[发明专利]一种基于微环结构的接触型线性应力传感器及其应力检测方法

说明书

本发明涉及一种基于微环结构的接触型线性应力传感器及其应力检测方法，包括依次连接的宽谱光源、微环谐振腔、频谱分析仪；微环谐振腔从下至上依次包括基底、下限制层、信道直波导和微环波导、上限制层；信道直波导和微环波导所在区域为折射率敏感区域；当信号光从信道直波导左端口输入后，在邻近微环谐振腔时发生相互耦合，使信道输入的部分光功率不断地耦合进入微环谐振腔中，同时微环谐振腔中的部分光功率也不断地耦合进入信道直波导中，并由信道直波导的右端口输出。本发明巧妙利用微环波导对波长敏感的分波特性，经信道直波导右端输出后，不同微环波导芯层有效折射率对应不同中心波长，实现器件的应力检测的功能。

技术领域

本发明涉及一种基于微环结构的接触型线性应力传感器及其应力检测方法，属于应力检测技术领域。

背景技术

传感技术作为获取信息的重要手段，被广泛的应用于生活和生产等各个领域，现在已经成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志。其中应力传感器作为最常用的传感器，广泛用各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道、海洋等众多行业和领域。

目前在军事领域,比如航天器材、飞机等领域应力的控制及监测，海洋领域以及健康状态监测等领域,对应力传感器的性能提出更高的要求,尤其是为了满足社会需求,对应力传感器的精度、敏感度、稳定性等要求也越来越高，目前用于测应力的传感器有光纤光栅应力传感器、电容式应力传感器、谐振式应力传感器等，现有技术中的光学传感器易受光源变化的影响，如常用的马赫曾德(M-Z)干涉型光学压力传感器的测量结果受光源衰减、波长漂移等的影响大；硅基光学MEMS压力传感器主要通过输出光强的变化来检测压强的大小,但是压强和光强之间为非线性关系，所以该传感器为非线性的。

现如今，利用折射率变化来测量应力已成为一种趋势，由于它体积小、损耗低等优势得到广泛应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于微环结构的接触型线性应力传感器。

本发明还提供一种利用上述接触型线性应力传感器进行应力检测的方法。

本发明的技术方案为：

一种基于微环结构的接触型线性应力传感器，包括依次连接的宽谱光源、微环谐振腔、频谱分析仪；

所述微环谐振腔从下至上依次包括基底、下限制层、信道直波导和微环波导、上限制层；

所述信道直波导和微环波导所在区域为折射率敏感区域，即应力接触检测区；

当信号光从信道直波导左端口输入后，在邻近微环谐振腔时发生相互耦合，使信道输入的部分光功率不断地耦合进入微环谐振腔中，同时微环谐振腔中的部分光功率也不断地耦合进入信道直波导中，并由信道直波导的右端口输出。

光在微环波导中传输的时候，只有那些绕微环波导传输一周时所产生的光程差为波长的整数倍的光才能产生谐振而加强，满足的微环谐振方程为2πRn_c＝mλ，R为微环波导的谐振半径，n_c为微环波导中模有效折射率，m为衍射级数，λ为谐振波长。由于材料具有光弹性效应，当材料所受的外力发生改变时，微环波导在外力的作用下产生应变，应变又导致微环波导的各向异性，从而引起光学各项异性，折射率发生改变，即光弹效应。当微环波导的有效折射率发生改变时，谐振波长也随之改变，产生谐振波长的漂移。定义谐振波长的偏移量Δλ＝λ₁-λ₀＝2πRδn/m，δn为有效折射率的变化量。所以，当施加压力时，微环波导有效折射率发生改变，谐振波长就会发生偏移，通过检测谐振波长的偏移量Δλ，从而计算出有效折射率的变化量δn，通过有效折射率的变化量与应力大小的关系方程δn＝κσ即可检测应力的大小，其中，κ为比例系数，与材料的性质有关，σ为应力大小。

根据本发明优选的，微环谐振腔衍射级数m＝50，中心波长为532nm。