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Aug 25, 2023

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Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 7849 (2022) Citar este artículo

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Se propone y se demuestra experimentalmente un inclinómetro basado en interferómetro de Michelson (MI) en fibra, que consta de fibra empalmada por desalineación con recubrimiento final. La luz incidente dividida en la junta empalmada desalineada se refleja en el recubrimiento final y luego se vuelve a acoplar en el núcleo de la fibra. Debido a la diferencia de fase entre el modo central y el modo de revestimiento \(m{\text{th}}\), se forma un MI típico. La fibra cerca de la junta empalmada por desalineación se inserta en dos tubos capilares de cuarzo. La inclinación del tubo capilar de cuarzo conduce a una deformación y curvatura significativas de la junta empalmada por desalineación, lo que hace que cambien la longitud de onda y la intensidad del espectro MI. Los resultados experimentales indican una buena respuesta dentro del rango de ángulo de 0°–50°. Se realizan tanto la modulación de longitud de onda como la modulación de intensidad, con sensibilidades de 0,55 nm/grado y 0,17 dB/grado, respectivamente. Además, el sensor muestra una fuerte dependencia de la orientación debido a la estructura asimétrica en la junta empalmada por desalineación.

Los sensores de inclinación (también conocidos como inclinómetros) se usan ampliamente en muchas aplicaciones, incluido el monitoreo de la salud estructural, la predicción de deslizamientos de tierra, la medición geotécnica/civil y la detección de gestos. En los últimos años, los inclinómetros de fibra óptica son de gran interés debido a sus ventajas únicas de tamaño compacto, monitoreo remoto, insensibilidad a gases inflamables y explosivos1,2, etc. Se han desarrollado varios esquemas de inclinómetros de fibra óptica, que pueden ser principalmente se clasifican en dos tipos: los basados ​​en rejillas y los basados ​​en interferómetro3,4,5,6. Tome la rejilla de Bragg de fibra (FBG) como ejemplo, el preprocesamiento, como el pulido y el estrechamiento, puede acoplar la luz desde el núcleo hasta el revestimiento, lo que hace que la FBG sea sensible al cambio de ángulo7,8,9. Sin embargo, el preprocesamiento debilita la resistencia mecánica de la fibra, y los sensores generalmente sufrieron inestabilidad. Además, tanto la rejilla de Bragg de fibra inclinada (TFBG) como la rejilla de fibra de período largo (LPFG) son estructuras típicas para acoplar el modo de núcleo al modo de revestimiento, que se pueden aplicar como inclinómetros10,11,12. Sin embargo, las características de detección basadas en el espectro de transmisión limitan su aplicación donde sería preferible una sonda de un solo extremo (aplicaciones in vivo, por ejemplo)13. Como otro tipo de dispositivo de fibra óptica, los interferómetros en fibra con brazos de interferencia separados también son sensibles a la inclinación14. Por ejemplo, el cono fusionado se emplea para el acoplamiento de modos de núcleo a revestimiento, en los que se obtiene el espectro de interferencia15. Como la región cónica es suave y fácil de doblar, se han propuesto muchos inclinómetros basados ​​en conicidad fusionada16,17,18. El inconveniente de esta estructura es que el cono fusionado es fácil de romper y el rango de medición es pequeño. Además, diferentes fibras con desalineación de campo de modo de núcleo también se empalman para formar un interferómetro para medir la inclinación, como fibra de núcleo delgado19, fibra de cristal fotónico de núcleo hueco20,21, fibra de revestimiento múltiple22, etc. Este tipo de sensor exhibe alta sensibilidad, sin embargo, estas fibras especiales son caras y el proceso de fabricación es complicado23.

