一種利用正交偏振模雙峰反射譜的光子晶體光纖光柵的壓力傳感方法
【專利摘要】一種利用正交偏振模雙峰反射譜的光子晶體光纖光柵的壓力傳感方法，屬于光子晶體光纖光柵傳感領(lǐng)域。解決現(xiàn)有光纖光柵傳感無法實(shí)現(xiàn)測量橫向應(yīng)力的問題。光源射出的光經(jīng)耦合器耦合后入射至已施加垂直于光子晶體光纖光柵的外力F的光子晶體光纖光柵，光子晶體光纖光柵產(chǎn)生反射光，光子晶體光纖光柵為偏振相關(guān)的光柵，反射光在正交偏振方向上出現(xiàn)光譜差異，即出現(xiàn)反射譜雙峰曲線，光子晶體光纖光柵受橫向壓力時，包層材料內(nèi)應(yīng)力使得材料在受力方向和垂直受力方向出現(xiàn)偏振特性差異，光反射譜雙峰發(fā)生移動，同時雙峰間距變化，反射光經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺粰z測分析儀根據(jù)傳感信號換算出橫向壓力傳感量值。主要應(yīng)用在壓力傳感領(lǐng)域。
【專利說明】一種利用正交偏振模雙峰反射譜的光子晶體光纖光柵的壓力傳感方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光子晶體光纖光柵傳感領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體光纖光柵傳感技術(shù)是目前較為先進(jìn)的傳感技術(shù)，光子晶體光纖光柵是在原來光纖光柵傳感原理的基礎(chǔ)上，利用反射譜雙峰移動和間隔變化的特性實(shí)現(xiàn)壓力傳感的。利用這一特性可研制出多種性能優(yōu)越的光纖傳感器件，相比普通光纖光柵傳感原理，光子晶體光柵光柵更具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小、易于區(qū)分溫度變化和壓力變化，可與其它光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。
[0003]當(dāng)光子晶體光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其它物理量發(fā)生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的峰值波長發(fā)生變化，但是，不同物理量的變化引起光子晶體光纖光柵反射譜變化是不同的，溫度是空間均勻變化，由溫度變化而導(dǎo)致光子晶體光纖光柵反射譜的變化也是均勻的，因此，獲得的表象是反射功率譜的雙峰均勻移動，雙峰間隔不變。但是側(cè)向壓力作用于光子晶體光纖光柵時，材料的應(yīng)變是非均勻的，這將產(chǎn)生材料的應(yīng)力雙折射，導(dǎo)致入射光正交偏振模的時延差，從功率譜上看，反射雙峰移動的同時雙峰間隔發(fā)生變化，通過測量物理量變化前后反射譜雙峰間隔的變化，就可以獲得待測應(yīng)力的變化情況。此外，通過對反射譜雙峰移動和間隔的變化，可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力和溫度的分別測量和同時測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有光纖光柵傳感無法實(shí)現(xiàn)測量橫向應(yīng)力的問題，本發(fā)明提供了一種利用正交偏振模雙峰反射譜的光子晶體光纖光柵的壓力傳感方法。
[0005]—種利用正交偏振模雙峰反射譜的光子晶體光纖光柵的壓力傳感方法，該方法的具體過程為:
[0006]光源射出的光經(jīng)耦合器耦合后入射至已施加垂直于光子晶體光纖光柵的外力F的光子晶體光纖光柵，光子晶體光纖光柵產(chǎn)生反射光，該反射光經(jīng)耦合器耦合后發(fā)送至光電轉(zhuǎn)換器，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器輸出的電信號發(fā)送至檢測分析儀器；
[0007]檢測分析儀器獲取外力F的值的具體過程如下:
[0008]施加垂直于光子晶體光纖光柵的外力F時，反射譜雙峰間距變化量Λ λ為，
[0009]Δ2=JiitKγ(ε)]ε (公式一)，
\ Jx K Jv
