寫有光柵的光子晶體光纖的橫向應力傳感系統及實現方法
2023-05-24 12:07:26
專利名稱：寫有光柵的光子晶體光纖的橫向應力傳感系統及實現方法
技術領域：
本發明涉及一種準確而靈敏的光纖傳感系統以測量橫向應力或應變，特別是基於寫有光柵的零雙折射光子晶體光纖或高雙折射光子晶體光纖的這一寫有光柵的光子晶體光纖的橫向應力傳感系統及實現方法。
背景技術：
建築物的安全與質量監測，主要是檢測在外力作用下的應力和形變。一般的檢測方法是在建築材料內安裝大量分布式應變片或者其它應變感受纖維，由於纖維材料與建築材料構成的複合結構能夠適當提高建築材料的強度，因此，使用複合纖維材料進行建築物的載荷與形變檢測是比較常用的方法。在建築材料或者建築物內埋置光導纖維，形成智能複合結構(也叫靈巧複合結構)，當建築材料或者建築物發生形變的時候，埋置在其中的光纖會感受到相應的應力和應變，其光學特性(主要是傳輸特性)能立即發生變化，因此對光纖中傳輸的光信號進行檢測，就能實時監測建築物內的形變和載荷變化情況，從而實現對建築物的安全監測。這種方法不僅可以用於建築物的檢測，而且在機械、生物醫學、航空航天等領域也有廣泛應用前景。利用光纖進行應力傳感與檢測，不僅具有光纖固有的優越性，如抗電磁幹擾，機械強度高等，還可以實現分布式檢測，而且靈敏度非常高。
光纖應力傳感與檢測技術已經經歷了將近20年的發展，目前已有多種基於普通石英光纖的應力傳感器。光纖應力傳感器按照被檢測應力的方向可分為縱向應力傳感器和橫向應力傳感器，按照基本工作原理可以分為兩大類，一是光纖型應力傳感器，二是光柵型應力傳感器。光纖型應力傳感器就是光纖在外力作用下發生形變，改變其模式的傳輸特性，對傳輸光進行檢測即可得到形變或者外力的變化情況。光柵型應力傳感器是利用光纖光柵(包括光纖布拉格光柵FBG和長周期光柵LPG)的周期(縱向)或對稱性(橫向)隨外力改變，從而改變光柵的透射譜或反射譜，實現對外力變化的檢測。
光纖型應力傳感器對縱向應力的檢測一般都基於雙模光纖或者少模光纖(few-mode fiber)中多個模式之間的幹涉作用。當光纖拉伸時，不同模式之間的相位關係發生變化，因而輸出端光場(強度)發生相應變化，根據強度變化的周期性，可以得到相位變化，從而得到光纖的形變或者應力。當普通圓光纖受到橫向應力時，一般檢測背向反射光的兩個偏振分量的光程差和相干性，可以確定橫向應力施加在光纖上的縱向位置，但是很難確定應力大小。
由於光纖光柵的光譜特性對光纖結構和光柵周期的敏感性很高，所以，自從二十世紀九十年代初光柵問世以來，基於普通階躍折射率石英光纖的布拉格光柵和長周期光柵的傳感器(包括應力傳感器和溫度傳感器)得到了廣泛的研究與應用。當光纖受到縱向拉力而伸長時，在芯區寫入的光柵周期會相應增大，對於布拉格光柵，其峰值反射波長向長波長移動；對於長周期光柵，其透射譜向長波長方向移動。當光纖受到橫向壓力的時候，不妨假定壓力沿x方向施加於光纖側面，那麼光纖x方向尺寸將縮小，而y方向尺寸將擴大。對於圓光纖，將產生固有雙折射；對於雙折射光纖，其雙折射特性將發生變化。在這種具有雙折射的光纖中寫入的布拉格光柵或者長周期光柵的反射譜或透射譜發生分裂，出現兩個反射峰或者兩組透射譜，它們分別與兩組偏振方向正交的模式對應。當加在光纖上的橫向應力發生變化時，光纖的雙折射特性隨即改變，一般情況下，橫向應力的變化與光柵譜的波長移動量成正比，因此，檢測布拉格光柵的兩個反射峰值波長的移動，或者檢測長周期光柵兩組透射譜的移動，就能及時檢測到橫向應力的變化。
