本发明涉及光纤传感探头技术领域，尤其涉及一种小体积二维矢量光纤倾角传感探头和传感装置。
背景技术：
角度传感器在桥梁架设、铁路铺设、土木工程、石油钻井、航空航海、工业自动化、智能平台、机械加工等领域具有重要的意义，已成为这些领域不可缺少的工具。常见的角度传感器可以分为电学传感器和光学传感器。电学传感器易于受到电磁干扰，信号易衰减，并且电学传感器的体积较大，结构较为复杂。光学传感器具有一些独有的优点，如抗电磁干扰、耐腐蚀，结构小巧等优点，目前已经在许多领域得到广泛的应用。
光学传感器主要为基于光纤光栅的传感器。当倾角发生变化时，普通的光纤光栅对光信号的调制非常微弱，角度灵敏度极低，很难实现对角度的解调。因此通常需要利用机械结构对光纤光栅结构进行增敏，以此来增加传感器对角度的响应。如专利200910097186.6，将三根光纤光栅固定在机械摆的三根摆臂上，通过将三根光纤光栅的波长信息进行解调实现二维倾角的传感。但是此类传感结构的体积通常较大，结构复杂并增加了制备难度。
技术实现要素：
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种小体积二维矢量光纤倾角传感探头和传感装置。
本发明提出的一种小体积二维矢量光纤倾角传感探头，包括：第一传感结构、第二传感结构和光纤耦合器；
第一传感结构包括依次连接的第一单模光纤、聚合物微空心柱和第一石英柱，聚合物微空心柱垂直于第一单模光纤布置，第一石英柱与第一单模光纤同轴设置；
第二传感结构包括依次连接的第二单模光纤、聚合物微球和第二石英柱，聚合物微球的球心位于第二单模光纤的轴线上，第二石英柱与第二单模光纤同轴设置；
第一单模光纤和第二单模光纤平行布置，第一单模光纤远离聚合物微空心柱一端以及第二单模光纤远离聚合物微球一端均与光纤耦合器连接，在聚合物微空心柱内形成第一法布里-泊罗干涉腔，在聚合物微球内形成第二法布里-泊罗干涉腔。
优选地，聚合物微空心柱侧壁通过紫外固化胶与第一单模光纤和第一石英柱连接；
和/或，聚合物微球侧壁通过紫外固化胶与第二单模光纤和第二石英柱连接。
优选地，还包括封装壳体，第一传感结构位于封装壳体内，且聚合物微空心柱和第一石英柱悬空设置，第二传感结构位于封装壳体内，且聚合物微球和第二石英柱悬空设置。
优选地，第一单模光纤的外径为120-130μm，聚合物微空心柱直径小于第一单模光纤。
优选地，第一石英柱和/或第二石英柱通过单模光纤两端切平制成。
优选地，聚合物微空心柱由紫外固化胶体经多模光纤耦合输出的紫外激光曝光固化而成。
优选地，聚合物微球由紫外固化胶体注射到液体中形成球状液滴后曝光固化而成。
优选地，聚合物微空心柱垂直于第一单模光纤和第二单模光纤的轴线所在平面。
本发明中，所提出的小体积二维矢量光纤倾角传感探头，第一传感结构包括的第一单模光纤、聚合物微空心柱和第一石英柱依次连接，第二单模光纤、聚合物微球和第二石英柱依次连接，两个单模光纤平行布置且一端与光电耦合器连接，在聚合物微空心柱内形成第一法布里-泊罗干涉腔，在聚合物微球内形成第二法布里-泊罗干涉腔。通过上述优化设计的小体积二维矢量光纤倾角传感探头，当检测面倾斜时，石英柱的重力对聚合物微空心柱和聚合物微球的拉伸作用发生变化，由于相对于聚合物微球，聚合物微空心柱在两个方向上具有各向异性，进而通过倾角变化对法布里干涉腔的腔长进行调制，从而实现二维矢量光纤倾角探测；结构紧凑、使用灵活，基于聚合物材料，大大提高灵敏度。
本发明还提出一种小体积二维矢量光纤倾角传感装置，包括上述的小体积二维矢量光纤倾角传感探头。
优选地，还包括环形器、光源和光谱仪，光纤耦合器通过环形器与光源和光谱仪连接。
本发明中，所提出的小体积二维矢量光纤倾角传感装置，其技术效果与上述小体积二维矢量光纤倾角传感探头类似，因此不再赘述。
附图说明
图1为本发明提出的一种小体积二维矢量光纤倾角传感探头的结构示意图。
图2为本发明提出的一种小体积二维矢量光纤倾角传感探头的第一传感结构的侧视结构示意图。
图3为本发明提出的一种小体积二维矢量光纤倾角传感探头的第二传感结构的侧视结构示意图。
