[實用新型]螺旋型光纖扭轉(zhuǎn)傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201820443212.0
• 申請日: 2018-03-30
• 公開（公告）號: CN208238813U
• 公開（公告）日: 2018-12-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張偉剛;張嚴(yán)昕;嚴(yán)鐵毅;李新宇
• 申請（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號: G01D5/26
• 分類號: G01D5/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本實用新型涉及一種螺旋型光纖扭轉(zhuǎn)傳感器，特別是能夠?qū)εまD(zhuǎn)參量的大小和方向同時高精度測量的光纖傳感器。該傳感器主要由沿左手螺旋方向旋轉(zhuǎn)360°的光纖螺旋組成，由于光纖螺旋結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的雙折射特性，因此該結(jié)構(gòu)形成了一個馬赫?曾德爾(M?Z)干涉儀。當(dāng)該傳感器受到扭轉(zhuǎn)作用時，由雙折射效應(yīng)使得光纖螺旋結(jié)構(gòu)中的快光和慢光傳輸速度不同，產(chǎn)生的光程差將引起干涉峰的漂移。測量干涉峰的漂移量大小和漂移方向，即可實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)參數(shù)的大小和方向的高精度同時測量。這種螺旋型光纖扭轉(zhuǎn)傳感器具有結(jié)構(gòu)靈巧、制作簡便、性能優(yōu)良、性價比高等優(yōu)點，將其與光纖光柵結(jié)合，亦可實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角、扭應(yīng)力、扭矩等與溫度的雙參數(shù)同時測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種光纖傳感器，能夠?qū)εまD(zhuǎn)進行正、負(fù)兩個不同方向的感測，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景介紹

扭轉(zhuǎn)參數(shù)(扭轉(zhuǎn)角、扭矩等)是工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品制作、安全維護等領(lǐng)域中的重要監(jiān)控參量，人們現(xiàn)已開發(fā)出多種類型的扭轉(zhuǎn)傳感器。其中，光纖因其具有質(zhì)量輕、柔韌性好、抗電磁干擾、易設(shè)計加工、材料來源豐富等優(yōu)點，現(xiàn)已成為新型扭轉(zhuǎn)傳感器設(shè)計和研制的優(yōu)選材料。近些年，隨著工程儀器儀表測試和橋梁建筑監(jiān)測的需求日漸提高，光纖扭轉(zhuǎn)傳感的研發(fā)迅速得到發(fā)展。在工程實際應(yīng)用中，很多情況下不僅需要測量扭轉(zhuǎn)參數(shù)的大小，同時還需要獲知扭轉(zhuǎn)作用的方向，即實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)矢量的大小和方向的同時測量至關(guān)重要，這屬于新穎的光學(xué)檢測技術(shù)。

然而，在實際工程應(yīng)用中，一些待測材料體積很小，而尺寸較大的傳感器不適宜在其表面粘貼或者內(nèi)部嵌入。研究表明：利用光纖螺旋制作技術(shù)可以研制結(jié)構(gòu)緊湊、感測靈敏的扭轉(zhuǎn)傳感器，進而實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)參數(shù)的大小和方向的同時測量。

本實用新型是一種新型的可同時測量扭轉(zhuǎn)參數(shù)的大小和方向的光纖扭轉(zhuǎn)傳感器。檢索結(jié)果表明，目前尚沒有采用光纖螺旋結(jié)構(gòu)制作可同時進行扭轉(zhuǎn)參數(shù)的大小和方向測量的螺旋型光纖扭轉(zhuǎn)傳感器的專利報道。

發(fā)明內(nèi)容

本實用新型的目的旨在設(shè)計出一種可同時進行扭轉(zhuǎn)參數(shù)的大小和方向測量的高靈敏度光纖扭轉(zhuǎn)傳感器，所提供的螺旋型光纖扭轉(zhuǎn)傳感器，包括傳感部分和測量部分。傳感部分由光纖螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖1(a)所示；其特征是利用氫氧焰技術(shù)對單模光纖進行灼燒，使其在高溫下變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，在灼燒的同時，將光纖的一端用旋轉(zhuǎn)盤沿左手螺旋方向旋轉(zhuǎn)360°，使光纖熔融部分形成一個完整的螺旋，如圖1(b)所示；撤掉氫氧焰待光纖冷卻，使光纖螺旋永久固定，如圖1(c)所示。

利用圖1所示的傳感器，可以對扭轉(zhuǎn)參數(shù)的大小和方向同時進行測量。傳感器測量部分的連接方式：傳感頭(1)的兩個連接點，其一通過傳輸光纖(2)與光源(3)連接，其二通過傳輸光纖(2)與光探測器(4)相接，如圖2所示。

單模光纖拉制技術(shù)已經(jīng)成熟，國內(nèi)已實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，目前在市場上很容易購得。在本實用新型中，利用氫氧焰對光纖灼燒并進行旋轉(zhuǎn)操作，形成的光纖螺旋結(jié)構(gòu)是一個馬赫-曾德爾(M-Z)干涉儀。當(dāng)光纖螺旋結(jié)構(gòu)(即傳感頭)受到外界扭轉(zhuǎn)作用時，將改變干涉儀中的快光和慢光的光程差，進而導(dǎo)致干涉峰的漂移。測量干涉峰的漂移量及飄移方向，能夠?qū)崿F(xiàn)對扭轉(zhuǎn)參量的大小和方向的高精度同時測量。

本實用新型所述的傳感頭是具有沿軸向旋轉(zhuǎn)360°的光纖螺旋結(jié)構(gòu)；所述的傳輸光纖為單模光纖；所述的光源為寬帶光源或可調(diào)諧光纖激光器；所述的光探測器為光譜儀或多波長計；所述的傳感器工作環(huán)境溫度為0℃～80℃之間。

感測原理：

在制作光纖螺旋結(jié)構(gòu)時，光纖橫截面上的側(cè)向應(yīng)力發(fā)生變化，引起光纖折射率的改變，導(dǎo)致其具有雙折射特性。該雙折射的快軸與光纖彎曲半徑方向一致，而慢軸則垂直于彎曲平面。當(dāng)一束光從光纖螺旋結(jié)構(gòu)的一端入射時，快光和慢光同時傳輸且速度不同，在螺旋結(jié)構(gòu)的另一端重新匯合并累積了一定的光程差，由此會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。該光纖螺旋結(jié)構(gòu)的干涉機理類似于M-Z干涉儀，其兩個干涉臂則由兩個偏振模式所代替。

在光纖螺旋結(jié)構(gòu)中，傳輸?shù)目旃夂吐獾南辔徊羁梢员硎緸?/p>