[發(fā)明專利]一種白光干涉式纖維集成扭轉(zhuǎn)傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711191043.2
• 申請日: 2017-11-24
• 公開（公告）號: CN109839080B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 苑立波;李文超
• 申請（專利權(quán)）人: 桂林電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26;G01P13/02;G02B6/255;G02B6/26
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本發(fā)明公開了一種白光干涉式纖維集成扭轉(zhuǎn)傳感器，其主要特征是：該傳感器是由雙包層光纖1、螺旋四芯光纖2以及端面反射膜3等部分組成，集成于一根光纖上的扭轉(zhuǎn)傳感器。本發(fā)明所給出的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)扭轉(zhuǎn)角度以及扭轉(zhuǎn)的方向同時測量，由于本發(fā)明的固有特性使其在高溫條件下尤為適用。另外，還具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種白光干涉式纖維集成扭轉(zhuǎn)傳感器。

(二)背景技術(shù)

扭轉(zhuǎn)這個物理量是體現(xiàn)出設(shè)備、部件等內(nèi)部情況的重要參數(shù)，所以對于扭轉(zhuǎn)的測量一直是大家研究的重點(diǎn)對象。扭轉(zhuǎn)傳感器是對各種旋轉(zhuǎn)的或者是非旋轉(zhuǎn)的部件上對扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢測。傳統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)傳感器均是基于電學(xué)或者電磁感應(yīng)的原理而進(jìn)行的扭轉(zhuǎn)測量，此類傳感器容易受到電磁干擾，且體積龐大。新生代基于光纖的扭轉(zhuǎn)傳感器多是基于光纖光柵的扭轉(zhuǎn)傳感器，具有其體積小、易彎折、重量輕等特點(diǎn)，更重要的是不受電磁干擾的特性備受青睞，被廣泛應(yīng)用于扭轉(zhuǎn)的測量。發(fā)明專利CN105466362A提出了一種基于相移光纖布拉格光柵的扭轉(zhuǎn)傳感器，相移光纖布拉格光柵發(fā)生扭轉(zhuǎn)后，透射譜的單個透射峰分裂成兩個透射峰，然后對兩個透射峰的幅值差值進(jìn)行編碼、解碼進(jìn)而得到扭轉(zhuǎn)角度和扭轉(zhuǎn)方向。申請人于2011年公開了一種基于非對稱雙芯光纖的扭轉(zhuǎn)傳感器(公告號：CN102288136B)，利用非對稱的雙芯光纖將參考臂和傳感臂集成在一個光纖中，避免了復(fù)雜的光柵寫入等繁雜的步驟，制作也更加低廉、方便，成本更低。

多芯光纖提出于上世紀(jì)七十年代，目的是為了解決降低光纖光纜的成本問題以及提高光纖光纜密集度的問題。隨著多芯光纖技術(shù)的發(fā)展，多芯光纖的應(yīng)用愈加廣泛，不僅僅應(yīng)用于光通信領(lǐng)域，更廣泛的應(yīng)用于光纖激光器、光纖光學(xué)器件以及光纖傳感領(lǐng)域。

熱擴(kuò)散耦合技術(shù)提出于上世紀(jì)九十年代，目的在于解決不同光纖的對準(zhǔn)、耦合等問題。近年來由于其成本低、插損低等特點(diǎn)得到了廣泛的研究與發(fā)展，應(yīng)用于光纖通信中的隔離器件以及濾波器件等。

本發(fā)明所提供的白光干涉式纖維集成扭轉(zhuǎn)傳感器解決了以往光纖扭轉(zhuǎn)傳感器機(jī)械強(qiáng)度差、解調(diào)依賴光譜儀導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜，成本高昂等問題。可以實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)方向以及扭轉(zhuǎn)角度同時測量，而且多芯光纖同時測量，可以消除環(huán)境溫度、應(yīng)力等其它因素的交叉影響。而且，由于傳感器僅是一根多芯光纖并且是熔接而成，沒有任何用于連接的接插件，所以在高溫條件下幾乎沒有影響，尤其適用于高溫條件下的扭轉(zhuǎn)測量，其獨(dú)特性是其它傳感器系統(tǒng)所不能替代的。

(三)發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種白光干涉式纖維集成扭轉(zhuǎn)傳感器，可用于高溫條件下的扭轉(zhuǎn)測量。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：該光纖傳感器是由雙包層光纖1、螺旋四芯光纖2以及端面反射膜3等部分組成。雙包層光纖1、螺旋四芯光纖2熔接在一起，在螺旋四芯光纖端面鍍金屬反射膜3，形成一種白光干涉式纖維集成扭轉(zhuǎn)傳感器。

本發(fā)明中使用了一種特殊的光纖——雙包層光纖(光纖結(jié)構(gòu)如圖1所示)、菲涅爾反射定律以及熱擴(kuò)散效應(yīng)。圖1中所示的特殊光纖折射率分為三層，分別為n₁、n₂和n₃，它們之間的關(guān)系是n₁n₂n₃(假設(shè)螺旋四芯光纖纖芯以及包層折射率分別為n₂和n₃)。當(dāng)一段這種特殊光纖與螺旋四芯光纖焊接到一起時，兩端光纖連接面如圖1所示，由于二者存在折射率差，光束在此處會有部分反射、部分投射，反射率R由菲涅爾反射定律可推導(dǎo)：

兩光纖之間的折射率差約為0.01，通過公式(1)即可估算出光束在連接面反射率約為3.33*10^-5。這說明在連接處僅有10^-5量級的光信號發(fā)生反射，其余的光透射到螺旋四芯光纖中。