图4为本发明提出的一种小体积二维矢量光纤倾角传感装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1至4所示，图1为本发明提出的一种小体积二维矢量光纤倾角传感探头的结构示意图，图2为本发明提出的一种小体积二维矢量光纤倾角传感探头的第一传感结构的侧视结构示意图，图3为本发明提出的一种小体积二维矢量光纤倾角传感探头的第二传感结构的侧视结构示意图，图4为本发明提出的一种小体积二维矢量光纤倾角传感装置的结构示意图。
参照图1至3，本发明提出的一种小体积二维矢量光纤倾角传感探头，包括：第一传感结构、第二传感结构和光纤耦合器7；
第一传感结构包括依次连接的第一单模光纤1、聚合物微空心柱3和第一石英柱5，聚合物微空心柱3垂直于第一单模光纤1布置，第一石英柱5与第一单模光纤1同轴设置；
第二传感结构包括依次连接的第二单模光纤2、聚合物微球4和第二石英柱6，聚合物微球4的球心位于第二单模光纤2的轴线上，第二石英柱6与第二单模光纤2同轴设置；
第一单模光纤1和第二单模光纤2平行布置，第一单模光纤1远离聚合物微空心柱3一端以及第二单模光纤2远离聚合物微球4一端均与光纤耦合器7连接，在聚合物微空心柱3内形成第一法布里-泊罗干涉腔，在聚合物微球4内形成第二法布里-泊罗干涉腔。
为了详细说明本实施例的小体积二维矢量光纤倾角传感探头的具体检测方式，参照图4，本实施例还提出一种小体积二维矢量光纤倾角传感装置，包括上述的小体积二维矢量光纤倾角传感探头。
具体地，还包括环形器20、光源30和光谱仪40，光纤耦合器7通过环形器20与光源30和光谱仪40连接。
本实施例的小体积二维矢量光纤倾角传感探头的具体工作过程中，光源出射的光入射到传感探头内，进而入射到两个平行悬空放置的传感结构中，并分别在聚合物微空心柱和微球内形成第一法布里-泊罗干涉腔和第二法布里-泊罗干涉腔。两个干涉腔产生的光谱叠加产生三光束干涉，最终形成具有两类干涉峰的干涉谱。传感器的倾角响应来源于石英柱的重力对聚合物微空心柱和微球的拉伸作用，当两个传感结构所在平面的倾斜角度发生变化时，施加在微空心柱和微球上的作用力发生了改变，进而改变了干涉腔长，干涉光谱发生了漂移。由于石英柱的重力对聚合物微空心柱的拉伸作用在两个方向具有各向异性的特性，使得传感结构具有二维矢量性。而石英柱的重力对聚合物微球的拉伸在一个方向具有各向异性的特性而在另一个方向具有各向同性的特性。通过构建这两个平行放置的光纤倾角传感结构的传感探头，实现矢量倾角对传感结构腔长的调制作用，从而使光纤传感器输出的光谱信号受到矢量倾角调制，构成光纤矢量倾角传感器。
本发明的矢量倾角解调原理为：第一倾角首先固定为0°，第二倾角从0°增加到360°，间隔为30°。记录每个角度点的光谱。第一倾角固定为30°到360°时，角度间隔为30°，分别按上述方法改变第二倾角。这样就得出了在第一倾角与第一类干涉峰的波长关系和在不同第一倾角的条件下，第二倾角与第二类干涉峰的波长关系。在测量矢量倾角的过程中，首先观测第一类干涉峰的波长漂移，通过第一倾角与第一类干涉峰的波长关系得出第一倾角，通过得出的第一倾角找出对应的第二倾角与第二类干涉峰的波长关系，通过观测第二类干涉峰的移动，得出第二倾角大小。因此，通过该解调方法，可以实现倾角的矢量传感。
在本实施例中，所提出的小体积二维矢量光纤倾角传感探头，第一传感结构包括的第一单模光纤、聚合物微空心柱和第一石英柱依次连接，第二单模光纤、聚合物微球和第二石英柱依次连接，两个单模光纤平行布置且一端与光电耦合器连接，在聚合物微空心柱内形成第一法布里-泊罗干涉腔，在聚合物微球内形成第二法布里-泊罗干涉腔。通过上述优化设计的小体积二维矢量光纤倾角传感探头，当检测面倾斜时，石英柱的重力对聚合物微空心柱和聚合物微球的拉伸作用发生变化，由于相对于聚合物微球，聚合物微空心柱在两个方向上具有各向异性，进而通过倾角变化对法布里干涉腔的腔长进行调制，从而实现二维矢量光纤倾角探测；结构紧凑、使用灵活，基于聚合物材料，大大提高灵敏度。
在具体实施方式中，聚合物微空心柱3侧壁通过紫外固化胶与第一单模光纤1和第一石英柱5连接；
和/或，聚合物微球4侧壁通过紫外固化胶与第二单模光纤2和第二石英柱6连接。
在紫外固化胶的具体选择方式中，采用诺兰公司生产的norlandopticaladhesivenoa63。