「光纖光柵橫向應變傳感器系統」中國專利CN1155798C中，介紹了基於普通光纖裡的布拉格光柵的橫向應變傳感器系統，而且可以同時測量不同地點的溫度或受力。
光纖的縱向應變靈敏度一般為0.8×10-6με-1，溫度靈敏度為6×10-6℃-1；利用布拉格光柵進行橫向應力傳感與檢測，實驗室靈敏度可以達到0.344nm/(N.mm-1)；利用長周期光柵進行橫向應力傳感與檢測的實驗室靈敏度則已經達到了50nm/(N.mm-1)。
光纖應力傳感器的靈敏度由光纖的主要材料石英(SiO2)決定。SiO2的楊氏模量非常大，一般都超過70GPa(具體數值與石英光纖中的摻雜有關，非摻雜包層約72GPa，3％摻Ge約為70.8GPa)，在外力作用下，其形變一般都很小，因此對光纖應力傳感器的工藝要求比較高。為了改變光纖橫向應力傳感器的靈敏度對石英材料楊氏模量的單一依賴性，人們試圖改變光纖結構，從而改變光纖在外力作用下的形變量，以此來改進光纖橫向應力傳感與檢測的精度與靈敏度。
利用多芯光纖中的布拉格光柵進行橫向應力檢測，雖然是最近才開展的研究工作，但是也已經展現出其誘人的優勢，利用4芯光纖的橫向應力傳感器靈敏度已經達到0.24nm/(N.mm-1)。
利用旁孔光纖及其中的布拉格光柵進行橫向應力檢測則得到了更多的關注，人們不僅從理論和實驗上證實了這種光纖對橫向應力的靈敏度可以達到2.0nm/(N.mm-1)以上，而且也研究了其動態測量範圍，可以在0～38.08MPa範圍內實現0.03MPa解析度的高精度壓力測量。
本發明利用新型的光子晶體光纖(PCFPhotonic Crystal Fiber)，在其中寫入布拉格光柵或者長周期光柵，對橫向應力(應變)進行傳感。
在光子晶體光纖包層區域，沿縱向排列著大量空氣孔。根據導光機理，可將其分為兩類，即折射率導光和光子帶隙(PBGPhotonic Band Gap)導光。典型的折射率導光型光子晶體光纖的芯區是實心石英，包層是多孔結構。包層中的空氣孔降低了包層的有效折射率，從而滿足全反射(TIRTotal InternalReflection)條件，光束縛在芯區傳輸。光子帶隙導光光纖的包層區域是周期性結構，它產生的光子帶隙可將光束縛在光纖芯區傳輸。光子帶隙導光光纖包層周期性結構是一個二維光子晶體，折射率只在橫截面內周期性變化。沿著光纖縱向，折射率是均勻的，光沿縱向傳輸時不會受到限制。但是橫向周期性結構的布拉格反射會產生橫向諧振，形成頻域(波長)帶隙。如果引入一個線缺陷破壞二維光子晶體的周期性，就會在包層結構的光子帶隙內產生一個缺陷模式，並能束縛在芯區內沿光纖傳輸。這種新型導光機理可在光纖的低折射率區域(如空氣芯)實現導光，這類光纖不可能基於全反射導光，它的許多新特性可廣泛應用於光纖傳感和光纖通信中。
迄今為止，人們已經利用純石英、非石英玻璃(如硫化物玻璃、Schott玻璃)和聚合物等各種材料製備光子晶體光纖。光子晶體光纖還有許多其它新的特性，如無盡單模，大模場面積單模光纖，高非線性光纖，高雙折射光纖，色散可控光纖，等等。
折射率導光光子晶體光纖中，如果沿不同方向的空氣孔尺寸不同，或者孔形狀是橢圓而不是圓形，或者空氣孔位置不對稱，可以獲得高雙折射。這些高雙折射光子晶體光纖的雙折射可比傳統的熊貓光纖高一個量級。Ning Guan報導了一種高雙折射光子晶體光纖，在480nm到1620nm範圍內保偏，而且偏振串擾優於-25dB，在1300nm到1620nm範圍內串擾大約只有-45dB，即使光纖彎曲半徑只有10mm時偏振串擾也不會惡化。Crystal Fibre A/S(收購Blazephotonics後PCF產品更全面)公司提供的高雙折射光子晶體光纖長度超過100m的偏振耦合優於30dB，而且雙折射的溫度係數顯著低於普通高雙折射光纖。這些性質可用於開發新型特性的傳感器。
