一种光纤形变传感器

技术领域

本申请涉及传感器领域，具体而言，涉及一种光纤形变传感器。

背景技术

生产、生活中，不仅存在直接对形变进行监测的需求，例如，桥梁特征点的形变程度监测等等；还存在将形变作为中间物理量对其他物理量进行监测的需求，例如，通过监测可穿戴设置中形变部件的形变程度探测人体生命特征参数、通过监测热膨胀材料的形变程度探测温度的变化等等。因此，形变的监测需求无处不在。

形变监测的灵敏度十分关键，尤其对于微小形变。现有的形变监测手段中，利用光学原理进行形变监测的手段的灵敏度较高；同时，基于光纤的形变传感器还具有抗电磁干扰能力强的优点。现有的形变传感器大多是根据透射或反射光场的强度变化探测待测物的形变程度；例如，名称为“一种光纤强度调制型传感器及其应用”，申请公布号为：CN115371566 A的发明专利申请中公开的形变传感器；名称为“一种基于D型塑料光纤的可穿戴呼吸监测设备”，申请公布号为：CN 112190255 A的发明专利申请中公开的形变传感器。然而，根据麦克斯韦方程组可知，光场强度取决于光场的振幅，这使得不同的光场能量分布可能对应相同的光场强度，因此，通过光场强度进行形变传感的准确度较低；微小的形变引起的光场变化较小，不易引起光场强度的较大变化，因此，通过光场强度进行形变传感的灵敏度较低。

综上所述，现有技术中利用光场强度的变化进行形变探测的形变传感器的传感准确度和灵敏度较低。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种光纤形变传感器，以解决现有技术中利用光场强度的变化进行形变探测的形变传感器的传感准确度和灵敏度较低的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本申请提供一种光纤形变传感器，该传感器包括第一光纤、光源、光探测器。光源用于向第一光纤输入光场，光源、光探测器、第一光纤形成光路。光探测器用于探测第一光纤中透射光场的能量分布。第一光纤中设置有传感区域，传感区域去除部分光纤包层和部分光纤纤芯，传感区域的截面形状为“D”形。使用时，传感区域产生弯曲，传感区域的弯曲程度不同导致透射光场的能量分布不同，能量分布的改变最终被光探测器探测到，从而对形变程度进行传感。透射光场的能量分布中包含了透射光场的振幅信息和相位信息，因此，本申请的传感准确度较高。

进一步地，去除的光纤纤芯的深度为光纤纤芯直径的10％-40％；传感区域的长度大于1微米；这样，能够使得传感区域产生较明显的弯曲，同时，弯曲程度改变时射出的倏逝波的变化较大，从而本申请的传感灵敏度较高。

更进一步地，传感器还包括第二光纤、第一分光器、第二分光器，第一分光器与光源、第一光纤、第二光纤连接，第二分光器与第一光纤、第二光纤、光探测器连接。

更进一步地，第一分光器为一分二分路器，通过第一分光器将光源产生的光场分到第一光纤和第二光纤中。

更进一步地，第二分光器为二合一合成器，第二分光器将第一光纤和第二光纤中的光场混合后输入光探测器。这样，光探测器探测到的是第一光纤和第二光纤透射光场的叠加结果的能量分布。叠加光场的分布不仅依赖于第一光纤的透射光场，还依赖于第二光纤透射光场与第一光纤的透射光场的相互作用，也就是叠加的过程使得光探测器探测到的透射光场的能量分布更容易变化，因此，本申请传感器的准确度和灵敏度均较高。

更进一步地，传感区域设置有贵金属增强部，贵金属增强部的材料为金或银。

更进一步地，贵金属增强部为多个纳米尺寸的贵金属条。贵金属增强部镶嵌设置于传感区域去除了部分光纤纤芯的切面一侧，传感区域设置有对应形状和尺寸的凹槽。贵金属增强部在光场照射下产生表面等离激元效应，将电场局域在贵金属增强部附近，从而传感区域形变时，使得透射光场的电场分布变化更大，因此，本申请的传感灵敏度较高。

更进一步地，第一光纤和第二光纤为单模石英光纤、多模石英光纤、塑料光纤中的一种，第一光纤和第二光纤的种类相同。

更进一步地，光探测器可以为CCD或CMOS。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本申请利用透射光场的能量分布探测形变程度，透射光场的能量分布中不仅包含光场的振幅信息，还包含光场的相位信息，不同的形变程度严格对应不同的透射光场的能量分布，因此，本申请传感器的准确度较高。对于微小形变，形变区域的弯曲程度不同，使得形变区域的切面处出射的倏逝波不同，这对透射光场的能量分布影响较大，也就是微小的形变会引起透射光场能量分布的较大变化，所以，本申请传感器的灵敏度较高。

