[發(fā)明專利]一種基于飛秒激光刻寫螺旋型波導(dǎo)的光纖振動傳感器

有效

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• 申請日: 2020-11-05
• 公開（公告）號: CN112212966B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳敏;郭允;徐賁
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供了一種基于飛秒激光刻寫螺旋型波導(dǎo)的光纖振動傳感器，包括單波長激光器、傳感頭、光電探測器、示波器，其特征為：所述傳感頭為單模?無芯?單模的三明治結(jié)構(gòu)，由飛秒激光在無芯光纖內(nèi)刻寫螺旋波導(dǎo)制成。波導(dǎo)共有五部分：水平直線波導(dǎo)、直徑均勻遞增的螺旋波導(dǎo)、直徑均勻的螺旋波導(dǎo)、直徑均勻遞減的螺旋波導(dǎo)、水平直線波導(dǎo)。本發(fā)明利用強度解調(diào)的方法，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，當振動時，輸出光強發(fā)生周期性的變化，即電壓值發(fā)生周期性變化，對輸出的電壓值進行傅里葉變換，得到振動頻率，從而實現(xiàn)對振動頻率的傳感測量。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)堅固、體積小、制備簡單、成本低、抗電磁干擾、靈敏度高、測量范圍廣等優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提供了一種基于飛秒激光刻寫螺旋型波導(dǎo)的光纖振動傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

振動測量在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、無損檢驗和沖擊波檢測等領(lǐng)域中都存在廣泛的應(yīng)用，但傳統(tǒng)的電學、機械振動傳感器存在易受到電磁干擾、精度低、體積大等缺點，無法滿足現(xiàn)實需求。近年來，光纖傳感器憑借其尺寸小、靈敏度高、抗電磁干擾能力強、耐高溫等獨特的優(yōu)勢，在振動傳感領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。在眾多的光纖振動傳感器中，根據(jù)其工作原理可分為：基于波長調(diào)制、基于強度調(diào)制、基于相位調(diào)制的光纖振動傳感器。其中波長調(diào)制型振動傳感器大多基于光纖布拉格光柵(FBG)，此類振動傳感器雖然具有高精度、波分復(fù)用等優(yōu)勢，但易受溫度、應(yīng)變和壓力的交叉影響；強度調(diào)制型振動傳感器是通過對光強改變的測量，來測量振動頻率，其中反射式強度調(diào)制型光纖振動傳感器以其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于測量等優(yōu)勢被廣泛認可，但仍存在檢測靈敏度低、無法在復(fù)雜環(huán)境下精確測量等缺點；相位調(diào)制型光纖振動傳感器又稱干涉型光纖振動傳感器，此類振動傳感器憑借精度高、測量范圍廣、靈敏度高等優(yōu)點成為研究熱點，但其信號檢測復(fù)雜，且易受環(huán)境擾動。因此，探索高精度、高靈敏度、低成本且適用于復(fù)雜環(huán)境的光纖振動傳感器成為目前的研究熱點之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于飛秒激光刻寫螺旋型波導(dǎo)的光纖振動傳感器，具有結(jié)構(gòu)堅固、體積小、制備簡單、成本低、抗電磁干擾、靈敏度高、測量范圍廣等優(yōu)點。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：一種基于飛秒激光刻寫螺旋型波導(dǎo)的光纖振動傳感器，包括單波長激光器、傳感頭、光電探測器、示波器四部分，其特征在于：所述傳感頭為單模-無芯-單模光纖的三明治結(jié)構(gòu)，由飛秒激光在無芯光纖內(nèi)刻寫螺旋型波導(dǎo)制成，波導(dǎo)直徑為1.2-2.0μm。第一部分為水平直線波導(dǎo)，長度為100-500μm，將光從單模光纖纖芯引出到無芯光纖中；第二部分為螺旋直徑從0μm至60-100μm均勻遞增的螺旋波導(dǎo)，螺距為100-300μm；第三部分為螺旋直徑為60-100μm的均勻螺旋波導(dǎo)，螺距為100-300μm；第四部分為螺旋直徑從60-100μm均勻遞減至0μm的螺旋波導(dǎo)，螺距為100-300μm；第五部分為水平直線波導(dǎo)，長度為100-500μm，將光再次耦合到單模光纖的纖芯中。制作過程中，這三段螺旋波導(dǎo)的長度、螺距以及螺旋直徑均可進行相應(yīng)調(diào)整，以獲得靈敏度和傳感區(qū)域長度不同的振動傳感器。所述單模光纖的直徑為125μm，其纖芯直徑為8.9μm；所述無芯光纖的直徑為125μm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

1.本傳感頭由普通單模光纖及無芯光纖制成，結(jié)構(gòu)簡單且堅固、成本低、體積小。

2.本傳感頭可通過控制螺旋波導(dǎo)的螺距、直徑、長度等參數(shù)，獲得不同靈敏度和不同傳感區(qū)域長度的振動傳感器，以滿足不同需求。

3.本傳感器為純強度解調(diào)，較之波長解調(diào)的振動傳感器，本發(fā)明響應(yīng)速度快，解調(diào)所需設(shè)備成本更低。

附圖說明

下面結(jié)合附圖及具體實施方式對本發(fā)明進一步說明：

圖1為基于飛秒激光刻寫螺旋型波導(dǎo)的振動傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的實施應(yīng)用系統(tǒng)示意圖；

圖3為本發(fā)明在600Hz的振動頻率環(huán)境下測得的電壓值信號變化圖；