專利名稱：一種基于pcf-lpg的二維傾斜角度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于光子晶體光纖長周期光柵 (long-period grating written in a photonic crystal fiber，PCF-LPG)的二維傾斜角度傳感器。
背景技術(shù)：
近年來，傾斜角測量已成為生產(chǎn)生活中不可或缺的一部分，如應(yīng)用于電力工程、土木建筑工程、石化工業(yè)等安全健康監(jiān)控領(lǐng)域，隨著科技的進(jìn)步，人們對傾斜角測量技術(shù)的要求越來越高?；陔娙葑兓瘻y量傾斜角度的傳感器雖然具有靈敏度較高的優(yōu)點，但易受電磁干擾，精度不高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能分布式測量和遠(yuǎn)程監(jiān)控，因此其適用范圍受到很大的限制。光纖光柵是一種在光纖通信、光纖傳感及光信息處理領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景的無源光纖器件?；诠饫w光柵的傳感器具有抗電磁干擾、集傳感與傳輸于一體、構(gòu)造簡單等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的測量。近年來，有人提出了基于布拉格光纖光柵的傾斜角度傳感器， 如利用懸掛重物的方法將角度變化產(chǎn)生的力直接作用于數(shù)個光纖光柵上，通過測量不同光纖光柵的波長漂移量，即可得到傾斜的角度和方向。但是該傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，測量范圍較小，不適宜推廣應(yīng)用。長周期光纖光柵(long-period fiber grating, LPG)是一種透射型光纖器件。與普通光纖光柵相比，LPG的諧振波長和幅值對外界環(huán)境的變化非常敏感。光子晶體光纖(photonic crystal fiber, PCF)是一種具有許多優(yōu)良光學(xué)特性的新型光纖，如溫度不敏感性。利用具有溫度不敏感特性的光子晶體光纖制作的LPG具有對液位變化敏感的特性和良好溫度穩(wěn)定性的優(yōu)點，基于這一特性我們設(shè)計了基于PCF-LPG的一維傾斜角傳感器(申請?zhí)?01020695730. 5)，然而，由于只能實現(xiàn)一維檢測，應(yīng)用范圍受到限制。本實用新型利用兩根PCF-LPG實現(xiàn)二維傾斜角度傳感，結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型目的就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中普通光纖光柵傾斜角度傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，提供了一種與普通光纖光柵測量機(jī)理完全不同、結(jié)構(gòu)簡單的PCF-LPG 二維傾斜角度傳感器。本實用新型為解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案基于PCF-LPG的二維傾斜角度傳感器包括寬帶光源、一對PCF-LPG、蔗糖溶液、有機(jī)玻璃管、光譜分析儀。一對PCF-LPG是在同一根PCF上制作而成。將串聯(lián)的PCF-LPG斜插入有機(jī)玻璃管，分別與有機(jī)玻璃管的軸線相交，兩個交點重合且交點是光柵的中點；兩根PCF-LPG與軸線的夾角都為θ(θ <90° )，且與軸線所在的兩個平面互相垂直。用膠水密封有機(jī)玻璃管管壁上穿過PCF-LPG的小孔，同時用膠水固定PCF-LPG，以使PCF-LPG處于自然拉直狀態(tài)。密封有機(jī)玻璃管的一端，從另一端注入蔗糖溶液，使二分之一的PCF-LPG浸沒在蔗糖溶液中而其余部分PCF-LPG暴露在空氣中。PCF-LPG對的一端與寬帶光源光連接，PCF-LPG對的另一端與光譜分析儀光連接。有機(jī)玻璃管、蔗糖溶液、PCF-LPG對構(gòu)成二維傾斜角度傳感器。 本實用新型所具有的有益效果為1、傳感元PCF-LPG對液位變化十分敏感，當(dāng)因裝置傾斜引起浸入蔗糖溶液中的兩根PCF-LPG柵區(qū)長度發(fā)生不同的變化時，PCF-LPG的諧振波長發(fā)生不同的漂移量，通過監(jiān)測兩根PCF-LPG波長漂移量即可解調(diào)出傾斜角改變量。2、PCF_LPG是一種溫度不敏感器件，可以有效消除溫度對傳感器的干擾。3、傳感元PCF-LPG處于自然拉直狀態(tài)，有機(jī)玻璃管為硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，在裝置傾斜時，不會改變PCF-LPG的自然拉直狀態(tài)，以消除彎曲對測量的干擾。4、由于本實用新型的傳感機(jī)理并不需要光纖光柵懸掛重物和懸掛光纖光柵，所以整個傳感器尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡單，僅由有機(jī)玻璃管、PCF-LPG、蔗糖溶液構(gòu)成。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型進(jìn)一步描述。如圖1所示，基于PCF-LPG的二維傾斜角度傳感器，包括寬帶光源1、PCF-LPG2、 PCF-LPG3、蔗糖溶液4、有機(jī)玻璃管5、光譜分析儀6。