附图说明

图1为本发明提供的一种光纤形变传感器的示意图；

图2为第一光纤的传感区域形变不同程度时得到的透射光场的能量分布结果；

图3为本发明提供的另一种光纤形变传感器的示意图；

图4为发明提供的再一种光纤形变传感器中的传感区域的示意图；

图5为发明提供的再一种光纤形变传感器中的传感区域的示意图。

图标：1-第一光纤；2-第二光纤；3-第一分光器；4-第二分光器；5-贵金属增强部。

具体实施方式

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

本发明提供了一种光纤形变传感器，如图1所示，该传感器包括第一光纤1、光源、光探测器。光源、光探测器、第一光纤1形成光路。光源向第一光纤1输入光场，光探测器用于探测第一光纤1中透射光场的能量分布；光探测器可以为CCD或CMOS。具体地，第一光纤1中设置有传感区域，传感区域去除部分光纤包层和部分光纤纤芯，传感区域的截面形状为“D”形。传感区域中各处截面的形状可以相同也可以不同，即形成“D”形传感区域的切面可以平行于第一光纤1轴线方向的平面，也可以是曲面；也就是传感区域各处去除的光纤纤芯的深度可以相同，这样方便制备，也可以不同，优选地，传感区域中间位置的去除深度最大，两侧位置的去除深度最大较小，这样，传感区域形变时中间位置的形变程度大于两侧，中间较深的去除深度，使得切面传出的倏逝波随弯曲程度的变化更大，从而使得光探测器探测到的透射光场的能量分布的变化更大，因此，本申请传感器的灵敏度较高。

优选地，去除的光纤纤芯的深度为光纤纤芯直径的10％-40％；这样去除的光纤纤芯的深度不至于太深，导致透射光场的强度较低，较弱强度处的光场分布变化不易被发现，从而降低传感器的灵敏度和准确度，也不至于太浅，导致由切面处透射的倏逝波的变化较小，从而引起的透射光场能量分布的变化较小，降低传感器的灵敏度和准确度。传感区域的长度大于1微米；这样，传感区域的长度较长，使得传感区域产生较明显的弯曲，因此，本申请传感器的灵敏度和准确度较高。

探测时，在待测面的作用下传感区域产生弯曲，传感区域的弯曲程度不同导致透射光场的能量分布不同，经过传感区域后光场的振幅和相位均产生变化，能量分布的改变最终被光探测器探测到，从而对形变程度进行传感。现有的传感技术大部分仅应用光场的振幅信息进行探测，本申请中透射光场的能量分布中包含了透射光场的振幅信息和相位信息，因此，本申请的传感准确度和灵敏度均较高。如图2所示，分别为不同形变程度(弯曲程度)下透射光场的能量分布，其中中间深色处光场最强，边缘深色处光场最弱，介于中间的亮色区域由内而外光场由强变弱；其中图2(a)为弯曲半径1490nm时对应的透射光场的能量分布，图2(b)为弯曲半径1495nm时对应的透射光场的能量分布，图2(c)为弯曲半径1500nm时对应的透射光场的能量分布，图2(d)为弯曲半径1505nm时对应的透射光场的能量分布，图2(e)为弯曲半径1510nm时对应的透射光场的能量分布，图2(f)为弯曲半径1515nm时对应的透射光场的能量分布。图2(a)-(f)的透射光场的能量分布差异较大，相邻两图的弯曲半径的差值仅为5nm，也就是，本申请传感器对于微小形变的传感灵敏度较高，由于同时利用了透射光场的强度信息和相位信息，传感准确度也较高。

进一步地，如图3所示，传感器还包括第二光纤2、第一分光器3、第二分光器4。第一分光器3与光源、第一光纤1、第二光纤2连接，第二分光器4与第一光纤1、第二光纤2、光探测器连接。第一分光器1为一分二分路器，通过第一分光器将光源产生的光场分到第一光纤1和第二光纤2中；第二分光器4为二合一合成器，第二分光器4将第一光纤1和第二光纤2中的光场混合后进入光探测器，光探测器探测混合光场的能量分布。这样，光探测器探测到的是第一光纤1和第二光纤2透射光场的叠加结果的能量分布，第一光纤1和第二光纤2中传输的光场之间存在固定的相位关系，由于第一光纤1中设置了传感区域，第二光纤2中并没有设置传感区域，二者的光场经过传输到达光探测器时，光场的强度(即振幅)和相位的变化不完全相同，尤其是相位的不同，会使得透射光场的能量分布的变化更加明显，所以，本申请通过光场叠加的方式进一步提升传感器的灵敏度和准确度。第一光纤1和第二光纤2为单模石英光纤、多模石英光纤、塑料光纤中的一种，优选地，第一光纤1和第二光纤2的种类相同。

