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(cè)力學(xué)參數(shù)。一方面，對(duì)橋梁、建筑物、隧道和管道等結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行宏觀扭轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)，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(cè)和維修建議，防止發(fā)生意外。另一方面，對(duì)機(jī)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(jìn)行實(shí)時(shí)微扭轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)，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(gè)熱點(diǎn)。其中對(duì)光纖布拉格光柵(fbgs)的研究相對(duì)成熟，但它們對(duì)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(diǎn)。

2、長(zhǎng)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(dú)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(diǎn)成為當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)。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(cè)。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(cè)量中比較有應(yīng)用前景和有利。基于lpfg的扭轉(zhuǎn)傳感器埋入被測(cè)物體扭轉(zhuǎn)軸的軸線上，通過(guò)測(cè)量共振波長(zhǎng)的變化，可以直接獲得扭曲率的大小。當(dāng)扭曲率較大時(shí)可以同時(shí)測(cè)量共振波長(zhǎng)和損耗峰幅值的變化，相互校正從而提高測(cè)量精度。但是當(dāng)扭曲率較小時(shí)，損耗峰的幅值變化就會(huì)不明顯或不規(guī)律，只能通過(guò)共振波長(zhǎng)的變化來(lái)提高測(cè)量精度，而共振波長(zhǎng)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(shí)，諧振波長(zhǎng)移動(dòng)量越大，靈敏度越高。傳感器諧振波長(zhǎng)移動(dòng)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(shí)，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(zhǎng)移動(dòng)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(tuán)隊(duì)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(gè)思路，進(jìn)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(guò)增加包層線雙折射，進(jìn)而增大合成的橢圓雙折射，達(dá)到增敏效果，這一般通過(guò)對(duì)光纖的非對(duì)稱折射率調(diào)制引入線雙折射實(shí)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(dá)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(guò)增加包層圓雙折射，進(jìn)而增大合成的橢圓雙折射，達(dá)到增敏效果，一般通過(guò)扭轉(zhuǎn)光纖實(shí)現(xiàn)。如有方案提出了用光纖熔接機(jī)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(dá)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(shí)引入圓雙折射和線雙折射來(lái)增強(qiáng)扭轉(zhuǎn)的橢圓雙折射，達(dá)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(dá)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(dá)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(shí)現(xiàn)了線雙折射和圓雙折射的同時(shí)引入，但由于它們僅采用一個(gè)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(duì)稱調(diào)制面不夠多導(dǎo)致引入的線雙折射不夠多。此時(shí)，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)如果可以繼續(xù)增加凹槽的分布面來(lái)最大程度破壞光纖的圓對(duì)稱性，便能夠進(jìn)一步增大引入的線雙折射；同時(shí)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(jìn)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(jìn)一步增大。因此，如何設(shè)計(jì)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(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)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(guò)增加凹槽的分布面來(lái)最大程度破壞光纖的圓對(duì)稱性，進(jìn)而增大引入的線雙折射；同時(shí)通過(guò)逐漸增大扭轉(zhuǎn)力來(lái)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(jìn)而增大扭轉(zhuǎn)時(shí)線雙折射和圓雙折射合成的橢圓雙折射，使得扭轉(zhuǎn)時(shí)諧振波長(zhǎng)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(wèn)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(gè)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(dá)到預(yù)設(shè)總角度時(shí)，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(jìn)行反向扭轉(zhuǎn)以還原至初始狀態(tài)，得到具有若干個(gè)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(gè)或四個(gè)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(gè)凹槽時(shí)，預(yù)設(shè)角度θ為60°；

12、當(dāng)每組凹槽調(diào)制區(qū)有四個(gè)凹槽時(shí)，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(gè)凹槽時(shí)，預(yù)設(shè)總角度為840°；

14、當(dāng)每組凹槽調(diào)制區(qū)有四個(gè)凹槽時(shí)，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(jìn)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(jì)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(guò)監(jiān)測(cè)扭轉(zhuǎn)傳感器的諧振波長(zhǎng)移動(dòng)方向來(lái)判斷其扭轉(zhuǎn)方向。

22、優(yōu)選的，步驟s6中，通過(guò)計(jì)算扭轉(zhuǎn)傳感器的光譜位移值來(lái)測(cè)量其扭轉(zhuǎn)力的大小。

23、本發(fā)明還公開(kāi)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(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，lpfg扭轉(zhuǎn)傳感器受到一定扭轉(zhuǎn)時(shí)，諧振波長(zhǎng)移動(dòng)量越大，靈敏度越高。諧振波長(zhǎng)移動(dòng)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(shí)，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(zhǎng)移動(dòng)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(shí)諧振波長(zhǎng)的漂移量增加，從而提高扭轉(zhuǎn)傳感器的靈敏度。

26、針對(duì)申請(qǐng)人的上述發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明在制備扭轉(zhuǎn)傳感器時(shí)，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(gè)呈現(xiàn)螺旋分布的凹槽，這種螺旋分布的凹槽能夠通過(guò)增加凹槽的分布面來(lái)最大程度破壞光纖的圓對(duì)稱性，進(jìn)而在扭轉(zhuǎn)傳感器的不同方位角上進(jìn)行非對(duì)稱折射率調(diào)制，從而增大引入的線雙折射。同時(shí)，本發(fā)明在扭轉(zhuǎn)傳感器的制備過(guò)程中，制作后期扭轉(zhuǎn)角度越來(lái)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(huì)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(guò)增大引入的線雙折射和圓雙折射來(lái)增大橢圓雙折射，使得扭轉(zhuǎn)時(shí)諧振波長(zhǎng)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(shí)針扭轉(zhuǎn)和逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)決定，所以諧振波長(zhǎng)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(shí)，還能測(cè)量施加扭轉(zhuǎn)力的方向。