[發明專利]一種基于多芯螺旋光纖光柵的級聯式形變傳感器

在審

• 申請號: 202011512657.8
• 申請日: 2020-12-20
• 公開（公告）號: CN112665518A
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發明（設計）人: 苑立波;王洪業;劉銀
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16;G01B11/255;G01B11/00;G01D5/353;G02B6/02;G02B6/255
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本發明提供的是一種基于多芯螺旋光纖光柵的級聯式形變傳感器，該傳感器通過在多芯光纖上制備扭轉區域，形成多芯螺旋光纖，之后在所述的扭轉區域制備光纖光柵，將螺旋光纖光柵作為傳感單元，將多個螺旋光纖光柵級聯，形成傳感陣列。將傳感器埋入待測物體中，通過對每一組波長差進行曲率和撓率的轉換，最后利用差值及擬合，反演得到物體形狀的變化。本發明可用于對扭轉和彎曲等參量的在線測量，具有對形變物體進行感知和定位的功能。

(一)技術領域

本發明涉及光纖傳感器技術領域，具體涉及一種基于多芯螺旋光纖光柵的 級聯式形變傳感器。

(二)背景技術

光纖形變傳感是一種分布式傳感技術，它利用光纖局部應變產生的后向散 射信號來探測光纖的彎曲和扭轉等信息，然后對這些信息進行處理以重構光纖的 空間形變。這種技術在醫療、能源、國防、航空航天和結構監測等領域具有廣泛 的應用價值。尤其在航空航天領域，光纖形狀傳感器已經應用于自適應機翼、智 能蒙皮、振動噪聲測量等方面的研究。

2012年，美國航天管理局蘭利研究中心Moore等人(Moore J P,Rogge M D.Shapesensing using multi-core fiber optic cable and parametric curve solutions[J].Optics Express,2012,20(3):2967-2973.)提出了一種分析分布式光纖彎曲傳感測量 數據的新方法，該方法把彎曲傳感光纖看成Kirchhoff(基爾霍夫)彈性桿，因此 基于基爾霍夫彈性桿理論就可以把傳感光纖的空間彎曲特征用Frenet-Serret(弗 朗內-塞雷)方程表示出來，該方程采用一系列微分方程描述空間三維彎曲。通過 求解該方程就可以得到光纖形變的具體位移和方向。

近年來，國內也開始了對三維形變傳感的研究，專利CN104215197A提出 了一種利用光頻域反射計OFDR測量三維形變的裝置，該方法通過利用OFDR測 量三芯光纖光柵的應力變化，通過應力分布重構待測構建的空間形狀。但此種方 法需要額外增加一個參考光纖光柵來消除外界環境帶來的影響，穩定性較差。專 利CN108317965A提出了一種利用多根光纖光柵組合的方法測量形變，將多跟光 纖置于保護包層中，并按照一定方式排列，通過對每根光纖上的光柵陣列檢測， 獲得各點曲率的信息，最終得到測試件形變信息。此種利用固定排布并固定的方 法，消除了多芯光纖在安裝時因其圓形截面帶來的扭轉變形的問題，但其集成度 不高且易受外界環境變化影響。

光纖傳感器的多參數集成度是衡量光纖傳感器性能的重要指標，單個傳感 單元的傳感檢測量越多，光纖傳感器性能越好。以普通光纖傳感器為例，光纖傳 感器只能進行單一傳感量的檢測，還要考慮其他傳感參量的交叉敏感問題。目前， 現有曲率測量功能的多芯光纖形狀傳感器或是多根單芯光纖組成的傳感陣列尚能 滿足形狀傳感的應用需求。但是，對于在需要同時監測扭轉、彎曲且排除溫度和 應變交叉敏感的領域是遠遠不夠的。

(三)發明內容

本發明的目的在于提供一種基于多芯螺旋光纖光柵的級聯式形變傳感器。 通過對多芯光纖上光纖光柵結構的改進，強化扭轉測量效果，達到了曲率和撓率 同時測量的目的。

本發明的目的是這樣實現的：

提供一種基于多芯螺旋光纖光柵的級聯式形變傳感器，該傳感器通過在多 芯光纖上制備扭轉區域，形成多芯螺旋光纖，之后在所述的扭轉區域制備光纖光 柵，將螺旋光纖光柵作為傳感單元，將多個螺旋光纖光柵級聯，形成傳感陣列。 將傳感器埋入待測物體中，通過對每一組波長差進行曲率和撓率的轉換，最后利 用差值及擬合，反演的到物體形狀的變化。

為了能更好的實現形變的測量，消除溫度的交叉串擾，所使用的多芯光纖 包含一個纖芯中心與包層中心重合的中間芯，以及周圍一圈圓周對稱分布的邊芯。