更进一步地，如图4所示，第一光纤1的传感区域中设置有贵金属增强部5，贵金属增强部5的材料为金或银。贵金属增强部5为多个纳米尺寸的贵金属条。贵金属增强部5可以设置于传感区域的切面上，这样容易制备，贵金属增强部5的制备可以使用电子束沉积贵金属材料的方式；也可以镶嵌设置于传感区域去除了部分光纤纤芯的切面一侧，即在切面上制备对应形状尺寸的凹槽后，镶嵌设置，凹槽的制备可以使用电子束刻蚀，这样贵金属增强部5与光场的距离较近，对透射光场的影响较大，因此，传感器的灵敏度和准确度较高。贵金属条的径向尺寸为50-300nm，表面等离激元效应较强。贵金属增强部5在光场照射下产生表面等离激元效应，具体地，产生表面等离极化激元，将电场局域在贵金属增强部5的表面，使得光场的能量局域在贵金属增强部5的表面，这样使得透射光场的强度变化较大；同时，表面等离极化激元沿贵金属增强部5表面亚波长深度范围内传输，表面等离极化激元的波矢大于同频率自由空间电磁波的波矢，这样使得透射光场的相位变化较大；因此，本申请通过引入贵金属增强部5使得光探测器探测到的光场能量分布的变化更大，传感器的传感灵敏度和准确度增强。

贵金属条的轴线方向与第一光纤1的轴线方向异面垂直，这样产生弯曲形变时，贵金属条深入第一光纤1内一端的间距变化最大，从而相邻贵金属条上的表面等离极化激元之间的耦合强度变化最大，使得透射光场的能量分布变化较大。贵金属增强部5中贵金属条的间距为100-200nm；这样相邻贵金属条的间距较小，其上的表面等离极化激元之间能够耦合，形变时，随着弯曲程度的不同，相邻贵金属条上表面等离极化激元之间的耦合强度变化，使得经过传感区域的光场的振幅和相位变化，透射光场的能量分布变化更大，传感器的传感灵敏度和准确度更高。相邻贵金属条的间距可以相同也可以不同，优选地，如图5所示，中间位置的贵金属条间距较小，两侧的贵金属条间距较大，形变时，中间区域的间距变化较大，表面等离极化激元耦合强度依赖于间距，从而中间位置处相邻贵金属条上的表面等离极化激元耦合强度的变化较大，最终透射光场的能量分布变化较大，传感器的灵敏度和准确度较高。

凹槽的形状，即贵金属条的截面形状可以为圆形或矩形，优选地，凹槽的形状为矩形。优选地，凹槽的形状为长度不同的矩形，传感区域中间位置处的矩形较长，两侧位置处的矩形较短，即中间处贵金属条伸入第一光纤1的长度更长，如图5所示。这样，一方面，纤芯中间的光场较强，中间处的贵金属条与光场的相互作用较强，引起的透射光谱的能量分布的变化较大，传感器的传感灵敏度和准确度较高；另一方面，长度不同的贵金属条产生的表面等离极化激元的传播长度不同，如图5圈中所示，随着间距的变化，传播长度不同的表面等离极化激元之间的耦合强度变化更大，从而光探测器探测到透射光场的能量分布变化较大，传感灵敏度和准确度较高。

应用时，如图4所示，将第一光纤1的传感区域固定在待测面上，可以是粘合固定连接，“D”形传感区域的切面一侧远离待测面。光源发出的光场通过第一分光器3进入第一光纤1和第二光纤2，光场在第一光纤1中经过传感区域；第一光纤1和第二光纤2透射的光场通过第二分光器4叠加进入光探测器，光探测器探测混合透射光场的能量分布变化，根据透射光场的能量分布变化探测待测面的形变。叠加光场的能量分布变化依赖于光场通过传感区域时的光场振幅变化和相位变化，从而传感器的传感灵敏度和准确度较高。同时，本申请还通过在传感区域的切面处设置贵金属增强部5，利用表面等离激元效应使得通过传感区域的光场的振幅和相位变化，尤其是相位的变化，从而使得光探测器探测到的透射光场的能量分布变化；因此，本申请传感器的传感灵敏度和准确度较高。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。