[0010]應(yīng)力ε與外力F存在如下關(guān)系，
[0011]F= σ ε(公式二)，
[0012]公式一和公式二聯(lián)立獲得外力F的值，_3],=麗:爾-(公式三)，
[0014]其中,夕卜力F的方向定義為X方向，與外力F相垂直的方向定義為y方向，σ為關(guān)
Zjj \(iiZ ')
聯(lián)系數(shù)，]一表示X方向振動的偏振模的反射峰移動量，表示y方向振動的偏振
\ Λ ΛV 4, Jy
模的反射峰移動量，Κχ( ε )表示X方向光子晶體光纖光柵3的靈敏度系數(shù)變化量，Ky( ε )表示I方向光子晶體光纖光柵3的靈敏度系數(shù)變化量。
[0015]所述的Kx ( ε )和Ky ( ε )的求取過程為，
[0016]光子晶體光纖光柵受外力F情況下,反射光波長變化量一^如下，


H
ClAh dnrn dn, dA
[0017]+=^2---(公式四)，
K nco-nd nco-nd Λ
[0018]光纖在單軸彈性形變下，生=ε ?且基模有效折射率變化量.^和包層模的折射
Λ打CO
率變化量j分別如下述公式五和六:
%
[0019]—^ = ^—K(A!+/V)]e (公式五)，
riCO^
[0020]— = ^^[λ2-?^(Αι + Α2)]^(公式六)，
% 2 」
[0021]公式四、五和六聯(lián)立獲得公式七，公式七如下:
[0022]
^ = ε\......................./lg............................[Pa — v{pn +...........................,1jl.............................[pl2-v(pn + /?)]] = [β , BP:
aB \ Z ni:a — nd1 nra — nCiJ
*1-J
[0023]Ks =1 —導(dǎo)」!e^[A2 —.Al)]—魯^pii +Λι)](公式八)，
/ tj _ Ww/ Ti — Ww
顧 ftCO ,ld“ fiCO ttrCi
[0024]由公式八獲得，X方向光子晶體光纖光柵的靈敏度系數(shù)變化量&“)和y方向光子晶體光纖光柵的靈敏度系數(shù)變化量Ky ( ε),
[0025]其中，
[0026]
Kx(S)Jl-n^^—[Α:-丨?丨丨 + ?)]-._—^?￡—[/? -、?" + ?)]](么WL)
I 2 H..,2 H..,J
[0027]
/ 22 \
Ky(e)= ?-^ψ-^^^[Pn^iPn +^^[Α—1/(/," + /,.3)](么式十)
[0028]Ks為光子晶體光纖光柵與基模耦合時反射譜的諧振波長變化與應(yīng)力ε的關(guān)系系數(shù)，Pi2和Pii為彈光系數(shù)，V為泊松比，η。。為基模有效折射率，ncl為包層模的折射率，nco；x為X方向基模有效折射率，ncl,x為X方向包層模的折射率，nco,y為y方向上基模有效折射率，ncl；y為y方向上包層模的折射率，λ b表不光子晶體光纖光柵反射峰中心波長，Λ表不光纖光柵常數(shù)。
[0029]所述的光源射出的光為寬譜自然光。
[0030]根據(jù)【背景技術(shù)】說明，我們設(shè)計(jì)利用光子晶體光纖光柵正交偏振模時延差特性導(dǎo)致的雙峰反射譜變化用于傳感的一種方法，本發(fā)明方法在于利用光子晶體光纖光柵增強(qiáng)光纖光柵的敏感特性，用于光纖光柵的傳感技術(shù)的一種方法，本方法通過以下方式實(shí)現(xiàn)，入射光為覆蓋光子晶體光纖光柵反射譜移動最大范圍的寬譜自然光，入射到光子晶體光纖光柵后反射，光子晶體光纖光柵為偏振相關(guān)的光柵，反射光在正交偏振方向上出現(xiàn)光譜差異，即出現(xiàn)反射譜雙峰曲線。光子晶體光纖光柵受橫向壓力時，包層材料內(nèi)應(yīng)力使得材料在受力方向和垂直受力方向出現(xiàn)偏振特性差異，光反射譜雙峰發(fā)生移動，同時雙峰間距變化。反射光經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。檢測分析儀根據(jù)傳感信號換算出橫向壓力傳感量值。光子晶體光纖光柵反射譜雙峰隨溫度變化曲線，具體參見圖3 ;光子晶體光纖光柵反射譜雙峰隨橫向壓力變化曲線，具體參見圖4 ;光子晶體光纖光柵反射譜雙峰隨溫度變化的峰值移動示意圖，具體參見圖5 ;光子晶體光纖光柵反射譜雙峰隨橫向壓力變化的曲線，具體參見圖6。