將PCF-LPG2和PCF-LPG3斜插入有機(jī)玻璃管，分別與有機(jī)玻璃管5的軸線相交，兩個交點重合且交點是光柵的中點；PCF-LPG2和 PCF-LPG3與軸線的夾角都為θ (Θ <90° )，且與軸線所在的兩個平面互相垂直。用膠水密封有機(jī)玻璃管5管壁上穿過PCF-LPG2和PCF-LPG3的小孔，同時用膠水固定PCF-LPG2和 PCF-LPG3，以使PCF-LPG2和PCF-LPG3處于自然拉直狀態(tài)。密封有機(jī)玻璃管5的一端，從另一端注入蔗糖溶液4，使二分之一的PCF-LPG2和PCF-LPG3浸沒在蔗糖溶液4中而其余部分的PCF-LPG2和PCF-LPG3暴露在空氣中。PCF-LPG2和PCF-LPG3是在同一根PCF上制成的PCF-LPG對。PCF-LPG對的一端與寬帶光源1光連接，PCF-LPG對的另一端與光譜分析儀 6光連接。有機(jī)玻璃管5、蔗糖溶液4、PCF-LPG2和PCF-LPG3對構(gòu)成二維傾斜角度傳感器。本實施方式的工作方式為當(dāng)該裝置傾斜角度為θ時，PCF-LPG2和PCF-LPG3與水平面的夾角改變，角度改變量分別為Φ1和Φ 2，進(jìn)而浸入蔗糖溶液中的PCF-LPG柵區(qū)長度發(fā)生改變，導(dǎo)致PCF-LPG諧振波長的漂移，漂移量分別為Δ λ 和Δ λ2。通過測量 PCF-LPG的波長漂移量Δ λ 1和Δ λ 2，反推出PCF-LPG浸入蔗糖溶液中長度的改變量，進(jìn)而推出PCF-LPG與水平面的夾角Φ1和Φ2，裝置的傾斜角度θ即可求得。該裝置的靈敏度約為0. 25nm/度，若光譜分析儀的分辨率為0. Olnm，該傳感器的分辨率可達(dá)0. 04度。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)傾斜角度測量的關(guān)鍵因素為1. PCF-LPG2和PCF-LPG3分別與有機(jī)玻璃管的軸線相交，兩個交點重合且交點是光柵的中點，兩根PCF-LPG與軸線的夾角都為θ (θ <90° )，且與軸線所在的兩個平面互相垂直。此結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在傾斜角度改變時浸入蔗糖溶液的柵區(qū)長度改變量不相同，進(jìn)而導(dǎo)致兩光柵的波長漂移量不相同，因而可以解調(diào)出二維傾斜角度。[0017]2.為使溶液表面水平，選取的有機(jī)玻璃管直徑要足夠大以消除液體表面張力帶來的液面彎曲。3. PCF-LPG與有機(jī)玻璃管的母線的夾角應(yīng)盡量小，這樣在裝置傾斜時，PCF-LPG才能完全浸入蔗糖溶液中。4.選取蔗糖溶液的折射率近似于PCF-LPG包層的有效折射率，有利于提高傳感器的靈敏度。本實施例中PCF-LPG2的柵區(qū)長度為1. 9cm,諧振波長為1566nm，諧振波長處衰減幅度為20dB，其中柵格周期為469um，周期數(shù)為40。PCF_LPG3的柵區(qū)長度為1. 9cm,諧振波長為1525nm，諧振波長處衰減幅度為MdB，其中柵格周期為469um，周期數(shù)為40。PCF-LPG2和 PCF-LPG3的間距為50cm。有機(jī)玻璃管的直徑為km，高10cm。蔗糖溶液的折射率為1. 42。
權(quán)利要求1.基于PCF-LPG的二維傾斜角度傳感器包括寬帶光源、蔗糖溶液、一對PCF-LPG、有機(jī)玻璃管、光譜分析儀，其特征在于一對PCF-LPG是在同一根PCF上制作而成；將串聯(lián)的PCF-LPG斜插入有機(jī)玻璃管，分別與有機(jī)玻璃管的軸線相交，兩個交點重合且交點是光柵的中點；兩根PCF-LPG與軸線的夾角都為θ且θ <90°，且與軸線所在的兩個平面互相垂直；用膠水密封有機(jī)玻璃管管壁上穿過PCF-LPG的小孔，同時用膠水固定PCF-LPG，以使PCF-LPG處于自然拉直狀態(tài)；密封有機(jī)玻璃管的一端，從另一端注入蔗糖溶液，使二分之一的PCF-LPG浸沒在蔗糖溶液中而其余部分PCF-LPG暴露在空氣中；PCF-LPG對的一端與寬帶光源光連接，PCF-LPG對的另一端與光譜分析儀光連接；有機(jī)玻璃管、蔗糖溶液、PCF-LPG對構(gòu)成二維傾斜角度傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PCF-LPG的二維傾斜角度傳感器，其特征是蔗糖溶液的折射率接近但小于PCF-LPG包層的有效折射率。
專利摘要本實用新型涉及基于PCF-LPG的二維傾斜角度傳感器。一對PCF-LPG是在同一根PCF上制作而成。將串聯(lián)的PCF-LPG斜插入有機(jī)玻璃管，分別與有機(jī)玻璃管的軸線相交，兩個交點重合且交點是光柵的中點；兩根PCF-LPG與軸線的夾角都為θ(θ＜90°)，且與軸線所在的兩個平面互相垂直。用膠水密封有機(jī)玻璃管管壁上穿過PCF-LPG的小孔，同時用膠水固定PCF-LPG，以使PCF-LPG處于自然拉直狀態(tài)。密封有機(jī)玻璃管的一端，從另一端注入蔗糖溶液，使二分之一的PCF-LPG浸沒在蔗糖溶液中而其余部分PCF-LPG暴露在空氣中。PCF-LPG對的一端與寬帶光源光連接，PCF-LPG對的另一端與光譜分析儀光連接。有機(jī)玻璃管、蔗糖溶液、PCF-LPG對構(gòu)成二維傾斜角度傳感器。本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高的優(yōu)點，并且能有效消除溫度對傳感器的干擾。
文檔編號G01C9/18GK202126259SQ201120136880
公開日2012年1月25日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者倪凱, 張在宣, 王云鵬, 胡李敏, 趙春柳, 金尚忠 申請人:中國計量學(xué)院