En este artículo, proponemos y demostramos experimentalmente un inclinómetro basado en interferómetro (MI) de Michelson utilizando una configuración simple: una fibra monomodo (SMF) empalmada por desalineación con recubrimiento final. A diferencia de las estructuras empalmadas por desalineación notificadas que se utilizan para medir la curvatura24, la flexión25,26 y la deformación, la sonda de detección propuesta se inserta en dos tubos capilares de cuarzo cerca de la unión empalmada por desalineación. La inclinación del tubo de cuarzo cambia la relación de acoplamiento entre el modo de núcleo y los modos de revestimiento, lo que resulta en el cambio del espectro de reflexión. De esta manera, se logra una medición de inclinación de alta sensibilidad. El inclinómetro muestra una alta sensibilidad de 0,55 nm/grados, lo que lo convierte en un buen candidato para medir la inclinación.

El diagrama esquemático de la configuración experimental se muestra en la Fig. 1a. Se emplean una fuente de banda ancha (BBS), un analizador de espectro óptico (OSA), un controlador de polarización (PC) y un circulador óptico para monitorear el espectro de interferencia. El estado de polarización de la luz incidente es controlado por la PC de tres anillos. La Figura 1b muestra el diagrama esquemático del inclinómetro basado en MI. El eje de la fibra se define como el eje z. Dos secciones de fibra están empalmadas desalineadas, donde el eje y está desplazado y el eje x está alineado. El lado izquierdo de la junta empalmada por desalineación se define como "fibra de entrada", y el lado derecho se define como "fibra empalmada por desalineación", como se indica en la Fig. 1b. Se recubre una película de cobre en el extremo de la fibra empalmada por desalineación. La fibra de entrada y la fibra empalmada por desalineación se insertan en dos tubos capilares de cuarzo, respectivamente. La distancia entre estos dos tubos capilares es de unos pocos milímetros. El tubo capilar izquierdo está fijo y el tubo capilar derecho se puede girar libremente para que se pueda ajustar el ángulo de la fibra. La imagen de la junta empalmada por desalineación se muestra en la Fig. 1b.

( a ) Diagrama esquemático de la configuración experimental. (b) Diagrama esquemático del inclinómetro.

Como se muestra en la figura 1b, la luz incidente de la fibra de entrada se divide en dos partes en la unión empalmada por desalineación. Una parte de la luz se acopla al núcleo de la fibra empalmada por desalineación como modo de núcleo, y otra parte se acopla al revestimiento de la fibra empalmada por desalineación como modos de revestimiento. Estas dos partes de la luz se reflejan en la película de cobre y luego se vuelven a acoplar en el núcleo y el revestimiento de la fibra de entrada en la unión empalmada por desalineación. El modo de núcleo reacoplado y los modos de revestimiento en el núcleo de la fibra de entrada se utilizan para la detección de ángulos.

Debido a la diferencia de fase del modo de núcleo reacoplado y los modos de revestimiento, se forma un MI típico en el núcleo de la fibra de entrada. La franja de interferencia se puede observar en el espectro de reflexión, que se puede expresar como:

donde \(I_{co}\) y \(I_{cl}^{m}\) son la intensidad de luz del modo central y el modo de revestimiento \(m{\text{th}}\). \(R\) es la reflectividad de la película de cobre, y su valor suele ser superior a 0,8. \(\varphi^{m}\) es la diferencia de fase entre el modo central y el modo de revestimiento \(m{\text{th}}\), que se puede escribir como:

donde \(L_{co}\) y \(L_{cl}^{m}\) son la longitud de propagación del modo central y el modo de revestimiento \(m{\text{th}}\). \(\lambda\) es la longitud de onda de la luz incidente del MI. \(n_{eff}^{co}\) y \(n_{eff}^{m,cl}\) son los índices de refracción efectivos del modo central y el \(m{\text{th}}\) modo de revestimiento, respectivamente. Cuando la diferencia de fase satisface la condición:

aparece una caída de transmisión en:

cuando el tubo de cuarzo capilar se dobla e inclina, el ángulo de incidencia de la luz en la junta empalmada por desalineación cambia, por lo que la diferencia de fase entre el modo central y el modo de revestimiento \(m{\text{th}}\) cambia respectivamente. De esta manera, se ha producido un cambio de longitud de onda del espectro de interferencia. Además, a medida que aumenta la curvatura de la fibra empalmada por desalineación, se acopla más luz desde el núcleo al revestimiento, por lo que la intensidad del espectro de interferencia se reduce en consecuencia.

