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

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
技术领域
1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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-单模-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。
6.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。
7.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。
8.基于此，本发明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。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明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。
10.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.作为优选方案，其制作方法为：
16.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；
17.s2取一段50cm长的大芯径阶跃多模光纤(纤芯直径105μm，包层直径125μm)，两端做切平处理后用酒精擦拭干净放置一旁备用；
18.s3将制备好的v槽结构阶跃多模光纤传感区的一端与大芯径阶跃多模光纤的一端利用光纤焊接机自动焊接模式进行正对焊接，完成后用酒精擦拭干净并将传感区置于载玻片上，两端用无痕胶固定，将其放置于小型等离子溅射仪(etd-2000，外部连接有膜厚监测仪)中，将v槽区域用载玻片覆盖避免镀上金膜，v槽后传感区环形镀制50nm金膜，阶跃多模光纤v槽型包层spr传感器制作完成；
19.s4将镀有金膜的包层区域放入光纤涂敷机中进行聚合物的涂覆，涂层为折射率1.375的紫外固化胶，为传感探头提供可产生spr的折射率环境并起到保护金膜及光纤的作用，涂层外径为250μm，长度为2cm。传感探头经过机械弯曲之后，倏逝场在弯曲部分发生改变，因此spr共振波长随之发生相应的变化。
20.s5将探针左端阶跃多模光纤连接光源，阶跃多模光纤传感区域正置于顶柱正下方，通过微操手控制顶柱接触传感探头使光纤发生弯曲，光源发出的光在通过v槽结构时，包层模式被激发，传输光在包层与金属薄膜界面发生全反射和表面等离子体共振，反射后的光信号经芯径为105μm阶跃折射率多模收光光纤进入光谱仪，光谱仪将传输过来的反射光谱进行采集与解调，保存反射光谱数据，利用matlab仿真软件对数据进行处理，即可得到不同弯曲程度下的反射光谱曲线；v槽一边向内凹(0
°
弯曲方向)时，v槽受到挤压角度变小，从而导致spr入射角变大，共振谷发生蓝移；v槽一边向外凸(180
°
弯曲方向)时，v槽扩张使角度变大，从而导致spr入射角变小，共振谷发生红移，能够实现方向识别。
21.本发明的有益效果在于：
22.利用co2激光在传感光纤上加工v槽，有效的将纤芯中的光耦合至包层中。v槽光纤发生弯曲时，v槽结构发生形变，spr入射角发生改变，从而建立弯曲与spr入射角的关系，进而可通过spr共振谷的偏移来实现对弯曲高灵敏测量。当v槽向内凹时，v槽受到挤压角度变小，从而导致spr入射角变大，共振谷发生蓝移；当v槽向外凸时，v槽扩张使角度变大，从而导致spr入射角变小，共振谷发生红移，实现方向识别。
23.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
24.为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
25.图1为本发明的整体组成示意图；
26.图2为可方向识别的光纤v槽型包层spr曲率传感器探针示意图；
27.图3为图2aa’、bb’、cc’、dd’平面对应的剖面图，其中图(a)为阶跃多模光纤剖面图对应于aa’平面；图(b)为阶跃多模光纤v槽结构剖面图对应于bb’平面；图(c)为阶跃多模光纤v槽后包层镀膜剖面图对应于cc’平面；图(d)为收光阶跃多模光纤剖面图对应于dd’平面；
28.图4为v槽向内凹弯曲时(0
°
方向)和v槽向外凸弯曲时(180
°
方向)v槽形状示意图；
29.图5为弯曲测试装置结构图。
具体实施方式
30.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
31.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
32.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
33.下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
34.请参阅图1，附图中的元件标号分别表示：宽谱光源1，传感光纤2，收光阶跃多模光纤3，弯曲测试装置4，光谱仪5。
35.本发明涉及可方向识别的光纤v槽型包层spr曲率传感器，所涉及的传感光纤2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2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。所涉及的收光阶跃多模光纤3的纤芯直径105μm，包层直径125μm，数值孔径0.22。所涉及的弯曲测试装置4由左电机4-1、右电机4-2、左三维微动台4-3、右三维微动台4-4、微操手4-5、顶柱4-6和旋转器4-7组成，其中，左三维微动台4-3置于左电机4-1上，右三维微动台4-4置于右电机4-2上，左三维微动台4-3和右三维微动台4-4带有光纤夹具以夹持固定光纤，微操手4-5通过电缆与左电机4-1、右电机4-2连接，以便控制左右电机在三维方向上的移动；顶柱4-6与旋转器4-7相连，顶
柱4-6给予光纤一定压力使光纤发生弯曲，可通过旋转旋转器4-7带动顶柱4-6朝向不同方向，进而使光纤可以在不同方向发生弯曲。
36.具体连接方式为：传感光纤2的右端与收光阶跃多模光纤3的左端正对焊接，传感器用夹具固定在弯曲测试装置4上，传感光纤2的左端与宽谱光源1相连以传输光束，传感光纤2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3的左端，收光阶跃多模光纤3的右端与光谱仪5相连，光谱仪5对信号进行采集与解调。
37.具体制作方法为：步骤如下：
38.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(v槽参数为：v槽周期为571μm，v槽深度为67μm，v槽个数为30个)，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；
39.s2取一段50cm长的大芯径阶跃多模光纤(纤芯直径105μm，包层直径125μm)，两端做切平处理后用酒精擦拭干净放置一旁备用；
40.s3将制备好的v槽结构阶跃多模光纤传感区的一端与大芯径阶跃多模光纤的一端利用光纤焊接机自动焊接模式进行正对焊接，完成后用酒精擦拭干净并将传感区置于载玻片上，两端用无痕胶固定，将其放置于小型等离子溅射仪(etd-2000，外部连接有膜厚监测仪)中，将v槽区域用载玻片覆盖避免镀上金膜，v槽后传感区环形镀制50nm金膜，阶跃多模光纤v槽型包层spr传感器制作完成；
41.s4将镀有金膜的包层区域放入光纤涂敷机中进行聚合物的涂覆，涂层为折射率1.375的紫外固化胶，为传感探头提供可产生spr的折射率环境并起到保护金膜及光纤的作用，涂层外径为250μm，长度为2cm。传感探头经过机械弯曲之后，倏逝场在弯曲部分发生改变，因此spr共振波长随之发生相应的变化。
42.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。
43.s5按图1实验装置进行连接，将探针左端阶跃多模光纤连接光源1，阶跃多模光纤传感区域正置于顶柱正下方，通过微操手控制顶柱接触传感探头使光纤发生弯曲，光源1发出的光在通过v槽结构时，包层模式被激发，传输光在包层与金属薄膜界面发生全反射和表面等离子体共振，反射后的光信号经芯径为105μm阶跃折射率多模收光光纤3进入光谱仪4，光谱仪5将传输过来的反射光谱进行采集与解调，保存反射光谱数据，利用matlab仿真软件对数据进行处理，即可得到不同弯曲程度下的反射光谱曲线。如图4，v槽一边向内凹(0
°
弯曲方向)时，v槽受到挤压角度变小，从而导致spr入射角变大，共振谷发生蓝移；v槽一边向外凸(180
°
弯曲方向)时，v槽扩张使角度变大，从而导致spr入射角变小，共振谷发生红移，
能够实现方向识别。
44.最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过以上优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。