本發(fā)明涉及光纖傳感，尤其是涉及一種基于傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

1、角度傳感器廣泛運(yùn)用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)土木測(cè)量等行業(yè)。以機(jī)器人為例，其關(guān)節(jié)自由度的高精度控制依賴于對(duì)彎曲角度和彎曲方向的準(zhǔn)確測(cè)量。常見(jiàn)的角度傳感器主要運(yùn)用電容、電感、霍爾效應(yīng)、光電效應(yīng)等原理進(jìn)行測(cè)量，該類傳感器在一些復(fù)雜惡劣的環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)頻帶不寬、易受電磁干擾、易受溫度干擾等缺陷。光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展改變了這一現(xiàn)狀，光纖傳感器具有精度高、體積小、易集成對(duì)易燃易爆氣體不敏感、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。目前光纖傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)診斷、化學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域。

2、目前光纖角度傳感器主要分為兩類：基于光柵結(jié)構(gòu)和基于微型干涉儀結(jié)構(gòu)。目前基于光柵結(jié)構(gòu)類傳感器大多只能檢測(cè)彎曲角度，無(wú)法檢測(cè)彎曲方向?；谖⑿透缮鎯x結(jié)構(gòu)類的光纖角度傳感器容易斷裂，測(cè)量范圍小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置，旨在解決現(xiàn)有傳感器測(cè)量范圍有限，測(cè)量精度不能滿足要求，并且不能同時(shí)測(cè)量彎折角度的大小和方向的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置，包括寬帶光源、起偏器、偏振控制器、傳感器、光譜儀和計(jì)算機(jī)，寬帶光源、起偏器、偏振控制器、傳感器和光譜儀通過(guò)單模光纖依次連接，光譜儀另一端與計(jì)算機(jī)之間通過(guò)數(shù)據(jù)線連接；

3、從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)起偏器以及偏振控制器后，由全偏振波變?yōu)闄M磁波后進(jìn)入傳感器感知空間角度變化，由光譜儀接受光信號(hào)，最終由計(jì)算機(jī)解調(diào)出彎折角度方向及大小。

4、優(yōu)選的，傳感器為傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器，傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器通過(guò)在單模光纖上刻寫小角度傾斜光纖光柵，在光纖包層表面涂覆包裹住整個(gè)柵區(qū)的金膜，并將整個(gè)傳感區(qū)域用聚二甲基硅氧烷進(jìn)行封裝保護(hù)制成。

5、優(yōu)選的，傾斜光纖光柵采用相位掩模板方法刻寫，光柵面與纖軸夾角為80°-84°，柵區(qū)長(zhǎng)度為10mm-15mm，光柵軸向周期為25μm-30μm。

6、優(yōu)選的，金膜采用磁控濺射或者蒸發(fā)鍍膜方法涂覆，膜層厚度為30nm-60nm，金膜涂覆范圍為10mm-15mm，與柵區(qū)長(zhǎng)度相同。

7、優(yōu)選的，聚二甲基硅氧烷膜層厚度為5mm-10mm，聚二甲基硅氧烷膜層長(zhǎng)度為50mm-100mm。

8、優(yōu)選的，傾斜光纖光柵對(duì)傳感區(qū)域的彎折方向以及彎折角度敏感，彎折方向以及彎折角度變化對(duì)應(yīng)的傳感器透射光譜變化為傳感器的矢量角靈敏度；傾斜光纖光柵在光柵慢軸方向的矢量角靈敏度最大，傾斜光纖光柵在光柵快軸方向上的矢量角靈敏度最小。

9、優(yōu)選的，傳感器對(duì)傳感區(qū)域的彎折方向不敏感，對(duì)傳感區(qū)域的彎折角度敏感，且彎折角度變化在傳感器的角度響應(yīng)范圍之內(nèi)。

10、優(yōu)選的，入射光經(jīng)過(guò)起偏器進(jìn)入傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器后，傾斜光纖光柵會(huì)破壞纖芯中傳播的基模模場(chǎng)，并形成反向傳播的包層模以及布拉格纖芯模，當(dāng)傳感器發(fā)生不同方向的彎折時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其布拉格反射波長(zhǎng)以及包層模諧振波長(zhǎng)的漂移，其中布拉格反射波長(zhǎng)以及包層模諧振波長(zhǎng)分別為：

11、

12、其中，ξ為光柵平面與光纖垂直面見(jiàn)的夾角，neff,core和neff,cloadding,i分別是纖芯模和第i個(gè)包層模的有效折射率，λ是傾斜光柵名義上的周期。

13、優(yōu)選的，λ與沿光纖向的光柵周期λg的關(guān)系可以表示為：

14、λ＝λgcosξ；

15、當(dāng)光纖發(fā)生不同方向的彎折時(shí)，λ會(huì)發(fā)成不同程度的改變，導(dǎo)致布拉格反射波長(zhǎng)以及包層模諧振波長(zhǎng)出現(xiàn)明顯漂移。

16、優(yōu)選的，包層模的傳播區(qū)域位于光纖包層之中，會(huì)在傳感器表面引發(fā)倏逝場(chǎng)，倏逝場(chǎng)與傳感器表面金膜互相耦合，激發(fā)表面等離子體共振現(xiàn)象。表面等離子體共振波的波長(zhǎng)λ為：

