤内部传输光的光场向弯曲外部方向的偏移量增大，从而使更多的光能量进入到光纤包层。这部分光在包层和空气的界面上会发生全反射，产生更强的倏逝场，从而会使更多的光能量耦合到无源光纤当中，使分光比发生改变。由此，就可以标定出分光比随位移的变化曲线，然后利用这个曲线关系，在测得分光比的情况下就可以得到位移的变化情况。其中，分光比值的大小可由如下公式表示，

式中，i耦合为传感探头中有源光纤端的输出光强，i有源为传感探头无源光纤的输出端光强。分光比的取值范围为0～1，其值越大，表示有更多的光从输入光纤进入到了耦合光纤，即耦合效率越高，其值越小，则表示耦合效率越低。

参见图2，为本实施例采用的熔融拉锥法制备塑料光纤双锥体结构的示意图。所用的光纤是普通的商用塑料光纤(ck40)，其纤芯材料为聚甲基丙烯酸甲酯，折射率为1.49，包层材料是折射率为1.41的氟树脂，光纤的外径为1000±1μm，芯径为980±1μm。双锥形塑料光纤的制备过程采用了电烙铁9作为热源进行加热，该过程需要将一段塑料光纤10置于电烙铁上方约1cm的位置处。制备时，需要将烙铁头的温度加热至480℃左右，待光纤加热至熔融状态时，停止加热，并利用数控位移台向外拉伸光纤的两端，在拉力的作用下，熔融区域的塑料光纤被拉细，从而形成一个两端带有锥形过度区域，中间为直径均匀的双锥形塑料光纤。

参见图3，为弯曲型耦合结构锥形塑料光纤的结构示意图。图中，光纤12为有源光纤，即光源输入端；光纤13为无源光纤。耦合结构的制备需要将两根制备好的双锥体结构塑料光纤的拉锥区域互相缠绕在一起，并尽量保证光纤锥体结构部分缠绕紧密贴合，然后在耦合区域紫外固化胶，并用紫外光照射直至其固化，以此保证耦合结构的稳定；弯曲型耦合结构锥形塑料光纤探头的制备则需要将制备好的耦合结构锥形塑料光纤插入到一个软质的u形塑料套管14中，然后再用环氧树脂胶将其两端口进行固定密封，套管的直径约为4mm，其长度要大于锥形光纤的长度，其弯曲半径为5mm。至此，弯曲型耦合结构锥形塑料光纤传感器探头制备完成。优选地，输入锥形塑料光纤的均匀部分直径为100μm，耦合锥形塑料光纤的均匀部分直径为200μm。

图4为本发明微位移传感器所测的位移与分光比的关系曲线图。该数据是在位移减小的测试条件下测得的。由测试数据可以看到，随着位移量的减小，分光比呈增大趋势。通过多次测试，测得该传感器的探测精度约为20μm，量程约为2.1mm，灵敏度为0.0003/微米。灵敏度s的表达式如下，

式中，δt为分光比的变化量，δd为位移变化量。