一种布拉格光栅柔性振动传感结构的制作方法

本发明涉及布拉格光栅，特别是一种布拉格光栅柔性振动传感结构。

背景技术：

1、常用的布拉格光栅结构主要有两类：一类是光纤布拉格光栅结构，该类光栅结构具备抗电磁干扰、体积小、可动态测量、灵敏度高等优点，但由于易受温度等因素影响，其在恶劣检测环境中比如高湿度、温差大或者在大应变下很难进行准确传感。另一类是布拉格体光栅，该类光栅也具备了抗电磁干扰等优点，但存在制备成本较高、制备流程复杂以及变形量小等问题。

技术实现思路

1、为克服现有技术存在的变形量小、制备流程复杂等不足，本发明的目的在于提供一种可用于振动传感的布拉格光栅柔性振动传感结构，属于一种布拉格体光栅结构，使其具有不受电磁干扰、制备流程简单、成本低的优点，同时不受温度干扰，无需进行温度补偿，且可调整弹性材料的比例来进行形变量程上的设计。

2、本发明采用如下的技术方案：一种布拉格光栅柔性振动传感结构，其包括位于上层的第一弹性材料层、位于下层的第二弹性材料层、设在两弹性材料层之间包含高折射率材料镀层的布拉格光栅、入射光源和光接收器，入射光源射出的光线与布拉格光栅周期方向平行；

3、所述布拉格光栅包括设在第一弹性材料层边界表面的上光栅、设在第二弹性材料层边界表面的下光栅及位于上下光栅之间的高折射率材料镀层；第一弹性材料层、布拉格光栅和第二弹性材料层连成一体；

4、所述第二弹性材料层的下方设有滑块，所述滑块与第二弹性材料层之间通过连动件连接，实现两者的连动；通过滑块的移动实现第一弹性材料层、第二弹性材料层和布拉格光栅的形变。

5、根据布拉格光栅原理，输入光经过布拉格光栅后的输出透射光会出现明显的透射谷或输出反射光有明显的反射峰，而第一弹性材料和第二弹性材料具有良好的拉伸和回弹效果；当用于振动传感时，滑块的移动可带动布拉格光栅发生振动，而振动产生的形变导致光栅周期和占空比变化，从而导致透射谷或反射峰波长位移，通过共振波长(透射谷或反射峰波长)的实时变化，即可得出振动信号相关参数，如频率和振幅。

6、通过调整滑块的质量可以调整振动传感器的振幅和振动频率响应范围。

7、作为上述技术方案的一种具体实施方式如下：

8、进一步地，所述的连动件与滑块均为一个，所述第二弹性材料层的一侧与第一侧板固定连接，另一侧为活动侧，通过所述的连动件与滑块连接。

9、进一步地，所述的布拉格光栅柔性振动传感结构还包括一位于第一侧板外侧的支架，该支架上安装准直透镜和所述的入射光源，入射光源连接入射光纤。

10、进一步地，所述的布拉格光栅柔性振动传感结构还包括第二侧板，该第二侧板上安装所述的光接收器，所述的第二侧板与第二弹性材料层的另一侧之间形成供布拉格光栅形变的空间，所述的光接收器连接出射光纤。

11、进一步地，所述的滑块套在一滑杆上，该滑杆的两端分别与第一侧板和第二侧板固定连接。

12、作为上述技术方案的另一种具体实施方式如下：

13、进一步地，所述的滑块和连动件均有两个，所述第二弹性材料层的两侧均通过连动件与对应的滑块连接；第二弹性材料层的一侧设有第一侧板，该第一侧板和与其对应的连动件之间设有一感应弹簧。通过感应弹簧来进一步调整固有振动频率和振幅。

14、进一步地，所述的第一侧板上安装准直透镜和所述的入射光源，入射光源连接入射光纤。

15、进一步地，所述的布拉格光栅柔性振动传感结构，还包括第二侧板，该第二侧板上安装所述的光接收器，所述的第二侧板与第二弹性材料层的另一侧之间设有供布拉格光栅形变的空间，所述的光接收器连接出射光纤。

16、进一步地，所述的两个滑块套在一滑杆上，该滑杆的两端分别与第一侧板和第二侧板固定连接。

17、更进一步地，所述布拉格光栅的制作方法如下：

18、在硅基底上进行深硅刻蚀操作，或在玻璃基底上进行光刻操作，得到深宽比≥1的硅光栅或玻璃基底光栅结构；用镍板制备方法在镍板上转印光栅结构得到镍光栅；利用弹性材料在镍光栅上倒膜得到深宽比≥1的下光栅；在所述的下光栅上蒸镀高折射率材料，得到高折射率材料包裹的下光栅；再用弹性材料填充下光栅的空隙并覆盖高折射率材料镀层形成上光栅，从而得到布拉格光栅。

