[發明專利]一種基于微納多芯特種光纖的矢量應力計

有效

• 申請號: 202010317735.2
• 申請日: 2020-04-21
• 公開（公告）號: CN111487000B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: 李晉;李鑫;王清晨;余樂
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G02B6/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 陳玲玉;梅洪玉

本發明提出了一種基于微納多芯特種光纖的矢量應力計，將單模光纖A、單模光纖B與微納多芯特種光纖熔接，微納多芯特種光纖由四個包層纖芯，一個中心纖芯和多芯光纖包層，表面涂覆聚合物，聚合物表面刻制光柵。首先，寬帶光源發出的光進入單模光纖A的纖芯A全反射傳輸，當光到達熔接點時，一部分光進入微納多芯特種光纖，分別在四個包層纖芯，一個中心纖芯和多芯光纖包層中傳輸；另一部分光進入聚合物傳輸，并受到光柵的實時調制。所有光信號在單模光纖B和纖芯B后回到光譜分析儀，得到透射光譜。該應力計采用全光纖結構設計，具備高靈敏度和柔性易封裝特性，可用于穿戴式行為監測及輔助設備，實現對受力方向和大小的感知及交互。

技術領域

本發明屬于傳感技術領域，涉及一種微納多芯特種光纖與單模光纖組成的級聯結構，具體涉及一種基于該級聯結構的矢量應力計，可用于穿戴式行為監測及輔助設備，實現對受力方向和大小的感知及交互。

背景技術

早在20世紀70年代以來，美國康寧公司就制造出了第一根低損耗光纖，典型的光纖是單芯結構，而多芯特種光纖是一個共用外包層、內含多根纖芯，每根纖芯又有自己的內包層，這類多芯特種光纖雖然在制作成本上比單芯光纖高，但卻具有單模光纖沒有的一些特殊性質，具有更廣闊的應用前景。尤其在傳感器的應用領域內，1995年，Lucas B.Soldamo等人就已經推導和分析多模光纖內部模式干涉效應、自然聚集及傳輸光場變化等，為其應用奠定了基礎。而單模-多模-單模(SMS)光纖結構傳感器憑借其結構簡單、易于加工、成本低廉、高靈敏度等特點越來越受研究學者的青睞。

將SMS級聯結構應用于壓力、溫度等領域的測量技術也有一定的進展，2016年，LiC等使用四芯光纖與單模光纖熔接制作的傳感器分別應用于應變、溫度、折射率和彎曲傳感中，靈敏度分別為1.78pm/με、209pm/℃、91.39pm/RIU和20.18nm/m^-1。SMS結構應用于對外界環境變化的檢測以實現對微小位移的判別，有望實現對人體手臂、手指的運動方向的檢測，甚至可將該微納結構集成到可植入芯片內部，促進人機互聯技術的發展。

發明內容

本發明解決了傳統光纖應力傳感器靈敏度低，以及無法實現應力方向檢測的問題，提出了一種基于微納多芯特種光纖的矢量應力計。

為了達到上述目的，本發明提出了一種基于微納多芯特種光纖的矢量應力計，采用的技術方案是：

單模光纖A、單模光纖B分別與微納多芯特種光纖的兩端熔接，其中，微納多芯特種光纖包括三部分：多芯光纖包層，一個中心纖芯，四個圍繞中心纖芯均勻對稱分布的包層纖芯；微納多芯特種光纖表面涂覆聚合物，聚合物表面刻制光柵；寬帶光源發出的光進入單模光纖A的纖芯A全反射傳輸，當光到達熔接點時，一部分光進入微納多芯特種光纖，分別在四個包層纖芯、一個中心纖芯和多芯光纖包層中傳輸；寬帶光源發出的另一部分光進入聚合物傳輸，并受到光柵的實時調制；所有光信號在單模光纖B和纖芯B后回到光譜分析儀，得到透射光譜。

寬帶光源發出的光經過由單模光纖A，單模光纖B和微納多芯特種光纖組成的級聯結構過程中，會由于模場不匹配而激發出更多的高階模式，這些模式傳輸的有效折射率不同，在由單模光纖A耦合進入微納多芯特種光纖，以及再次耦合進入單模光纖B時會發生多光路干涉，輸出的光譜是多組模式干涉的疊加，光譜分析儀輸出的光譜圖會受到上述級聯結構參數變化的影響，控制微納多芯特種光纖的長度和材質，可以得到合適的結構。當外界應力作用于級聯結構時，會使微納多芯特種光纖發生彎曲和光柵周期發生改變，進而影響聚合物、包層纖芯、中心纖芯和多芯光纖包層內光信號的相位，光譜分析儀上的透射光譜將出現對應的偏移。通過輸出光譜的偏移量不同與外界環境壓力的關系可以分析微納多芯特種光纖的受力大小和角度，從而來達到矢量應力計的作用。

上述方案中，用到的光柵由長周期光柵和短周期光柵組成，二者周期的變化均能夠影響干涉光譜，二者差分能夠有效消除環境參量的交叉敏感效應對應力測量的影響，提高應力的大小和角度的測量準確度。光柵可以根據需要設計成不同的組合形式。