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Aug 25, 2023

Orientação

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 7849 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Um inclinômetro baseado em interferômetro de Michelson (MI) em fibra, que consiste em fibra emendada com desalinhamento com revestimento final, é proposto e demonstrado experimentalmente. A luz incidente dividida na junta emendada com desalinhamento é refletida no revestimento final e, em seguida, reacoplada no núcleo da fibra. Devido à diferença de fase entre o modo core e o modo \(m{\text{th}}\) cladding, um MI típico é formado. A fibra perto da junta emendada com desalinhamento é inserida em dois tubos capilares de quartzo. A inclinação do tubo capilar de quartzo leva a uma deformação e curvatura significativas da junta emendada com desalinhamento, o que faz com que o comprimento de onda e a intensidade do espectro MI mudem. Os resultados experimentais indicam uma boa resposta dentro da faixa de ângulo de 0°–50°. Tanto a modulação de comprimento de onda quanto a modulação de intensidade são realizadas, com sensibilidades de 0,55 nm/deg e 0,17 dB/deg, respectivamente. Além disso, o sensor mostra uma forte dependência de orientação devido à estrutura assimétrica na junta emendada com desalinhamento.

Os sensores de inclinação (também conhecidos como inclinômetros) são amplamente utilizados em muitas aplicações, incluindo monitoramento de saúde estrutural, previsão de deslizamento de terra, medição geotécnica/civil e detecção de gestos. Nos últimos anos, os inclinômetros de fibra óptica são de grande interesse devido às suas vantagens únicas de tamanho compacto, monitoramento remoto, insensibilidade a gases inflamáveis ​​e explosivos1,2, etc. Vários esquemas de inclinômetros de fibra óptica foram desenvolvidos, que podem ser principalmente classificados em dois tipos: os baseados em grades e os baseados em interferômetros3,4,5,6. Tome a grade de Bragg de fibra (FBG) como exemplo, o pré-processamento, como polimento e afunilamento, pode acoplar a luz do núcleo ao revestimento, tornando o FBG sensível à mudança de ângulo7,8,9. No entanto, o pré-processamento enfraquece a resistência mecânica da fibra e os sensores geralmente sofrem instabilidade. Além disso, tanto a grade de Bragg de fibra inclinada (TFBG) quanto a grade de fibra de longo período (LPFG) são estruturas típicas para acoplar o modo de núcleo ao modo de revestimento, que podem ser aplicados como inclinômetros10,11,12. No entanto, as características de detecção baseadas no espectro de transmissão limitam sua aplicação onde uma sonda de extremidade única seria preferível (aplicações in vivo, por exemplo)13. Como outro tipo de dispositivo de fibra óptica, os interferômetros de fibra com braços de interferência separados também são sensíveis à inclinação14. Por exemplo, o cone fundido é empregado para o acoplamento dos modos núcleo-revestimento, nos quais o espectro de interferência é obtido15. Como a região cônica é macia e fácil de dobrar, muitos inclinômetros baseados em cone fundido foram propostos16,17,18. A desvantagem dessa estrutura é que o cone fundido é fácil de ser quebrado e a faixa de medição é pequena. Além disso, diferentes fibras com desalinhamento de campo de modo de núcleo também são emendadas para formar um interferômetro para medição de inclinação, como fibra de núcleo fino19, fibra de cristal fotônico de núcleo oco20,21, fibra multicladding22, etc. sensibilidade, no entanto, essas fibras especiais são caras e o processo de fabricação é complicado23.

Neste artigo, propomos e demonstramos experimentalmente um inclinômetro baseado no interferômetro de Michelson (MI) usando uma configuração simples: uma fibra monomodo (SMF) emendada com desalinhamento com revestimento final. Diferente das estruturas emendadas com desalinhamento relatadas usadas para curvatura24, flexão25,26 e medição de deformação, a sonda sensora proposta é inserida em dois tubos capilares de quartzo próximos à junta emendada com desalinhamento. A inclinação do tubo de quartzo altera a relação de acoplamento entre o modo de núcleo e os modos de revestimento, resultando na mudança do espectro de reflexão. Desta forma, a medição de inclinação altamente sensível é alcançada. O inclinômetro mostra uma alta sensibilidade de 0,55 nm/deg, o que o torna um bom candidato para medição de inclinação.