目前利用光子晶體光纖進行溫度和應力傳感的研究已經開始，但是由於光子晶體光纖的應用剛剛起步，而且橫向應力的檢測難度比較大，所以現在仍然沒有看到基於光子晶體光纖的橫向應力傳感的相關報導。我們對光子晶體光纖和普通光纖的在外力作用下的形變情況進行了研究，結果表明，空氣孔有利於增強光纖對外力的應變，孔越大，應變越大。如果增加空氣孔數量，應變將進一步增大。應變大小對光子晶體光纖的結構有很強的依賴關係，因此，可以通過選擇不同的光子晶體光纖來獲取最好的應變參數，不僅降低檢測難度，提高檢測靈敏度，而且能獲得橫向應力的最佳檢測條件。
附圖5、6、7是三種典型的零雙折射光子晶體光纖，在其中寫入布拉格光柵(或者長周期光柵)，光纖不受任何應力時，基模兩個偏振態簡併(附圖8)，透射譜上與諧振波長對應的位置有一個損耗峰；當光子晶體光纖受到橫向壓力時，光纖產生雙折射，原來的一個損耗峰會分裂為兩個，這兩個損耗峰對應的波長間隔與光纖的雙折射成正比，因此，檢測透射譜上的損耗峰之間的波長間隔就可以對施加在光纖橫向的應力進行傳感與檢測。
附圖9、10、11、12是四種典型的高雙折射光子晶體光纖，在其中寫入布拉格光柵(或者長周期光柵)，分別對應兩個偏振方向正交的基模的透射譜上有兩個損耗峰(與兩個偏振態的諧振波長對應的波長位置)。如果施加在光子晶體光纖上的橫向壓力增大光纖的雙折射，原來的兩個損耗峰之間的波長間隔在壓力的作用下增大，且增大量與橫向應力成正比；如果施加在光子晶體光纖上的橫向壓力減小光纖的雙折射，原來的兩個損耗峰之間的波長間隔在壓力的作用下減小，且減小量與橫向壓力成正比。因此，檢測透射譜上的損耗峰之間的波長間隔就可以對施加在光纖橫向的應力進行傳感與檢測。
以上的應用寫有光柵的光子晶體光纖的橫向應力(應變)傳感系統，通過檢測透射譜實現，對於寫有布拉格光柵的系統，可以檢測反射譜的變化，同樣的原理能實現橫向應力(應變)檢測。
本發明——應用寫有光柵的光子晶體光纖的橫向應力應變傳感系統，利用光子晶體光纖對外力的更高敏感性，採取寫有布拉格光柵或長周期光柵的零雙折射光子晶體光纖或高雙折射光子晶體光纖，對施加在光纖橫向的應力進行實時高精度檢測。
進一步的研究，可以基於上述內容，實現分布式橫向應力(應變)傳感與檢測系統或者傳感器網絡，對大型建築進行大面積整體應變情況的實時監測。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種寫有布拉格光柵的零雙折射光子晶體光纖橫向應力(應變)傳感與檢測系統，進一步實現分布式傳感系統或傳感器網絡，用於測量與受力方向無關的橫向應力或應變。
本發明的另一個目的是提供一種寫有布拉格光柵的高雙折射光子晶體光纖橫向應力(應變)傳感系統，進一步實現分布式傳感系統或傳感器網絡，用於測量方向相關的橫向應力或應變。
本發明的另一個目的是提供一種寫有長周期光柵的零雙折射光子晶體光纖橫向應力(應變)傳感系統，進一步實現分布式傳感系統或傳感器網絡，用於測量方向相關的橫向應力或應變。
本發明的另一個目的是提供一種寫有長周期光柵的高雙折射光子晶體光纖橫向應力(應變)傳感系統，進一步實現分布式傳感系統或傳感器網絡，用於測量方向相關的橫向應力或應變。