Se insertan dos secciones de SMF (Corning, SMF-28e) en dos tubos capilares de cuarzo y, luego, se empalman desalineados usando un empalmador de fusión comercial (FURUKAWA, S178) en un modo personalizado. Los diámetros del núcleo de fibra y del revestimiento son de 9,2 μm y 125 μm, respectivamente. Se deposita una película de cobre en el extremo cortado de la fibra empalmada por desalineación mediante pulverización catódica con magnetrón (ULVAC, ACS-4000-C4). El espesor de la película es de 60 nm. El tubo de cuarzo se fija a la fibra mediante adhesivo de resina epoxi (Henkel, E-120HP). La distancia entre estos dos tubos capilares es de ~ 3,5 mm.

De acuerdo con la teoría de interferencia de Michelson, el contraste de franjas depende de la relación de acoplamiento y la pérdida de transmisión de luz. El grado de las compensaciones del núcleo afecta la relación de acoplamiento, y la longitud de la fibra empalmada por desalineación afecta la pérdida de transmisión del modo del núcleo y los modos del revestimiento. Por lo tanto, es importante mejorar la longitud de la fibra empalmada con desalineación y el desplazamiento del núcleo de la junta de empalme, para mejorar el contraste de la franja.

Se fabrican cuatro muestras de MI con un desplazamiento central de 6 μm y diferentes longitudes de 1, 2, 4 y 8 cm. Cada muestra de MI exhibe un contraste de franja distinto y un rango de espectro libre en el espectro de interferencia, como se muestra en la Fig. 2. Se puede encontrar que la muestra de MI con una longitud de fibra más corta tiene un contraste de franja más pequeño. La muestra MI con una longitud de fibra de 1 cm tiene el mayor contraste de franjas. Sin embargo, la fibra corta es difícil de operar en el empalmador de fusión, por lo que la fibra empalmada con desalineación con una longitud de 2 cm se selecciona en el siguiente experimento.

Espectros de interferencia de las cuatro muestras de MI con compensación de núcleo de 6 μm y diferentes longitudes de 1, 2, 4 y 8 cm.

Además, el desplazamiento del núcleo de la junta empalmada por desalineación se mejora moviendo los motores de dirección x e y en la empalmadora por fusión. Se fabrican seis muestras de MI con una longitud de fibra de 2 cm y diferentes compensaciones de núcleo de 1, 2, 4, 8, 10 y 12 μm. Los espectros de interferencia se muestran en la Fig. 3. La muestra MI con un desplazamiento de 12 μm obtiene la relación de contraste máxima pero sufre una gran pérdida de inserción. Entonces, existe una compensación entre la compensación del núcleo y la pérdida de inserción. En el siguiente experimento, el desplazamiento del núcleo de la junta empalmada por desalineación se selecciona para que sea de 8 μm.

Espectros de interferencia de las muestras de MI con una longitud de 2 cm y compensaciones de núcleo de 1, 2, 4, 8, 10 y 12 μm.

Con la configuración experimental representada en la Fig. 1a, se caracteriza el rendimiento de inclinación del inclinómetro. Se seleccionan los parámetros optimizados, es decir, longitud de fibra empalmada con desalineación de 2 cm y desplazamiento del núcleo de 8 μm. Como se muestra en la Fig. 4, el espectro de interferencia exhibe un contraste marginal de alrededor de 12 dB. La pérdida de inserción es de aproximadamente −31 dB, que es aproximada a la de otros dispositivos de fibra basados ​​en el interferómetro Sagnac (aproximadamente −42 dB) y el interferómetro Mach-Zehnder (aproximadamente −32 dB)27. La longitud de onda y el contraste de franjas del valle de interferencia cerca de 1553,2 nm se utilizan como indicador para la medición de la inclinación, como se muestra en el cuadro discontinuo de la Fig. 4.

