本發(fā)明涉及光纖傳感器，具體涉及一種旋轉(zhuǎn)分布槽型扭轉(zhuǎn)傳感器的制備方法及扭轉(zhuǎn)傳感器。

背景技術(shù)：

1、在各類工程應(yīng)用中，扭轉(zhuǎn)是非常重要的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測力學(xué)參數(shù)。一方面，對橋梁、建筑物、隧道和管道等結(jié)構(gòu)工程進行宏觀扭轉(zhuǎn)監(jiān)測，目的是提前發(fā)現(xiàn)異常并提供早期預(yù)警、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和維修建議，防止發(fā)生意外。另一方面，對機器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)跟蹤和生物醫(yī)學(xué)微創(chuàng)儀器等裝備進行實時微扭轉(zhuǎn)監(jiān)測，從而給出相應(yīng)的操作指令。因此，光纖扭轉(zhuǎn)傳感器的研究成為一個熱點。其中對光纖布拉格光柵(fbgs)的研究相對成熟，但它們對外部環(huán)境的敏感性普遍較低。光纖干涉儀具有良好的傳感性能，但存在制造復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不便的缺點。

2、長周期光纖光柵(lpfg)由于其易于制造、背反射低、插入損耗低、偏振獨立性、高靈敏度比布拉格光纖光柵具有更大的阻帶寬度等優(yōu)點成為當(dāng)前關(guān)注的熱點。典型的光學(xué)傳感物理量包括應(yīng)變、溫度、彎曲和扭轉(zhuǎn)等等被廣泛用于橋梁、道路和隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。lpfg由于其成本低容易制造、高靈敏度、穩(wěn)定的光譜響應(yīng)和低插入損耗，在扭轉(zhuǎn)測量中比較有應(yīng)用前景和有利?；趌pfg的扭轉(zhuǎn)傳感器埋入被測物體扭轉(zhuǎn)軸的軸線上，通過測量共振波長的變化，可以直接獲得扭曲率的大小。當(dāng)扭曲率較大時可以同時測量共振波長和損耗峰幅值的變化，相互校正從而提高測量精度。但是當(dāng)扭曲率較小時，損耗峰的幅值變化就會不明顯或不規(guī)律，只能通過共振波長的變化來提高測量精度，而共振波長的變化通常代表該扭轉(zhuǎn)傳感器的靈敏度。

3、基于lpfg的扭轉(zhuǎn)傳感器受到一定扭轉(zhuǎn)時，諧振波長移動量越大，靈敏度越高。傳感器諧振波長移動量取決于纖芯有效折射率變化量與包層有效折射率變化量的差值和光柵周期變化量的乘積。由于發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，光柵周期變化量小至可以忽略，纖芯位于光纖中心軸受扭力小，有效折射率變化量小，諧振波長移動量主要取決于包層有效折射率變化量。包層的有效折射率變化是由橢圓雙折射引起的，橢圓雙折射越大，有效折射率變化越大。橢圓雙折射是由線雙折射和圓雙折射合成，已有團隊分別從增加光纖包層線雙折射、圓雙折射和直接增加橢圓雙折射三個思路，進行了提升lpfg扭轉(zhuǎn)傳感器靈敏度研究。

4、目前，提升lpfg扭轉(zhuǎn)傳感器靈敏度的第一類思路是通過增加包層線雙折射，進而增大合成的橢圓雙折射，達到增敏效果，這一般通過對光纖的非對稱折射率調(diào)制引入線雙折射實現(xiàn)。如有方案提出了在不同基準(zhǔn)面分段打槽引入線雙折射制作lpfg，該方案的扭轉(zhuǎn)傳感靈敏度可以達到0.3nm/rad/m，但該思路未能有效引入圓雙折射。第二類思路是通過增加包層圓雙折射，進而增大合成的橢圓雙折射，達到增敏效果，一般通過扭轉(zhuǎn)光纖實現(xiàn)。如有方案提出了用光纖熔接機扭轉(zhuǎn)光纖制備螺旋型lpfg扭轉(zhuǎn)傳感器，該方案的扭轉(zhuǎn)靈敏度可以達到0.085nm/rad/m，但該方案未能有效引入線雙折射。第三類思路是同時引入圓雙折射和線雙折射來增強扭轉(zhuǎn)的橢圓雙折射，達到增敏的效果，如有方案提出了扭轉(zhuǎn)光纖三圈再側(cè)拋，釋放扭轉(zhuǎn)后，形成側(cè)螺旋拋光結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)靈敏度最高可達0.199nm/rad/m，還有方案提出了一種分步扭轉(zhuǎn)的間歇螺旋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)靈敏度最高可達0.15nm/rad/m。