寫有光柵的光子晶體光纖的橫向應力傳感系統；包括雷射器光源，普通單模光纖，零雙折射光子晶體光纖或高雙折射光子晶體光纖，布拉格光柵，長周期光柵，偏振控制器，光環行器，受力單元，光譜檢測器，信號處理與顯示單元。雷射器光源輸出光經偏振控制器後，耦合進入零雙折射或高雙折射光子晶體光纖，光子晶體光纖上寫有長周期光柵，並安放在受力單元內，便於感受施加的外部橫向應力，輸出端連接的光譜檢測器檢測透射光譜，並將檢測到的信息送給信號處理和顯示單元，得到橫向應力的檢測結果。
一種檢測橫向應力應變的光纖傳感系統，主要包括雷射器光源，普通單模光纖，零雙折射光子晶體光纖或高雙折射光子晶體光纖，布拉格光柵，光環行器，受力單元，光譜檢測器，信號處理與顯示單元。其特徵在於雷射器光源輸出光經過光環行器，然後耦合進入零雙折射或高雙折射光子晶體光纖，光子晶體光纖上寫有布拉格光柵，並安放在受力單元內，便於感受施加的外部橫向應力，從布拉格光柵反射回的信號光經過光環行器後輸出至光譜檢測器，檢測反射光譜，並將檢測到的信息送給信號處理和顯示單元，得到橫向應力的檢測結果。
寫有光柵的光子晶體光纖的橫向應力傳感系統及實現方法；有以下步驟第一，選用零雙折射或高雙折射光子晶體光纖，在其中製作布拉格光柵或者長周期光柵，通過測量光柵的傳輸譜來確定光柵的諧振波長；第二，選擇雷射器工作波段，使其能覆蓋傳感系統使用的光柵的諧振波長，並確定相應系統使用的雷射器光源和光檢測器，以及偏振控制器、光環行器等有源和無源器件；第三，寫有光柵的光子晶體光纖安放在受力單元內，便於對光纖施加外部橫向應力；第四，雷射器光源輸出光經偏振控制器後，將其耦合進入光子晶體光纖；第五，連接傳感系統光路，並精確調整，使系統響應、靈敏度、精度等最好；第六，使用光環行器，將反射光連接至光譜檢測器，檢測反射光譜；或者，直接將光纖遠端連接至光譜檢測器，檢測透射光譜；第七，調試信號處理與顯示單元，對檢測信號進行處理並顯示在終端設備上，實現橫向應力的實時檢測。
本發明的原理是利用光子晶體光纖裡光柵的傳輸特性與光纖橫向形變的關係進行橫向應力(應變)傳感與檢測。橫向應力使光纖產生橫向應變，不僅改變光纖的對稱性，也改變光纖裡空氣孔的形狀，而且使石英材料折射率因壓力而發生變化，從而改變光纖的傳輸特性，主要是改變各模式的傳輸常數和模式折射率，因而改變光纖的雙折射。在零雙折射光子晶體光纖中寫入布拉格光柵或者長周期光柵，在橫向應力的作用下(附圖14)，產生線性雙折射，光柵反射譜或者透射譜上不再只有一個諧振波長，而是分裂為與兩個偏振態對應的兩個諧振波長，在這兩個諧振波長處出現反射峰值(附圖19，附圖20)，波長間隔與光纖的基模模式雙折射成正比，從而正比於施加在光纖上的外部橫向應力。因此，檢測兩個反射峰值波長或者透射損耗峰值波長間隔的變化，就可以實現橫向應力的實時監測。
高雙折射光子晶體光纖的兩個基模(附圖13)存在固有雙折射，而且比傳統雙折射光纖高很多，在其中寫入布拉格光柵或者長周期光柵，即使沒有外部橫向應力，反射譜峰值或透射譜的損耗峰也是在兩個分開的諧振波長處(附圖21)，波長間隔正比於光纖的雙折射。外部應力沿光纖慢軸施加在光纖橫向時(附圖15豎直方向的力F)，使雙折射減小，因而波長間隔減小；外部應力沿光纖快軸施加時(附圖15水平方向的力F)，其橫向應變與折射率分布如附圖16和附圖17所示，雙折射增大，波長間隔增大。因此，檢測兩個反射峰值波長或者透射損耗峰值波長間隔的變化，可以實現橫向應力大小和方向的實時監測。
本發明的解決方案主要有幾個關鍵技術。
第一，零雙折射光子晶體光纖和高雙折射光子晶體光纖的選用。由於製作工藝的不完美，一般情況下不可能得到完全沒有雙折射的光纖，但是本發明正是要利用光纖的雙折射特性進行橫向應力傳感檢測，因此，由工藝缺陷引起的光纖固有雙折射問題可以避免。