[0031]本發(fā)明的新穎之處是以光子晶體光纖光柵作為傳感元件測橫向應(yīng)力。這在以往是沒有的?，F(xiàn)有的光纖光柵傳感測量的軸向應(yīng)力或測量溫度，這兩個量無法分開來，在測量軸向應(yīng)力時要做溫度量的修正。本文提出的專利受應(yīng)力和溫度影響時表象不同，可以較為容易的區(qū)分出應(yīng)力和溫度的不同影響。同時，橫向應(yīng)力作用于光子晶體光纖光柵時，偏振特性的改變很容易測量出橫向應(yīng)力的大小，測量應(yīng)力時不受溫度干擾。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為【具體實(shí)施方式】一所述的一種利用正交偏振模雙峰反射譜的光子晶體光纖光柵的壓力傳感方法的原理示意圖；
[0033]圖2為本發(fā)明所述的光子晶體光纖光柵受外力F時的原理示意圖；
[0034]圖3為光子晶體光纖光柵反射譜雙峰隨溫度變化曲線；
[0035]圖4為光子晶體光纖光柵反射譜雙峰隨橫向壓力變化曲線；
[0036]圖5為光子晶體光纖光柵反射譜雙峰隨溫度變化的峰值移動示意圖；
[0037]圖6為光子晶體光纖光柵反射譜雙峰隨橫向壓力變化的曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0038]【具體實(shí)施方式】一:參見圖1和2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種利用正交偏振模雙峰反射譜的光子晶體光纖光柵的壓力傳感方法，該方法的具體過程為:
[0039]光源I射出的光經(jīng)耦合器2耦合后入射至已施加垂直于光子晶體光纖光柵3的外力F的光子晶體光纖光柵3,光子晶體光纖光柵3產(chǎn)生反射光,該反射光經(jīng)稱合器2稱合后發(fā)送至光電轉(zhuǎn)換器4，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器4輸出的電信號發(fā)送至檢測分析儀器5 ；
[0040]檢測分析儀器5獲取外力F的值的具體過程如下:
[0041]施加垂直于光子晶體光纖光柵3的外力F時，反射譜雙峰間距變化量Λ λ為，
fλ rI
[0042]==[[?—[⑷](公式一)，
K λΙ,人 I Λ J r L
[0043]應(yīng)力ε與外力F存在如下關(guān)系，
[0044]F=oe(公式二 )，
[0045]公式一和公式二聯(lián)立獲得外力F的值，
[。。46] F=師艮而(公式三)，
[0047]其中，外力F的方向定義為X方向，與外力F相垂直的方向定義為y方向，σ為關(guān)
f dA )( ?λ, ?
聯(lián)系數(shù)，γ表示X方向振動的偏振模的反射峰移動量，:表示y方向振動的偏振
IA JmV Ab Jv
模的反射峰移動量，κχ( ε )表示X方向光子晶體光纖光柵3的靈敏度系數(shù)變化量，Ky( ε )表示I方向光子晶體光纖光柵3的靈敏度系數(shù)變化量。
[0048]本實(shí)施方式中，入射光通過稱合器入射到光纖光柵后反射，光子晶體光纖光柵為偏振相關(guān)的光柵，由于材料在正交方向上折射率的差異，導(dǎo)致正交偏振模的差異，反射光為雙峰譜線。反射光在選定長軸和短軸方向上出現(xiàn)偏振時延導(dǎo)致反射光譜雙峰，該反射光通過耦合器傳導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換器，得到光子晶體光纖光柵偏振相關(guān)測量量，光子晶體光纖光柵受外界壓力作用，反射峰移動，同時雙峰間距變化，測量雙峰值移動的相對位置，換算出外界環(huán)境改變的標(biāo)準(zhǔn)值，得到傳感橫向壓力量值。
[0049]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的一種利用正交偏振模雙峰反射譜的光子晶體光纖光柵的壓力傳感方法的區(qū)別在于，所述的Kx ( ε )和\( ε )的求取過程為，
[0050]光子晶體光纖光柵3受外力F情況下，反射光波長變化量Y如下，


4
rnnri1dnC , dA, n.
