[發明專利]一種可實現軸向應變補償的光纖彎曲傳感器

有效

• 申請號: 201910019682.3
• 申請日: 2019-01-09
• 公開（公告）號: CN109855555B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 鄭狄;劉卓丹;潘煒;鄒喜華
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16;G01B11/24
• 代理公司: 成都華風專利事務所(普通合伙) 51223
• 代理人: 張巨箭;徐豐

本發明公開了一種可實現軸向應變補償的光纖彎曲傳感器，傳感器包括：單模光纖；第一偏芯光纖；第二偏芯光纖；兩段偏芯光纖的纖芯與單模光纖纖芯對準，分別熔接于所述單模光纖的兩端，且第一偏芯光纖和第二偏芯光纖的截面在幾何上呈正交關系；兩個中心波長不同的光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)，分別對稱地寫入于兩個熔接點處，在彎曲時位于熔接點兩側的FBG產生不同的反射峰波長，從而等效形成四個FBG。本發明利用單模光纖在彎曲時其FBG的中心波長漂移僅受軸向應變的影響，來補償在曲率解調時偏芯光纖引入的軸向應變，消除了傳統曲率傳感器存在的曲率測量誤差，實現純曲率值及彎曲方向的測量。

技術領域

本發明涉及一種可實現軸向應變補償的光纖彎曲傳感器。

背景技術

曲率是描述物體形狀的一個重要參數，通過對曲率的測量可以了解物體形狀的變化趨勢。曲率傳感器在結構體健康監測、航空航天、機器人學、表面形狀測量等方面具有廣泛的應用前景，其中基于光纖光柵的曲率傳感器具有體積小、重量輕、抗電磁干擾能力強和準分布式測量等優點得到國內外學者的青睞。

Y.P.Wang等人提出的一種基于級聯的長周期光纖光柵(Long PeriodFiberGrating,LPG)曲率傳感器，用紫外曝光寫入的LPG只受曲率的影響，而兩個二氧化碳激光器寫入的LPG用于解調彎曲方向(Y.P.Wang,Y.J.Rao.“ANovel Long Period Fiber GratingSensor Measuring Curvature and Determining Bend-Direction Simultaneously,”IEEE Sensors Journal,2005,5(5):839～843.)。此外，J.Kong等人提出了一種基于正交級聯偏芯光纖布拉格光柵的二維彎曲傳感器，該方案通過比較兩個偏芯光纖的中心波長漂移來解調曲率和彎曲方向。(J.Kong,A.Zhou,C.Cheng,et al.“Two-Axis Bending SensorBased on Cascaded Eccentric Core Fiber Bragg Gratings,”IEEE PhotonicsTechnology Letters,2016,28(11):1237～1240.)。

然而在實際應用中，彎曲傳感器在彎曲時往往伴隨著附加的軸向應變，輸出的傳感信號是彎曲應變與軸向應變的共同作用結果。現有的彎曲傳感器解調方案無法區分彎曲應變和軸向應變，因此曲率解調時存在誤差。

為解決現有方案中存在的問題，本發明提出了一種可實現軸向應變補償的光纖彎曲傳感器，不但可以實現純曲率測量，還能區分彎曲方向。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種可實現軸向應變補償的光纖彎曲傳感器，解決現有技術無法區分彎曲應變和軸向應變導致曲率解調時存在誤差的問題。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種可實現軸向應變補償的光纖彎曲傳感器，包括：

單模光纖；

第一偏芯光纖，其纖芯與所述單模光纖的纖芯對準后熔接于所述單模光纖的其中一端；

第二偏芯光纖，其纖芯與所述單模光纖的纖芯對準后熔接于所述單模光纖的另外一端，且第一偏芯光纖和第二偏芯光纖的截面在幾何上呈正交關系；

兩個中心波長不同的FBG(Fiber Bragg Grating,光纖光柵)，分別對稱寫入兩個熔接點處，位于熔接點兩側的FBG產生不同的反射峰波長；

當傳感器彎曲時，所述第一偏芯光纖和所述第二偏芯光纖受到彎曲和軸向應變的共同影響，而所述單模光纖僅受到軸向應變影響，因此位于熔接點兩側的FBG的纖芯折射率和光柵周期將不同，產生不同的反射峰波長，從而等效形成4個FBG。