此外，在其他具体实施方式中，聚合物微空心柱3垂直于第一单模光纤1和第二单模光纤2的轴线所在平面。
在其他具体实施方式中，还包括封装壳体8，第一传感结构位于封装壳体8内，且聚合物微空心柱3和第一石英柱5悬空设置，第二传感结构位于封装壳体8内，且聚合物微球4和第二石英柱6悬空设置；通过封装壳体对传感结构进行保护。
在具体尺寸选择中，第一单模光纤1和第二单模光纤2的外径为120-130μm，聚合物微空心柱3和聚合物微球4的直径小于单模光纤。
在石英柱的具体制备方式中，第一石英柱5和/或第二石英柱6通过单模光纤两端切平制成，长度为2mm-3mm。
在聚合物微空心柱的具体制备方式中，聚合物微空心柱3由紫外固化胶体经多模光纤耦合输出的紫外激光曝光固化而成。
具体地，本实施例的聚合物微空心柱包括下列步骤：
s1、在基底表面滴紫外固化胶，通过旋涂处理，形成紫外固化胶薄膜；
s2、设置多模光纤和紫外激光器，紫外激光器产生的激光经聚焦照射到多模光纤入射端端面，通过调节激光入射角度，控制多模光纤出射端射出环形激光光束；
s3、将多模光纤的出射端垂直插入紫外固化胶薄膜内并与基底保持预设距离，打开激光快门，环形激光光束对紫外固化胶薄膜进行曝光，关闭激光快门，将多模光纤撤走；
s4、清洗分离，基底表面已经曝光的紫外固化胶即形成聚合物微空心柱。
相应地，聚合物微球4由紫外固化胶体注射到液体中形成球状液滴后曝光固化而成。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
1.一种小体积二维矢量光纤倾角传感探头，其特征在于，包括：第一传感结构、第二传感结构和光纤耦合器(7)；
第一传感结构包括依次连接的第一单模光纤(1)、聚合物微空心柱(3)和第一石英柱(5)，聚合物微空心柱(3)垂直于第一单模光纤(1)布置，第一石英柱(5)与第一单模光纤(1)同轴设置；
第二传感结构包括依次连接的第二单模光纤(2)、聚合物微球(4)和第二石英柱(6)，聚合物微球(4)的球心位于第二单模光纤(2)的轴线上，第二石英柱(6)与第二单模光纤(2)同轴设置；
第一单模光纤(1)和第二单模光纤(2)平行布置，第一单模光纤(1)远离聚合物微空心柱(3)一端以及第二单模光纤(2)远离聚合物微球(4)一端均与光纤耦合器(7)连接，在聚合物微空心柱(3)内形成第一法布里-泊罗干涉腔，在聚合物微球(4)内形成第二法布里-泊罗干涉腔。
2.根据权利要求1所述的小体积二维矢量光纤倾角传感探头，其特征在于，聚合物微空心柱(3)侧壁通过紫外固化胶与第一单模光纤(1)和第一石英柱(5)连接；
和/或，聚合物微球(4)侧壁通过紫外固化胶与第二单模光纤(2)和第二石英柱(6)连接。
3.根据权利要求1所述的小体积二维矢量光纤倾角传感探头，其特征在于，还包括封装壳体(8)，第一传感结构位于封装壳体(8)内，且聚合物微空心柱(3)和第一石英柱(5)悬空设置，第二传感结构位于封装壳体(8)内，且聚合物微球(4)和第二石英柱(6)悬空设置。
4.根据权利要求1所述的小体积二维矢量光纤倾角传感探头，其特征在于，第一单模光纤(1)的外径为120-130μm，聚合物微空心柱(3)直径小于第一单模光纤(1)。
5.根据权利要求1所述的小体积二维矢量光纤倾角传感探头，其特征在于，第一石英柱(5)和/或第二石英柱(6)通过单模光纤两端切平制成。
6.根据权利要求1所述的小体积二维矢量光纤倾角传感探头，其特征在于，聚合物微空心柱(3)由紫外固化胶体经多模光纤耦合输出的紫外激光曝光固化而成。
7.根据权利要求1所述的小体积二维矢量光纤倾角传感探头，其特征在于，聚合物微球(4)由紫外固化胶体注射到液体中形成球状液滴后曝光固化而成。
8.根据权利要求1所述的小体积二维矢量光纤倾角传感探头，其特征在于，聚合物微空心柱(3)垂直于第一单模光纤(1)和第二单模光纤(2)的轴线所在平面。
9.一种小体积二维矢量光纤倾角传感装置，其特征在于，包括根据权利要求1-8任一项所述的小体积二维矢量光纤倾角传感探头。
10.根据权利要求9所述的小体积二维矢量光纤倾角传感装置，其特征在于，还包括环形器(20)、光源(30)和光谱仪(40)，光纤耦合器(7)通过环形器(20)与光源(30)和光谱仪(40)连接。
技术总结