[發明專利]一種光纖曲率測量傳感器及其測量系統

有效

• 申請號: 201910760427.4
• 申請日: 2019-08-16
• 公開（公告）號: CN110470240B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 王雙;劉鐵根;江俊峰;閃晨曦;劉琨;張曉非;李夢迪
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

本發明公開了一種光纖曲率傳感器及光纖曲率及溫度測量系統，該傳感器由第一單模光纖(2)、空芯光纖(5)和第二單模光纖(8)構成，形成了馬赫?曾德干涉條紋和法布里?泊羅諧振器；所搭建的基于光纖曲率傳感器的光纖曲率及溫度測量系統包括寬帶光源(1)、第一、第二單模光纖(2)、(8)、第一、第二光纖夾持器(3)、(6)、第一、第二位移臺(4)、(7)、空芯光纖(5)、光譜儀(9)和計算機(10)，完成對傳感器透射光譜的獲取，通過計算透射光譜中馬赫?曾德干涉峰和諧振吸收峰的波長間隔，實現光纖曲率和溫度的測量。本發明具有較高的曲率測量靈敏度，能有效降低溫度交叉敏感性，提高曲率測量的范圍；制作簡單，可批量加工。

技術領域

本發明涉及光纖傳感技術領域，特別涉及一種基于馬赫-曾德干涉和反諧振效應的光纖曲率傳感器及其測量系統。

背景技術

在許多工程應用領域例如土木工程、航空航天、復合材料以及更多領域中，需要測量器件結構彎曲曲率的變化信息。最常見的曲率測量采用電容傳感器、半導體壓力傳感器等電學傳感器：即，將被測量轉換成電學量，再通過專用的電學量測量儀器記錄數據。2004年，沈林勇等人采用應變片來實時檢測柔性桿表面若干點的應變，從而獲得這些點上的曲率，完成對曲線形狀的實時檢測(利用應變片實現曲線形狀的實時檢測，機器人，2004，26(3):204-206)。這種模式的測量系統優點是有較高靈敏度，且硬件成本相對較低。但這種由電學量測量原理構成的測量系統，存在零點漂移不易消除，模擬信號易受電磁環境干擾，硬件系統比較脆弱等問題。為了解決這些問題，近些年來已有多種基于不同原理的光纖曲率傳感器被研發，較為常見的有基于光纖光柵、基于馬赫-曾德干涉。2015年CuiWei等人采用飛秒激光在拉錐光纖上刻制光纖布拉格光柵，成功實現了對曲率的測量(Compact bendingsensor based on a fiber Bragg grating in an abrupt biconical taper.OpticsExpress,2015,23(9):11031-11036)。這種基于光纖光柵的曲率傳感器雖具有較高的曲率靈敏度，但往往存在溫度交叉敏感的問題，從而影響了這類傳感器在變溫環境下的應用。部分光纖曲率傳感器基于馬赫-曾德干涉原理，有效降低了溫度交叉靈敏性。2015年HuangQuandong等人使用六孔光纖錯位熔接的方式，成功實現了曲率的測量，并且該傳感器具有較低的溫度交叉敏感性(Micro-bending vector sensor based on six-air-holegrapefruit microstructure fiber using lateral offset splicing.Optics Express,2015,23(3):3010-3019)。但這種傳感器大多采用錯位熔接、拉錐熔接、粗錐熔接等方式制作，通常具有結構復雜、制造困難、無法批量制作的問題。并且這種復雜的結構降低了傳感器的機械強度，使其過于脆弱，在彎曲測量時極易折斷，從而限制了曲率測量的范圍。

發明內容

基于上述技術問題，本發明提出了一種光纖曲率測量傳感器及其測量系統，使用空芯光纖直接與單模光纖熔接的簡單結構圍，通過測量馬赫-曾德干涉峰和反諧振吸收峰之間的波長間隔實現光纖曲率和溫度測量。

本發明的一種光纖曲率傳感器，該傳感器由第一單模光纖2、空芯光纖5和第二單模光纖8構成，所述第一單模光纖2和具有石英包層的空芯光纖5具有第一個拼接點，所述空芯光纖5和所述第二單模光纖8具有第二個拼接點；其中：

入射光通過所述第一單模光纖2進入所述空芯光纖5，所述第一單模光纖2與所述空芯光纖5在第一個拼接點發生模式失配，所述空芯光纖5傳輸過程中存在基模和激發出的高階模，經過所述空芯光纖5的一段傳輸后，高階模和基模產生相位差，高階模與基模兩種模式在所述空芯光纖5和所述第二單模光纖8的第二個拼接點耦合，從而在透射光譜中產生馬赫-曾德干涉條紋；

馬赫-曾德干涉條紋的傳輸強度I表示為：