第二，高雙折射光子晶體光纖姿態的調整，以利於檢測外部應力方向。在高雙折射光子晶體光纖中，其模式雙折射的變化與外力方向有關，因此，調整光纖的姿態，可以確定外部橫向應力的方向。
第三，布拉格光柵的寫入。不論是零雙折射還是高雙折射光子晶體光纖傳感器系統，本發明都需要在其中寫入布拉格光柵，這是當前的前沿技術。光子晶體光纖結構比較複雜，尤其在純石英光子晶體光纖中寫入布拉格光柵的技術更加困難，目前國際上只有少量實驗報導，主要是傳統的相位掩膜版紫外曝光和雙光子吸收兩種方法。
第四，長周期光柵的引入。不論是零雙折射還是高雙折射光子晶體光纖傳感器系統，本發明都需要在其中引入長周期光柵，這是當前的前沿技術。但是，相對於布拉格光柵的寫入困難，在光子晶體光纖中引入長周期光柵相對容易得多。可以利用傳統的振幅掩膜版紫外曝光方法在光子晶體光纖中寫入長周期光柵，也可以利用周期性微彎、超聲波耦合、強雷射周期性刻蝕等方法，在光子晶體光纖中引入等效的長周期光柵。
第五，光柵反射譜或透射譜的檢測，關鍵是諧振波長變化的檢測。通過檢測諧振波長間隔的變化，實現橫向應力大小和方向的檢測。
本發明的技術效果在實際傳感器應用中能得到體現。應用寫有光柵的零雙折射光子晶體光纖橫向應力(應變)傳感器，因使用的光纖不具有固有雙折射，無論從哪個方向施加的橫向應力，產生的橫向形變和折射率變化對輸出光信號的影響都是一樣的，因此不能區分橫向應力來自的方向。該傳感器系統只能用於與方向無關的橫向應力檢測。應用寫有光柵的高雙折射光子晶體光纖橫向應力(應變)傳感器，因使用的光纖具有較高的固有雙折射，不同方向施加的橫向應力產生的橫向形變和折射率變化對輸出光信號的影響不同，因此該傳感器系統能用於方向相關的橫向應力檢測。
應用寫有光柵的零雙折射或高雙折射光子晶體光纖橫向應力(應變)傳感器的技術效果還可以通過以下手段得到提高。
第一，選用零雙折射光子晶體光纖時，考慮其單模特性，尤其是光纖結構對單模特性的決定性因素。如果結構在外力作用下的形變比較敏感，可以提高傳感器靈敏度。
第二，選用高雙折射光子晶體光纖時，考慮其單模特性，尤其是光纖結構對單模特性的決定性因素。如果結構在外力作用下的形變比較敏感，可以提高傳感器靈敏度。
第三，選用高雙折射光子晶體光纖時，考慮其雙折射特性，尤其是光纖結構對雙折射特性的決定性因素。如果結構在外力作用下的形變比較敏感，雙折射變化也比較敏感，可以提高傳感器靈敏度。
第四，選用高雙折射光子晶體光纖時，考慮其受橫向壓力的姿態，主要是受力的方向，通過調整光纖的姿態，可以發現對外力作用最敏感的方向，從而提高傳感器靈敏度。
第五，選用波長探測器或者光譜探測器時，如果其波長解析度高，或者響應度高，或者靈敏度高，都能提高傳感器系統的靈敏度。
第六，傳感器系統其它信號處理部分的功能改善，也有利於提高傳感器的技術效果。
第七，傳感器系統其它部分的功能改善，器件性能提高，都有利於提高傳感器系統的技術效果。
至此，給出並介紹了應用寫有光柵的光子晶體光纖的橫向應力(應變)傳感系統。考慮本發明的詳細介紹和附圖，那些專業技術人員將明顯看到本發明的這些和其它目的以及優點。顯而易見地，專業技術人員能比較容易地對本發明進行修改、改變、變化、使用和應用，所有那些沒有遠離本發明實質的修改、改變、變化、使用和應用都包括在本發明之內。