5、然而，上述提升lpfg扭轉(zhuǎn)傳感器靈敏度的方案，雖然實現(xiàn)了線雙折射和圓雙折射的同時引入，但由于它們僅采用一個固定的扭轉(zhuǎn)角度導(dǎo)致引入的圓雙折射不夠多，由于折射率的非對稱調(diào)制面不夠多導(dǎo)致引入的線雙折射不夠多。此時，申請人發(fā)現(xiàn)如果可以繼續(xù)增加凹槽的分布面來最大程度破壞光纖的圓對稱性，便能夠進一步增大引入的線雙折射；同時如果能夠使扭轉(zhuǎn)力逐漸增大，便可以讓更多的殘余應(yīng)力凍結(jié)在光纖中增大引入的圓雙折射，這樣可以進一步增大扭轉(zhuǎn)合成的橢圓雙折射，使lpfg扭轉(zhuǎn)傳感器靈敏度進一步增大。因此，如何設(shè)計一種提高引入的線雙折射和圓雙折射的lpfg扭轉(zhuǎn)傳感器是亟需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：如何提供一種旋轉(zhuǎn)分布槽型扭轉(zhuǎn)傳感器的制備方法，通過增加凹槽的分布面來最大程度破壞光纖的圓對稱性，進而增大引入的線雙折射；同時通過逐漸增大扭轉(zhuǎn)力來讓更多的殘余應(yīng)力凍結(jié)在光纖中，增大引入的圓雙折射，進而增大扭轉(zhuǎn)時線雙折射和圓雙折射合成的橢圓雙折射，使得扭轉(zhuǎn)時諧振波長的漂移量增加，從而提高扭轉(zhuǎn)傳感器的靈敏度。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

3、一種旋轉(zhuǎn)分布槽型扭轉(zhuǎn)傳感器的制備方法，包括：

4、s1：獲取一根單模光纖，夾持單模光纖的兩端；

5、s2：在單模光纖上刻蝕一組凹槽調(diào)制區(qū)；一組凹槽調(diào)制區(qū)包括間距為λ的若干個凹槽；

6、s3：固定單模光纖的一端，將單模光纖的另一端沿其軸線扭轉(zhuǎn)預(yù)設(shè)角度θ；

7、s4：在一端旋轉(zhuǎn)后的單模光纖上刻蝕一組凹槽調(diào)制區(qū)；

8、s5：重復(fù)步驟s3和s4，直至單模光纖旋轉(zhuǎn)的總角度達到預(yù)設(shè)總角度時，完成最后一組凹槽調(diào)制區(qū)的刻蝕；

9、s6：將單模光纖扭轉(zhuǎn)的一端沿其軸線進行反向扭轉(zhuǎn)以還原至初始狀態(tài)，得到具有若干個呈現(xiàn)螺旋分布的凹槽的扭轉(zhuǎn)傳感器。

10、優(yōu)選的，步驟s2中，每組凹槽調(diào)制區(qū)有兩個或四個凹槽。

11、優(yōu)選的，步驟s3中，當(dāng)每組凹槽調(diào)制區(qū)有兩個凹槽時，預(yù)設(shè)角度θ為60°；

12、當(dāng)每組凹槽調(diào)制區(qū)有四個凹槽時，預(yù)設(shè)角度θ為90°。

13、優(yōu)選的，步驟s5中，當(dāng)每組凹槽調(diào)制區(qū)有兩個凹槽時，預(yù)設(shè)總角度為840°；

14、當(dāng)每組凹槽調(diào)制區(qū)有四個凹槽時，預(yù)設(shè)總角度為630°。

15、優(yōu)選的，步驟s6中，扭轉(zhuǎn)傳感器中，除第一組凹槽調(diào)制區(qū)外，每組凹槽調(diào)制區(qū)中相鄰凹槽之間具有沿扭轉(zhuǎn)傳感器軸線方向扭轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)角度cλ.