Espectro de interferencia del sensor con longitud de fibra empalmada desalineada de 2 cm y desplazamiento del núcleo de 8 μm.

El experimento se lleva a cabo a temperatura ambiente constante (22,5 °C). El ángulo de inclinación varía de 0° a 50°, con un paso de 5°. Se utiliza un medidor de ángulo electrónico (RION, DMI410) con una precisión de 0,05° para proporcionar un ángulo estándar. Los valles de interferencia con ángulo creciente se muestran en la Fig. 5, que muestran la característica de ángulo fuerte. La orientación del ángulo es a lo largo del eje y, como se muestra en el recuadro.

Algunos valles de interferencia del inclinómetro con el ángulo de 0° y 50°.

La longitud de onda y la intensidad de los valles de interferencia se trazan en función del ángulo, como se muestra en la Fig. 6a,b, respectivamente. Cuando el ángulo aumenta de 0° a 50°, el valle de interferencia se desplaza hacia la longitud de onda más larga y la intensidad aumenta. Es obvio que la respuesta del sensor al ángulo no es lineal. Esto se debe a que se acopla más luz desde el núcleo al revestimiento a medida que el ángulo aumenta, y los modos del revestimiento son más sensibles a la flexión circundante. Además, la junta empalmada por desalineación soporta una tensión extremadamente grande en el caso de un ángulo grande, lo que aumenta la diferencia de fase entre el modo de núcleo y el modo de revestimiento de alto orden. Las curvas de respuesta de la longitud de onda y la intensidad se obtienen por ajuste cuadrático, la ecuación de ajuste se da en la figura. En el rango del ángulo de inclinación de 0° a 20°, la respuesta del sensor muestra una buena linealidad. Se obtienen una sensibilidad de longitud de onda de 0,55 nm/grado y una sensibilidad de intensidad de 0,17 dB/grado.

La respuesta de longitud de onda (a) e intensidad (b) con respecto a diferentes ángulos de inclinación.

Aunque hay una PC de tres anillos en la Fig. 1a, debe tenerse en cuenta que los resultados experimentales no se ven afectados por el estado de polarización en el rango de ángulo de 0° a 50°. Solo cuando el ángulo de inclinación aumenta aún más (generalmente más de 70 °), los resultados experimentales se ven afectados por el estado de polarización. Surgirá una nueva caída en la región de longitud de onda más corta sin un controlador de polarización. Este fenómeno es consistente con la Referencia 28 y es causado por cambios en el estado de polarización.

Para estudiar la dependencia de la orientación del inclinómetro, se demuestra la respuesta del ángulo sobre las orientaciones que van desde 0° a 360°. Hay cuatro capas de revestimiento en la fibra de entrada a 150 mm de distancia de la junta empalmada por desalineación. La fibra y estas fundas están firmemente unidas con adhesivo de resina epoxi. El diámetro exterior de la vaina más exterior es de 6 mm. Las graduaciones a intervalos de 20° están marcadas alrededor de la vaina exterior. De esta forma, la orientación de la fibra de entrada se puede determinar de acuerdo con la graduación. Cuando la fibra se coloca en la empalmadora, gire la vaina para asegurarse de que la escala de 0° esté en la parte superior, de modo que se pueda determinar la orientación de la junta empalmada desalineada. La figura 7 traza la sensibilidad de la longitud de onda y la sensibilidad de la intensidad en diferentes orientaciones, lo que muestra claramente la fuerte dependencia de la orientación del inclinómetro. La respuesta del ángulo en todas las orientaciones no es lineal, similar a la Fig. 6. Los datos en el rango lineal de 0°–20° se usan para indicar la sensibilidad en la orientación correspondiente en la Fig. 7.

