[发明专利]基于液体填充光子晶体光纤的振动传感器

说明书

本发明设计了一种基于液体填充光子晶体光纤的振动传感器，光子晶体光纤的两端分别共轴同心熔接实芯单模光纤跳线，作为传感器的输入端和输出端，入射光由输入单模光纤输入，传输经过液体填充光子晶体光纤，于输出单模光纤输出。输出光信号经光电转换器转换成电信号后由示波器采集。当传感器受到外界振动时，液体填充光子晶体光纤产生周期性微弯，一部分探测光耦合泄露至包层并被液体吸收，输出光强周期性变化，形成强度调制型光纤振动传感器。本发明制备的传感器具有体积小、抗电磁干扰、测量范围广、测量频率高的特点，可用于高灵敏度振动频率及加速度测量。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于液体填充光子晶体光纤的振动传感器。

背景技术

振动传感器在结构健康监测、地震监测、油气勘探、工业生产等许多行业领域中具有重要的应用。振动传感器的种类繁多，但目前工程中应用较多的仍是传统的机械式及电磁式传感器，然而机械式及电磁式传感器的灵敏度较低、体积较大、抗电磁干扰能力差，难以满足某些工程应用的需求。近年来，由于结构紧凑、抗电磁干扰、可远距离测量、复用性好及灵敏度高等优点，光纤振动传感器受到越来越多的关注。

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，简称PCF)是一类在包层区域具有二维周期性折射率变化的特殊光纤，通常通过引入周期性多孔微结构实现，因而也被称为微结构光纤或者多孔光纤。相比于传统阶跃型光纤，光子晶体光纤独特的导光机理和传输特性，在某些应用上展现出更高的传感性能，故自其诞生以来，基于光子晶体光纤的传感器件备受国内外研究者们的关注。光子晶体光纤的一个重要特点及优势是其内部多孔结构允许液体材料注入，能够将材料在外场作用下的物理响应和二维光子晶体的导光特性相结合，有效提高传感灵敏度，是未来光纤传感技术的一个重要发展方向。目前基于液体填充的光子晶体光纤传感器件已实现了对温度、电场、磁场、折射率等多种外界参量变化的高灵敏度检测。然而，目前有关光子晶体光纤应用于振动传感方面的研究尚处于起步阶段，将液体填充光子晶体光纤器件的优异特性与外界振动测量相结合更是未报道。

Chah等人采用高双折射光子晶体光纤，通过测量在振动引发下两个正交偏振本征模之间的相移，实现了振动频率及加速度测量，但测量光路十分复杂，且测量频率范围有限，仅为50～1000Hz(Chah K,Linze N,Caucheteur C,et al.Temperature-insensitivepolarimetric vibration sensor based on HiBi microstructured optical fiber[J].Applied Optics,2012,51(25):6130-6138.)。2018年，Jeong等人同样采用保偏光子晶体光纤，实现了1～3000Hz范围内的振动频率测量，但测量频率依然有待进一步提高(Jeong JH,Kim D K,Choi S,et al.Polarimetric polarization-maintaining photonic crystalfiber vibration sensor with shortest sensor head[J].IEEE Sensors Journal,2018,18(7):2768-2775.)。中国专利CN200810232853.2发明了一种全光纤法布里-珀罗干涉仪加速度传感器，将普通单模光纤、空芯光纤、实芯光子晶体光纤按顺序熔接，在实芯光子晶体光纤上加工有若干扇形通孔，各个扇形通孔的分隔部分形成振动臂，所有扇形通孔和振动臂所围的部分形成振动块。但该发明并未利用到光子晶体光纤独特的导光特性，仅将其用作振动块及反射面，且制备工艺非常复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于液体填充光子晶体光纤的振动传感器，该传感器具有体积小、抗电磁干扰、测量范围广、测量频率高的特点，可用于高灵敏度振动频率及加速度测量。