16、優(yōu)選的，步驟s6中，相鄰兩組凹槽調(diào)制區(qū)中，后一組凹槽調(diào)制區(qū)中相鄰凹槽之間的旋轉(zhuǎn)角度cλ,i大于前一組凹槽調(diào)制區(qū)中相鄰凹槽之間的旋轉(zhuǎn)角度cλ,i-1。

17、優(yōu)選的，步驟s6中，將單模光纖扭轉(zhuǎn)的一端沿其軸線進行反向扭轉(zhuǎn)以還原至初始狀態(tài)后，有一部分殘余扭轉(zhuǎn)力固化在扭轉(zhuǎn)傳感器中；

18、殘余扭轉(zhuǎn)力的計算公式表示為：

19、τ0＝2β/l0；

20、式中：τ0表示殘余扭轉(zhuǎn)力；β表示初始扭轉(zhuǎn)率；l0表示單模光纖兩端之間的距離。

21、優(yōu)選的，步驟s6中，通過監(jiān)測扭轉(zhuǎn)傳感器的諧振波長移動方向來判斷其扭轉(zhuǎn)方向。

22、優(yōu)選的，步驟s6中，通過計算扭轉(zhuǎn)傳感器的光譜位移值來測量其扭轉(zhuǎn)力的大小。

23、本發(fā)明還公開了一種旋轉(zhuǎn)分布槽型扭轉(zhuǎn)傳感器，其是基于本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)分布槽型扭轉(zhuǎn)傳感器的制備方法制備得到扭轉(zhuǎn)傳感器。

24、本發(fā)明中的旋轉(zhuǎn)分布槽型扭轉(zhuǎn)傳感器的制備方法及扭轉(zhuǎn)傳感器與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

25、申請人發(fā)現(xiàn)，lpfg扭轉(zhuǎn)傳感器受到一定扭轉(zhuǎn)時，諧振波長移動量越大，靈敏度越高。諧振波長移動量取決于纖芯有效折射率變化量與包層有效折射率變化量的差值和光柵周期變化量的乘積。發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，光柵周期變化量小至可以忽略，纖芯位于光纖中心軸受扭力小，有效折射率變化量小，諧振波長移動量主要取決于包層有效折射率變化量。包層的有效折射率變化是由橢圓雙折射引起的，橢圓雙折射越大，包層的有效折射率變化越大，而橢圓雙折射又是由線雙折射和圓雙折射合成得。因此增大引入的線雙折射和圓雙折射便能夠增大橢圓雙折射，使得扭轉(zhuǎn)時諧振波長的漂移量增加，從而提高扭轉(zhuǎn)傳感器的靈敏度。

26、針對申請人的上述發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明在制備扭轉(zhuǎn)傳感器時，一邊旋轉(zhuǎn)單模光纖一邊刻蝕凹槽，使得最終得到的扭轉(zhuǎn)傳感器具有若干個呈現(xiàn)螺旋分布的凹槽，這種螺旋分布的凹槽能夠通過增加凹槽的分布面來最大程度破壞光纖的圓對稱性，進而在扭轉(zhuǎn)傳感器的不同方位角上進行非對稱折射率調(diào)制，從而增大引入的線雙折射。同時，本發(fā)明在扭轉(zhuǎn)傳感器的制備過程中，制作后期扭轉(zhuǎn)角度越來越大，使得凍結(jié)在光纖中的殘余應(yīng)力也在不斷增大，殘余扭轉(zhuǎn)力的增大會使圓雙折射的偏振主軸旋轉(zhuǎn)逐漸加快，偏振主軸的旋轉(zhuǎn)逐漸加快意味著圓形雙折射增大。綜上，本發(fā)明通過增大引入的線雙折射和圓雙折射來增大橢圓雙折射，使得扭轉(zhuǎn)時諧振波長的漂移量增加，從而提高扭轉(zhuǎn)傳感器的靈敏度。并且本發(fā)明的橢圓雙折射的左旋和右旋是由順時針扭轉(zhuǎn)和逆時針扭轉(zhuǎn)決定，所以諧振波長的位移方向與扭轉(zhuǎn)方向有關(guān)，這使得本發(fā)明的lpfg扭轉(zhuǎn)傳感器能夠在提升扭轉(zhuǎn)靈敏度的同時，還能測量施加扭轉(zhuǎn)力的方向。