圖1 應用寫有光柵的光子晶體光纖的橫向應力透射式系統框圖；圖2 應用寫有光柵的光子晶體光纖的橫向應力反射式系統框圖；圖3 橫向周期性壓力引入長周期光柵的方式；圖4 壓力單元結構；圖5 三角周期的零雙折射光子晶體光纖結構；圖6 四方周期的零雙折射光子晶體光纖結構；圖7 蜂窩周期的零雙折射光子晶體光纖結構；圖8 三角周期的零雙折射光子晶體光纖裡基模的模場分布；圖9 第一種高雙折射光子晶體光纖結構；圖10 第二種高雙折射光子晶體光纖結構；圖11 第三種高雙折射光子晶體光纖結構；圖12 第四種高雙折射光子晶體光纖結構；圖13 圖10對應的高雙折射光子晶體光纖裡基模的模場分布；圖14 零雙折射光子晶體光纖受力示意圖；圖15 圖10對應的高雙折射光子晶體光纖受力示意圖；圖16 圖10對應的光纖沿快軸方向受力後的應變分布；圖17 圖10對應的光纖沿快軸方向受力後的折射率分布；圖18 三角周期的光子晶體光纖中長周期光柵周期與諧振波長的關係；圖19 零雙折射光子晶體光纖裡長周期光柵透射譜；圖20 零雙折射光子晶體光纖裡光纖布拉格光柵反射譜和透射譜；圖21 高雙折射光子晶體光纖裡布拉格光柵反射譜和透射譜。
具體實施例方式
為了更清楚地說明本發明，下面結合實施案例和附圖對本發明做進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。
實施例1光子晶體光纖中引入長周期光柵橫向應力(應變)傳感系統，一種檢測橫向應力應變的光纖傳感系統，主要包括雷射器光源，普通單模光纖，偏振控制器，零雙折射光子晶體光纖或高雙折射光子晶體光纖，長周期光纖光柵，受力單元，光檢測器，信號處理與顯示單元。雷射器光源輸出光波段應該能覆蓋長周期光柵的諧振波長。
附圖1所示，圖中光纖是零雙折射或高雙折射光子晶體光纖，在附圖4所示的壓力單元裡受力，形成周期性微彎，1為光纖，2為壓力單元底座，有周期性凹槽，3為壓力單元上蓋，4為光纖在壓力單元內的位置；按照附圖3的方式在光纖中引入長周期光柵。光經過普通單模光纖傳輸至橫向應力檢測區，光在橫向應力作用下通過光纖，並輸出至光探測器(波長或光譜探測)，探測其透射譜或諧振波長的變化；經信號採樣、處理、顯示，輸出橫向應力檢測的圖形與數據結果。
光子晶體光纖在經過專門設計製作的受力單元內受到橫向壓力的時候，發生周期性微彎，通過周期性微彎在光子晶體光纖中引入縱向調製，形成等效長周期光柵。長周期光柵的調製深度等參數會隨橫向應力而改變，從而改變光柵的傳輸特性，因此即可檢測外界應力的變化。
實施例2光子晶體光纖中寫入布拉格光柵的橫向應力(應變)傳感系統，一種檢測橫向應力應變的光纖傳感系統，主要包括雷射器光源，普通單模光纖，零雙折射光子晶體光纖或高雙折射光子晶體光纖，布拉格光柵，受力單元，光環行器，光檢測器，信號處理與顯示單元。雷射器光源輸出光波段應該能覆蓋布拉格光柵的諧振波長。
附圖2所示，圖中光纖是零雙折射或高雙折射光子晶體光纖，其中寫有布拉格光柵；光經過環行器和普通單模光纖傳輸至橫向應力檢測區，光在橫向應力作用下通過光纖；經布拉格光柵反射至環行器，從環行器的一個埠輸出至光探測器(波長或光譜探測)，探測反射譜峰值波長的位置變化和波長間隔，光檢測器檢測兩個偏振態對應的諧振波長之間的波長間隔變化，該變化正比於橫向應力；經信號採樣、處理、顯示，輸出橫向應力檢測的圖形與數據結果。
因為高雙折射光子晶體光纖的固有雙折射的改變與外力方向有關，因此改變橫向應力方向會改變光纖的雙折射，從而改變寫入其中的布拉格光柵反射譜峰值波長間隔的變化情況，因此，經信號採樣、處理、顯示，可以得到橫向應力的大小和方向的結果。
權利要求