17、

18、其中，為倏逝場(chǎng)的有效折射率，為表面等離子體激元的有效折射率，εm為金屬層介電常數(shù)，εd為聚二甲基硅氧烷的介電常數(shù)，以上四個(gè)變量均為共振波長(zhǎng)λ的函數(shù)。

19、因此，本發(fā)明采用上述的一種基于傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置，具有以下有益效果：利用表面等離子體共振激元的電場(chǎng)敏感特性，檢測(cè)傳感器的彎折角度；利用傾斜光纖光柵的不對(duì)稱性，檢測(cè)傳感器的彎折方向；結(jié)合傾斜光纖光柵中纖芯膜對(duì)溫度變化的本征響應(yīng)，校準(zhǔn)外界溫度變化對(duì)傳感器的影響，因此該傳感器能夠同時(shí)檢測(cè)傳感器的彎折方向以及彎折角度。

20、下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

技術(shù)特征：

1.一種基于傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置，其特征在于：包括寬帶光源、起偏器、偏振控制器、傳感器、光譜儀和計(jì)算機(jī)，寬帶光源、起偏器、偏振控制器、傳感器和光譜儀通過(guò)單模光纖依次連接，光譜儀另一端與計(jì)算機(jī)之間通過(guò)數(shù)據(jù)線連接；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置，其特征在于：傳感器為傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器，傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器通過(guò)在單模光纖上刻寫小角度傾斜光纖光柵，在光纖包層表面涂覆包裹住整個(gè)柵區(qū)的金膜，并將整個(gè)傳感區(qū)域用聚二甲基硅氧烷進(jìn)行封裝保護(hù)制成。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置，其特征在于：傾斜光纖光柵采用相位掩模板方法刻寫，光柵面與纖軸夾角為80°-84°，柵區(qū)長(zhǎng)度為10mm-15mm，光柵軸向周期為25μm-30μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置，其特征在于：金膜采用磁控濺射或者蒸發(fā)鍍膜方法涂覆，膜層厚度為30nm-60nm，金膜涂覆范圍為10mm-15mm，與柵區(qū)長(zhǎng)度相同。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置，其特征在于：聚二甲基硅氧烷膜層厚度為5mm-10mm，聚二甲基硅氧烷膜層長(zhǎng)度為50mm-100mm。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置，其特征在于：傾斜光纖光柵對(duì)傳感區(qū)域的彎折方向以及彎折角度敏感，彎折方向以及彎折角度變化對(duì)應(yīng)的傳感器透射光譜變化為傳感器的矢量角靈敏度；傾斜光纖光柵在光柵慢軸方向的矢量角靈敏度最大，傾斜光纖光柵在光柵快軸方向上的矢量角靈敏度最小。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置，其特征在于：傳感器對(duì)傳感區(qū)域的彎折方向不敏感，對(duì)傳感區(qū)域的彎折角度敏感，且彎折角度變化在傳感器的角度響應(yīng)范圍之內(nèi)。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置，其特征在于：入射光經(jīng)過(guò)起偏器進(jìn)入傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器后，傾斜光纖光柵會(huì)破壞纖芯中傳播的基模模場(chǎng)，并形成反向傳播的包層模以及布拉格纖芯模，當(dāng)傳感器發(fā)生不同方向的彎折時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其布拉格反射波長(zhǎng)以及包層模諧振波長(zhǎng)的漂移，其中布拉格反射波長(zhǎng)以及包層模諧振波長(zhǎng)分別為：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置，其特征在于：λ與沿光纖向的光柵周期λg的關(guān)系可以表示為：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于傾斜光纖光柵-表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置，其特征在于：包層模的傳播區(qū)域位于光纖包層之中，會(huì)在傳感器表面引發(fā)倏逝場(chǎng)，倏逝場(chǎng)與傳感器表面金膜互相耦合，激發(fā)表面等離子體共振現(xiàn)象，表面等離子體共振波的波長(zhǎng)λ為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于傾斜光纖光柵?表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，包括寬帶光源、起偏器、偏振控制器、傳感器、光譜儀和計(jì)算機(jī)，寬帶光源、起偏器、偏振控制器、傳感器和光譜儀通過(guò)單模光纖依次連接，光譜儀另一端與計(jì)算機(jī)之間通過(guò)數(shù)據(jù)線連接；從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)起偏器以及偏振控制器后，由全偏振波變?yōu)闄M磁波后進(jìn)入傳感器感知空間角度變化，由光譜儀接受光信號(hào)，最終由計(jì)算機(jī)解調(diào)出彎折角度方向及大小。本發(fā)明采用上述的一種基于傾斜光纖光柵?表面等離子體共振傳感器的空間角度測(cè)量裝置，能夠同時(shí)檢測(cè)傳感器的彎折方向以及彎折角，且靈敏度和精度高。

技術(shù)研發(fā)人員：常鵬翔,張愛(ài)玲,潘洪剛,劉菲,戴錫康,王俊峰,楊騰飛,鄭明軒,王京城
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9