一种基于光学感应透明效应的小型形变传感器及其控制方法

本发明属于光学传感，具体地，涉及一种基于光学感应透明效应的小型形变传感器及其控制方法。

背景技术：

1、形变传感器是一种用于测量物体形变的传感器，形变传感器是工业生产实践中最为常用的一种传感器，广泛地应用于航空、航天、钢铁、石油、煤炭、交通、计量、机械制造等领域，也常用于人们生活中，如建筑建材、铁路运输、电子称量、推力形变测试、水库承载状况监测等。

2、目前应用最广泛的形变传感器是电阻形变传感器，它是以电阻形变片为转换元件的电阻式传感器，电阻形变片是最常采用的敏感元件，是能将机械构件的形变转换为电阻值变化的敏感元件。电阻形变传感器由弹性敏感元件、电阻形变片、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式，弹性敏感元件产生形变时，使附着其上的电阻形变片一起发生形变，电阻形变片再将形变转换为电阻值的变化。电阻形变传感器的优点是测量范围广、结构简单、频响特性好、品种多样等，但其缺点也非常明显：传感器响应速度慢、线性度差；通常形变引起的电阻形变片的电阻值变化较小，导致输出信号较弱；电阻形变片的电阻值选取较为苛刻，电阻值太小，所需的驱动电流太大，同时形变片的发热致使本身的温度过高，对环境影响大，也使形变片的电阻值变化大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂，而电阻值太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。总之，目前的形变传感器具有尺寸大、噪声大、易受电磁干扰、抗腐蚀性能差、集成化程度低等缺点。

3、光波导器件具有体积小、重量轻、光学特性设计灵活多样等优点，目前光波导在传感领域的应用越来越广泛，光波导传感器的巨大优势也逐渐凸显，例如灵敏度高、抗电磁干扰、对被测环境影响小等，而且光波导传感器适合在恶劣环境中工作，在生物、化学及多种工程工业领域，可用于强电磁辐射、强核辐射、强腐蚀性的复杂环境，特别是光波导传感器的集成化程度极高，能够极大地满足现代社会及各行业发展的需求。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种基于光学感应透明效应的小型形变传感器及其控制方法，由光学感应透明效应所产生的透射峰的最大透射率获得被测物体的形变，具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、抗腐蚀性能好、集成化程度高的优点。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于光学感应透明效应的小型形变传感器：

4、所述形变传感器包括光源1、直波导2、波导耦合区3、第一环形波导4、形变片5、第二环形波导6、光谱仪7和处理系统8；

5、所述光源1的光输出端连接直波导2的光输入端，直波导2与第一环形波导4在波导耦合区3处发生光耦合；

6、第一环形波导4的一部分波导固定在形变片5的表面，第二环形波导6的一部分波导固定在形变片5的表面；第一环形波导4与第二环形波导6在形变片5的表面发生光耦合；

7、直波导2的光输出端连接光谱仪7的光输入端，光谱仪7的电输出端连接处理系统8的电输入端，处理系统8的电输出端输出传感器输出信号。

8、进一步地，所述的形变片5为矩形片状物体，x轴和y轴构成二维直角坐标系，x轴和y轴的交点为形变片5的几何中心，形变片5的长边与x轴平行，形变片5的短边与y轴平行；

9、所述的第一环形波导4被固定在形变片5表面上的波导呈圆弧状，这段圆弧状波导与y轴的交点为a，圆弧状波导过a点的切线与x轴平行；

10、所述的第二环形波导6被固定在形变片5表面上的波导呈圆弧状，这段圆弧状波导与y轴的交点为b，圆弧状波导过b点的切线与x轴平行；

11、所述的第一环形波导4的半径在200μm至300μm之间；

12、所述的第二环形波导6的半径在200μm至300μm之间。

13、进一步地，光在所述第一环形波导4和第二环形波导6中传输一周的振幅透射系数均接近于0.7；

14、所述的波导耦合区3，直波导2与第一环形波导4在波导耦合区3处发生光耦合，在波导耦合区3处，光在直波导2内部的振幅透射系数和光在第一环形波导4内部的振幅透射系数均为0.28；