1.一種檢測橫向應力應變的光纖傳感系統，主要包括雷射器光源，普通單模光纖，零雙折射光子晶體光纖或高雙折射光子晶體光纖，布拉格光柵，光環行器，受力單元，光譜檢測器，信號處理與顯示單元。其特徵在於雷射器光源輸出光經過光環行器，然後耦合進入零雙折射或高雙折射光子晶體光纖，光子晶體光纖上寫有布拉格光柵，並安放在受力單元內，便於感受施加的外部橫向應力，從布拉格光柵反射回的信號光經過光環行器後輸出至光譜檢測器，檢測反射光譜，並將檢測到的信息送給信號處理和顯示單元，得到橫向應力的檢測結果。
2.根據權利要求1所述的一種檢測橫向應力應變的光纖傳感系統，其特徵在於含有長周期光柵，偏振控制器，雷射器光源輸出光經偏振控制器後，耦合進入零雙折射或高雙折射光子晶體光纖，光子晶體光纖上寫有長周期光柵，並安放在受力單元內，便於感受施加的外部橫向應力，輸出端連接的光譜檢測器檢測透射光譜，並將檢測到的信息送給信號處理和顯示單元，得到橫向應力的檢測結果。
3.根據權利要求1或2所述的光纖傳感系統，其特徵在於通過橫向周期性微彎在光子晶體光纖中引入縱向調製，等效長周期光柵。
4.根據權利要求1所述的光纖傳感系統，其特徵在於光子晶體光纖在受力單元內受到橫向壓力的時候，發生周期性微彎，形成長周期光柵。
5.根據權利要求3所述的光纖傳感系統，其特徵在於光子晶體光纖在受力單元內受到橫向壓力的時候，發生周期性微彎，形成長周期光柵。
6.根據權利要求1或2所述的光纖傳感系統，其特徵在於雷射器光源輸出光波段覆蓋布拉格光柵或者長周期光柵的諧振波長。
7.根據權利要求1所述的光纖傳感系統，其特徵在於使用光環行器將布拉格光柵反射的光信號耦合至光譜監測器。
8.根據權利要求1所述的光纖傳感系統，其特徵在於光譜檢測器檢測兩個偏振態對應的諧振波長之間的波長間隔變化，該變化正比於橫向應力。
9.寫有光柵的光子晶體光纖的橫向應力傳感系統及實現方法；其特徵在於有以下步驟第一，選用零雙折射或高雙折射光子晶體光纖，在其中製作布拉格光柵或者長周期光柵，通過測量光柵的傳輸譜來確定光柵的諧振波長；第二，選擇雷射器工作波段，使其覆蓋傳感系統使用的光柵的諧振波長，並確定相應系統使用的雷射器光源和光檢測器，以及偏振控制器、光環行器等有源和無源器件；第三，寫有光柵的光子晶體光纖安放在受力單元內，對光纖施加外部橫向應力；第四，雷射器光源輸出光經偏振控制器後，將其耦合進入光子晶體光纖；第五，連接傳感系統光路，並精確調整響應、靈敏度、精度；第六，使用光環行器，將反射光連接至光譜檢測器，檢測反射光譜；或者，直接將光纖遠端連接至光譜檢測器，檢測透射光譜；第七，調試信號處理與顯示單元，對檢測信號進行處理並顯示在終端設備上，實現橫向應力的實時檢測。
全文摘要
一種檢測橫向應力應變的光纖傳感系統，雷射器光源輸出光經偏振控制器後，耦合進入零雙折射或高雙折射光子晶體光纖，光子晶體光纖上寫有長周期光柵，並安放在受力單元內，便於感受施加的外部橫向應力，輸出端連接的光譜檢測器檢測透射光譜，並將檢測到的信息送給信號處理和顯示單元，得到橫向應力的檢測結果。或者雷射器光源輸出光經過光環行器，然後耦合進入寫有布拉格光柵的光子晶體光纖，光子晶體光纖安放在受力單元內，從布拉格光柵反射回的信號光經過光環行器後輸出至光譜檢測器，檢測反射光譜，並將檢測到的信息送給信號處理和顯示單元，得到橫向應力的檢測結果。
文檔編號G01D5/353GK1844856SQ20061008152
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月26日 優先權日2006年5月26日
發明者王智, 王擁軍, 吳重慶 申請人:北京交通大學