19、本发明具有的有益效果如下：本发明的制作成本低，制作流程不复杂，通过改变弹性材料(如pdms)配比可改变其弹性模量及泊松比、改变光栅占空比和镀层厚度，以此改变形变范围以及可测量程；且弹性材料热膨胀系数低，不易受温度影响，可不用进行温度补偿的测量。本发明的弹性材料本身就可替代现有许多布拉格光栅振动传感器所述的弹簧、弹片、铰链等部件，保证了结构的简易性。

技术特征：

1.一种布拉格光栅柔性振动传感结构，其特征在于，包括位于上层的第一弹性材料层(1)、位于下层的第二弹性材料层(2)、设在两弹性材料层之间的布拉格光栅(3)和入射光源(7)和光接收器(8)，入射光源(7)射出的光线与布拉格光栅(3)周期方向平行；

2.根据权利要求1所述的布拉格光栅柔性振动传感结构，其特征在于，所述的连动件(13)与滑块(10)均为一个，所述第二弹性材料层(2)的一侧与第一侧板(11)固定连接，另一侧为活动侧，通过所述的连动件(13)与滑块(10)连接。

3.根据权利要求2所述的布拉格光栅柔性振动传感结构，其特征在于，还包括一位于第一侧板(11)外侧的支架(14)，该支架(14)上安装准直透镜(6)和所述的入射光源(7)，入射光源(7)连接入射光纤(4)。

4.根据权利要求2所述的布拉格光栅柔性振动传感结构，其特征在于，还包括第二侧板(12)，该第二侧板上安装所述的光接收器(8)，所述的第二侧板(12)与第二弹性材料层(2)的另一侧之间形成供布拉格光栅(3)形变的空间，所述的光接收器(8)连接出射光纤(5)。

5.根据权利要求4所述的布拉格光栅柔性振动传感结构，其特征在于，所述的滑块(10)套在一滑杆(9)上，该滑杆(9)的两端分别与第一侧板(11)和第二侧板(12)固定连接。

6.根据权利要求1所述的布拉格光栅柔性振动传感结构，其特征在于，所述的滑块(10)和连动件(13)均有两个，所述第二弹性材料层(2)的两侧均通过连动件(13)与对应的滑块(10)连接；第二弹性材料层(2)的一侧设有第一侧板(11)，该第一侧板(11)和与其对应的连动件(13)之间设有一感应弹簧(15)。

7.根据权利要求6所述的布拉格光栅柔性振动传感结构，其特征在于，所述的第一侧板(11)上安装准直透镜(6)和所述的入射光源(7)，入射光源(7)连接入射光纤(4)。

8.根据权利要求6所述的布拉格光栅柔性振动传感结构，其特征在于，还包括第二侧板(12)，该第二侧板上安装所述的光接收器(8)，所述的第二侧板(12)与第二弹性材料层(2)的另一侧之间设有供布拉格光栅(3)形变的空间，所述的光接收器(8)连接出射光纤(5)。

9.根据权利要求8所述的布拉格光栅柔性振动传感结构，其特征在于，所述的两个滑块(10)套在一滑杆(9)上，该滑杆(9)的两端分别与第一侧板(11)和第二侧板(12)固定连接。

10.根据权利要求1-9任一项所述的布拉格光栅柔性振动传感结构，其特征在于，所述布拉格光栅的制作方法如下：

技术总结
本发明公开了一种布拉格光栅柔性振动传感结构。本发明包括位于上层的第一弹性材料层、位于下层的第二弹性材料层、设在两弹性材料层之间的布拉格光栅、入射光源和光接收器，入射光源射出的光线与布拉格光栅周期变化方向平行；第一弹性材料层、布拉格光栅和第二弹性材料层连成一体；第二弹性材料层的下方设有滑块，滑块与第二弹性材料层之间通过连动件连接，实现两者的连动，通过滑块的移动实现布拉格光栅的形变。滑块的移动可带动布拉格光栅发生振动，而振动产生的形变导致光栅周期和占空比变化，从而导致采集的透射光谱中的透射谷或反射光谱中的反射峰波长位移，即波导共振波长发生位移；通过共振波长的实时变化，即可得出振动信号相关参数。

技术研发人员：王劭鹤,陈孝信,郑一鸣,王绍安,赵琳,叶志成,佘乾开,林伟强,王丰华
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19