15、所述的第一环形波导4和第二环形波导6，第一环形波导4与第二环形波导6在形变片5的表面发生光耦合时，光在第一环形波导4内部的振幅透射系数和光在第二环形波导6内部的振幅透射系数相同；

16、所述的光源1的输出光的功率是恒定的，光的线宽至少是第一环形波导4的相邻谐振频率的频率间隔的800倍、且至少是第二环形波导6的相邻谐振频率的频率间隔的800倍。

17、进一步地，测量被测物体形变时，形变片5需固定在物体上，

18、当被测物体在与形变片5的短边平行的方向上变长时，在形变片5的表面上，第一环形波导4与第二环形波导6间相互耦合的距离增大，光在第一环形波导4内部的振幅透射系数和光在第二环形波导6内部的振幅透射系数增大，光学感应透明效应所产生的透射峰的最大透射率减小。

19、进一步地，当被测物体在与形变片5的短边平行的方向上变短时，在形变片5的表面上，第一环形波导4与第二环形波导6间相互耦合的距离减小，光在第一环形波导4内部的振幅透射系数和光在第二环形波导6内部的振幅透射系数减小，光学感应透明效应所产生的透射峰的最大透射率增大。

20、进一步地，处理系统8包括采集电路8-1、解析电路8-2和输出电路8-3；

21、采集电路8-1的电输入端为处理系统8的电输入端，输出电路8-3的电输出端为处理系统8的电输出端；

22、光谱仪7的电输出端连接采集电路8-1的电输入端，采集电路8-1的电输出端连接解析电路8-2的电输入端，解析电路8-2的电输出端连接输出电路8-3的电输入端，输出电路8-3的电输出端输出传感器输出信号。

23、一种基于光学感应透明效应的小型形变传感器的控制方法：

24、所述控制方法具体包括以下步骤：

25、步骤1，光源1的输出光经直波导2传输至波导耦合区3，由于直波导2与第一环形波导4在波导耦合区3处发生光耦合；

26、步骤2，光进入第一环形波导4，光在第一环形波导4中传输、并可在第一环形波导4中发生谐振，

27、第一环形波导4的一部分波导固定在形变片5的表面、第二环形波导6的一部分波导固定在形变片5的表面、且第一环形波导4与第二环形波导6在形变片5的表面发生光耦合；

28、步骤3，光由第一环形波导4进入第二环形波导6，光在第二环形波导6中传输、并可在第二环形波导6中发生谐振，

29、第一环形波导4与第二环形波导6在形变片5的表面发生光耦合，光由第二环形波导6进入第一环形波导4，光在第一环形波导4与第二环形波导6间相互耦合、并产生光学感应透明效应；

30、步骤4，产生光学感应透明效应后，光由直波导2输出进入光谱仪7，光谱仪7采集光谱，然后将光谱转化为光谱电压信号、并将光谱电压信号送入处理系统8，处理系统8进行电压信号采集、解析、并最终输出传感器输出信号。

31、进一步地，光谱仪7将透射谱电压信号送入采集电路8-1，采集电路8-1采集透射谱电压信号、并将透射谱电压信号送入解析电路8-2；

32、解析电路8-2获取透射谱电压信号中一个对称的光学感应透明效应所产生的透射峰、并获得此透射峰的最大透射率，解析电路8-2由此透射率得出被测物体的形变；

33、解析电路8-2将被测物体的形变信息送入输出电路8-3，输出电路8-3输出传感器输出信号，传感器输出信号包含被测物体的形变信息。

34、一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

35、一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

36、本发明有益效果

37、本发明测量被测物体形变时，形变片5需固定在物体上，同时，基于第一环形波导4和第二环形波导6在形变片5上的分布，本发明可以测量与形变片5的短边平行的方向上的形变；

38、本发明由光学感应透明效应所产生的透射峰的最大透射率获得被测物体的形变；本发明包含两个可发生光学谐振效应的环形波导，两环形波导相互耦合，产生光学感应透明效应，当被测物体发生形变时，会使两环形波导相互耦合时的光振幅透射系数产生变化，进而改变光学感应透明效应所产生的透射峰的最大透射率；

39、本发明具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、抗腐蚀性能好、集成化程度高的优点。