[實用新型]一種基于四芯光纖的矢量彎曲傳感裝置

有效

• 申請號: 201721128838.4
• 申請日: 2017-09-05
• 公開（公告）號: CN207215179U
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 陳達如;李海濤;郁張維;強則煊
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 杭州奧創知識產權代理有限公司33272
• 代理人: 王佳健

技術領域

本實用新型涉及光纖傳感研究領域，具體涉及一種基于四芯光纖同時獲得彎曲方向和彎曲曲率半徑的矢量彎曲傳感裝置。

背景技術

光纖彎曲傳感器已經成為廣泛應用的光纖傳感之一，具有不受電磁場影響、絕緣性好、靈敏度高、體積小等優點。光纖彎曲傳感器是實現長期及實時在線結構健康監測的關鍵器件，對于保障大型設施的安全、防治惡性以及災難性事故的發生具有極其重要的意義。

目前的主流光纖彎曲傳感器是基于光纖布拉格光柵的光纖彎曲傳感器，其實現方案是將光纖布拉格光柵固定在某一需要測量彎曲的被測件上，利用被測件彎曲對光纖布拉格光柵產生拉伸或者擠壓從而出現可測量的反射波長漂移的原理實現彎曲傳感，其缺點是一個傳感器僅能獲得彎曲曲率信息而無法同時獲得彎曲方向信息。其它光纖彎曲傳感器包括基于FP腔、光纖耦合效應等原理，目前也只能獲得彎曲曲率信息，不能識別彎曲方向。

發明內容

本實用新型針對現有技術不足，提出了一種基于四芯光纖同時獲得彎曲方向和彎曲曲率半徑的矢量彎曲傳感裝置。

本實用新型包括光纖環形器、寬帶光源、光譜儀、刻寫有光纖布拉格光柵的四芯光纖，所述的光纖環形器三個接頭分別接寬帶光源、光譜儀和四芯光纖；寬帶光經過環形器進入四芯光纖的光纖布拉格光柵，某一波長的光被光纖布拉格光柵的反射回來，再經過環形器返回光譜儀，通過記錄四個光纖布拉格光柵的反射波長變換來確定四芯光纖彎曲方向及彎曲曲率半徑。

本實用新型具有結構簡單、成本低、傳感精度高等優點。

附圖說明

附圖1為本實用新型的裝置示意圖。

附圖2為本實用新型中的四芯光纖截面圖示意圖。

附圖3為本實用新型中的四芯光纖布拉格光柵結構示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本實用新型所使用的裝置包括：寬帶光源1，光譜儀2，光纖環形器3，刻寫光纖布拉格光柵的四芯光纖4。寬帶光源1發出波長為1500nm至1600nm的光，進入光纖環形器3，當寬帶光經過光纖環形器3進入四芯光纖4的光纖布拉格光柵，其中部分光被光纖布拉格光柵反射回來，再經過光纖環形器3注入光譜儀2，通過光譜儀2測量計算四個光纖布拉格光柵反射波長及x軸和y軸上相應兩個波長變化量dλ_x和dλ_y，根據測量原理計算獲得θ、R_b的數值，從而確定四芯光纖彎曲方向及彎曲曲率半徑。

本實用新型的測量原理為：本實用新型使用的四芯光纖(橫截面如圖2)，四個光纖纖芯對稱分布在四芯光纖中，每個纖芯與四芯光纖中心點之間距離是L，四個光纖纖芯直徑為D。在四芯光纖中每一個纖芯上刻寫一個光纖布拉格光柵，光源打進去之后會有某一特定波長的光反射回來，具體公式是λ＝2n_effΛ，其中λ是反射回的光波長，n_eff是四芯光纖中光纖布拉格光柵的有效折射率，Λ是布拉格光柵的間距(如圖3)。建立x-y-z三維坐標軸(如圖2所示)，垂直于紙面向里為z方向。當四芯光纖處于垂直狀態(平行于z坐標軸)的時候，在光譜儀上即可看到光纖光柵反射光譜圖，四個光纖纖芯①②③④上的光纖布拉格光柵對應四個中心波長λ₁₀、λ₂₀、λ₃₀、λ₄₀，以四芯光纖的纖芯③①方向為x軸(波長差Δλ_x0＝λ₃₀-λ₁₀)，纖芯④②方向為y軸(波長差Δλ_y0＝λ₄₀-λ₂₀)。當四芯光纖向某一方向(θ角度方向)彎曲(彎曲曲率半徑R_b)的時候，四個光纖纖芯①②③④上的光纖布拉格光柵對應四個中心波長λ₁、λ₂、λ₃、λ₄，四芯光纖的纖芯①③的光纖布拉格光柵的波長差為Δλ_x＝λ₃-λ₁，四芯光纖的纖芯②④的光纖布拉格光柵的波長差為Δλ_y＝λ₄-λ₂，定義x軸波長變化量dλ_x＝Δλ_x-Δλ_x0、y軸波長變化量dλ_y＝Δλ_y-Δλ_y0，則：