Dependencia angular del inclinómetro con respecto a diferentes orientaciones.

Como se puede ver en la Fig. 7, la sensibilidad máxima está en el eje y, y la sensibilidad mínima está en el eje x. Esto es fácil de entender ya que la orientación del eje y tiene la mayor desalineación en la junta empalmada con desalineación, mientras que la orientación del eje x tiene poca desalineación. Todavía hay algunos errores en la Fig. 7, que pueden deberse a las siguientes razones: los dos tubos capilares están colocados de manera incompleta en el mismo plano del horizonte debido al desplazamiento de la fibra, lo que puede agregar un ángulo de desviación a la inclinación; el giro mecánico del sensor puede provocar errores. Para las aplicaciones en el campo, la fluctuación de la temperatura ambiente siempre conduce al deterioro del rendimiento del sensor y a un gran error de medición.

Se caracteriza la respuesta de temperatura del inclinómetro propuesto. El inclinómetro se coloca en un horno tubular (SIGMA, OTF60). La temperatura en el horno sube gradualmente de 20 a 60 °C con un paso de 5 °C y se mantiene a cada temperatura durante ~ 30 min. Se utiliza un termómetro (FLUKE, 1551A) con una precisión de ± 0,05 °C para controlar la temperatura en el horno tubular en tiempo real. El espectro se recoge cuando la temperatura es estable. Como se muestra en la Fig. 8a, la longitud de onda del valle de interferencia se desplaza linealmente hacia la longitud de onda más larga con una sensibilidad de 36,7 pm/°C. El cambio espectral es causado por la diferencia del índice de refracción efectivo entre el modo del núcleo y los modos del revestimiento, que es inducido por el aumento de la temperatura29. Dado que la longitud de onda aumenta linealmente, la influencia de la temperatura se puede eliminar de manera efectiva mediante la introducción de un FBG comercial. La Figura 8b muestra la intensidad del valle de interferencia a diferentes temperaturas. La variación de intensidad máxima durante todo el proceso de calentamiento es inferior a 0,42 dB. Significa que la sensibilidad cruzada del ángulo de temperatura de la demodulación de intensidad es de solo ~ 0,062 grados/°C.

Respuesta de temperatura del inclinómetro de 20 a 60 °C.

El interferómetro en fibra basado en el empalme por desalineación es una estructura clásica para la medición de la curvatura, la flexión y la deformación. En nuestra investigación, se demuestra un inclinómetro basado en MI en fibra compacto y reflectante. El dispositivo propuesto se fabrica mediante desalineación-empalme y revestimiento final. La fibra se inserta en dos tubos capilares de cuarzo cerca de la unión empalmada por desalineación, lo que la hace muy sensible al ángulo de inclinación. El inclinómetro presenta una fuerte dependencia de la orientación debido a la estructura asimétrica. También se caracteriza la respuesta de temperatura del inclinómetro y se puede utilizar la compensación de temperatura para eliminar el error inducido por la temperatura. El inclinómetro tiene las ventajas de un tamaño compacto, alta sensibilidad y puede proporcionar detección remota como sonda de reflexión, lo que lo convierte en un buen candidato para la medición de la inclinación en muchas aplicaciones.

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Departamento de Ingeniería Electrónica, Instituto de Tecnología de Taiyuan, Taiyuan, 030000, China

Huajie Wang, Laifang Zheng, Junsheng Zhang y Jijun Liu

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El trabajo fue realizado en colaboración de todos los autores. HW diseñó, analizó y escribió este documento; LZ y JZ redacción-revisión y edición, JL preparó las Figs. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Huajie Wang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Wang, H., Zheng, L., Zhang, J. et al. Inclinómetro de fibra óptica dependiente de la orientación basado en un interferómetro michelson de compensación del núcleo. Informe científico 12, 7849 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12089-5

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Recibido: 04 noviembre 2021

Aceptado: 26 abril 2022

Publicado: 12 mayo 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12089-5

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