[0051]-.............................................+(公式四)，
4 ,H H A
[0052]光纖在單軸彈性形變下，生I ,且基模有效折射率變化量^和包層模的折射
A%
dll
率變化量分別如下述公式五和六:

?K,
[0053]=+ ρη)\ε(公式五)，
riCG—
[0054]—- = —/,I，~y(Pn + Pr )]ε(公式六)，
nd 2 L
[0055]公式四、五和六聯(lián)立獲得公式七，公式七如下:
[0056]
λI/ η -— w w.' ~^ / η -—if-*
,?V.co nd▲ nco ndJ
2I
[0057]Ks=l-^—^—[pn-v(pu+pn)]-^—^—[pn-v(pu+pn)](公式八)，
t 2?..........................β %*1.............J^5
I nCO Mci▲ nm itC-S
[0058]由公式八獲得，X方向光子晶體光纖光柵3的靈敏度系數(shù)變化量Kx ( ε )和y方向光子晶體光纖光柵3的靈敏度系數(shù)變化量Ky ( ε )，
[0059]其中，
[0060]
f ^ 2 2 \
^Ae)=^f^zl^[Pu {Pn+Pti jy ^η.?:1^[Ρ?2~ν(Ριι + Ρη?](么Wl)
/11 — IJ U* ii ~~ H
V “ niK..x nJx一 ilHKX f\LxJ
[0061]
f I?/I jI? ?I )
K, (?Γ) — I 1- ——--1 Pp — V ( I 十 /Jp )」---___________ I(P11 十 Pp )」(公式十)
' I 2 n^y --nCLy "" 2 --,,廠 —' J
[0062]Ks為光子晶體光纖光柵與基模耦合時反射譜的諧振波長變化與應(yīng)力ε的關(guān)系系數(shù)，Pi2和Pii為彈光系數(shù)，V為泊松比，η。。為基模有效折射率，ncl為包層模的折射率，nco；x為X方向基模有效折射率，ncl,x為X方向包層模的折射率，nco,y為y方向上基模有效折射率，ncl；y為y方向上包層模的折射率，λ b表不光子晶體光纖光柵反射峰中心波長，Λ表不光纖光柵常數(shù)。
[0063]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的一種利用正交偏振模雙峰反射譜的光子晶體光纖光柵的壓力傳感方法的區(qū)別在于，所述的光源I射出的光為寬譜自然光。
【權(quán)利要求】
1.一種利用正交偏振模雙峰反射譜的光子晶體光纖光柵的壓力傳感方法，其特征在于，該方法的具體過程為: 光源(I)射出的光經(jīng)耦合器(2)耦合后入射至已施加垂直于光子晶體光纖光柵(3)的外力F的光子晶體光纖光柵(3)，光子晶體光纖光柵(3)產(chǎn)生反射光，該反射光經(jīng)耦合器(2)耦合后發(fā)送至光電轉(zhuǎn)換器(4)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器(4)輸出的電信號發(fā)送至檢測分析儀器(5)； 檢測分析儀器(5)獲取外力F的值的具體過程如下: 施加垂直于光子晶體光纖光柵(3)的外力F時，反射譜雙峰間距變化量Λ λ為，
應(yīng)力ε與外力F存在如下關(guān)系， F=oe(公式二)， 公式一和公式二聯(lián)立獲得外力F的值，
其中，夕卜力F的方向定義為X方向，與外力F相垂直的方向定義為y方向，σ為關(guān)聯(lián)系數(shù)，—表不X方向振動的偏振模的反射峰移動量，&表不y方向振動的偏振模的反射峰移動量，Κχ( ε )表示X方向光子晶體光纖光柵(3)的靈敏度系數(shù)變化量，Ky( ε )表示y方向光子晶體光纖光柵(3)的靈敏度系數(shù)變化量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用正交偏振模雙峰反射譜的光子晶體光纖光柵的壓力傳感方法，其特征在于，所述的&(8)和\(8)的求取過程為， 光子晶體光纖光柵(3)受外力F情況下，反射光波長變化量#如下，
光纖在單軸彈性形變下，，且基模有效折射率變化量和包層模的折射率變化量~分別如下述公式五和六:
公式四、五和六聯(lián)立獲得公式七，公式七如下:
由公式八獲得，X方向光子晶體光纖光柵(3)的靈敏度系數(shù)變化量κχ(ε)和y方向光子晶體光纖光柵(3)的靈敏度系數(shù)變化量Ky(e)， 其中，
Ks為光子晶體光纖光柵與基模耦合時反射譜的諧振波長變化與應(yīng)力ε的關(guān)系系數(shù)，Pi2和Pu為彈光系數(shù)，V為泊松比，η。。為基模有效折射率,ncl為包層模的折射率,nco；x為x方向基模有效折射率，ηε1，χ為X方向包層模的折射率，I^y為y方向上基模有效折射率，I^y為Y方向上包層模的折射率，λ b表不光子晶體光纖光柵反射峰中心波長，A表不光纖光柵常數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用正交偏振模雙峰反射譜的光子晶體光纖光柵的壓力傳感方法，其特征在于，所述的光源(I)射出的光為寬譜自然光。
【文檔編號】G01L1/24GK104132756SQ201410400463
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】勵強(qiáng)華, 高社成, 孫江亭, 付淑芳 申請人:哈爾濱師范大學(xué)