[發(fā)明專利]基于雙芯少模光纖傾斜光柵的矢量彎曲傳感系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2021-04-15
• 公開（公告）號: CN113188468B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許鷗;蘇柏縉;秦玉文
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 劉俊

1.基于雙芯少模光纖傾斜光柵的矢量彎曲傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源(1)、環(huán)形器(2)、扇入扇出設(shè)備(3)、光譜儀(5)；其特征在于，還包括刻寫了傾斜光柵的雙芯少模光纖(4)；所述扇入扇出設(shè)備(3)包括第一輸入口和第二輸入口；其中：

所述寬帶光源(1)將寬帶光輸入所述環(huán)形器(2)中；寬帶光經(jīng)由所述環(huán)形器(2)通過所述扇入扇出設(shè)備(3)第一輸入口或第二輸入口輸入所述雙芯少模光纖(4)中，此時特定波長的光會被傾斜光柵反射；反射光經(jīng)過所述環(huán)形器(2)輸出至所述光譜儀(5)中，由所述光譜儀(5)記錄下當(dāng)前雙芯少模光纖(4)對應(yīng)輸入口的纖芯的LP11共振峰反射率；

所述雙芯少模光纖(4)包括第一纖芯和第二纖芯；寬帶光經(jīng)由所述環(huán)形器(2)通過所述扇入扇出設(shè)備(3)第一輸入口或第二輸入口輸入所述第一纖芯和第二纖芯中，獲取兩個纖芯的光譜；

在所述第一纖芯和第二纖芯相同的縱向位置上均刻寫了傾斜光柵；其中，刻寫在所述第一纖芯和第二纖芯上的兩個光柵的周期、長度均一致，且光柵平面分別在立體直角坐標(biāo)系下關(guān)于x-z面、y-z面傾斜相同角度；

所述第一纖芯和第二纖芯為材料構(gòu)成相近的纖芯，以雙芯少模光纖(4)的中心軸成對稱分布，每個纖芯均能在工作波段內(nèi)支持LP01模和LP11模兩種模式的傳輸。

2.一種利用權(quán)利要求1所述的基于雙芯少模光纖傾斜光柵的矢量彎曲傳感系統(tǒng)的矢量彎曲傳感方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：通過寬帶光源(1)將寬帶光輸入環(huán)形器(2)中；

S2：寬帶光經(jīng)由環(huán)形器(2)通過扇入扇出設(shè)備(3)第一輸入口輸入雙芯少模光纖(4)中，此時特定波長的光會被傾斜光柵反射；反射光經(jīng)過環(huán)形器(2)輸出至光譜儀(5)中，由光譜儀(5)記錄下第一纖芯的LP11共振峰反射率；

S3：切換扇入扇出設(shè)備(3)的輸入口，將寬帶光經(jīng)由環(huán)形器(2)通過扇入扇出設(shè)備(3)第二輸入口輸入雙芯少模光纖(4)中，由光譜儀(5)記錄下第二纖芯的LP11共振峰反射率；

S4：將雙芯少模光纖(4)向某一個方向彎曲后，再次執(zhí)行步驟S2和步驟S3，分別獲取彎曲后的第一纖芯、第二纖芯的LP11共振峰反射率；

S5：計算彎曲前后兩個LP11共振峰反射率變化數(shù)值，計算得到兩個纖芯彎曲前后的反射率變化并代入彎曲方向角、曲率的關(guān)系式；

S6：根據(jù)關(guān)系式建立矩陣方程并進(jìn)行求解，同時獲取彎曲方向角和曲率，完成矢量彎曲傳感；

在所述步驟S2中，所述共振峰反射率R_μν表達(dá)式具體為：

其中，L是光柵長度，C是與歸一化橫向模場相關(guān)的比例常數(shù)，分別是兩個模式的歸一化橫向模場，Δn是光纖中光柵引起的折射率變化函數(shù)，Λ是光柵周期，θ是光柵的傾斜角度。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的矢量彎曲傳感方法，其特征在于，還包括以下步驟：

S7：在一定曲率范圍內(nèi)，向雙芯少模光纖(4)施加不同曲率；

S8：記錄不同曲率下兩個纖芯LP11共振峰反射率的變化，根據(jù)數(shù)據(jù)畫出曲率與反射率的擬合關(guān)系曲線，并獲取曲率與共振峰反射率之間的關(guān)系式；

S9：通過旋轉(zhuǎn)雙芯少模光纖(4)改變彎曲方向，重復(fù)上述步驟，可得到多條曲率與反射率之間的關(guān)系式，不同的彎曲角度對應(yīng)不同斜率，即彎曲靈敏度，因此可畫出彎曲方向角與彎曲靈敏度的擬合關(guān)系曲線，獲取兩個纖芯彎曲方向角與彎曲靈敏度之間的關(guān)系式；將靈敏度的定義式代入彎曲方向角與彎曲靈敏度之間的關(guān)系式，得出兩個纖芯反射率變化和彎曲方向角、曲率之間的矩陣方程；

S10：通過光譜儀(5)測得任意彎曲狀態(tài)下兩個纖芯傾斜光柵的共振峰反射率，并求出反射率相對于未彎曲時的變化量，代入矩陣方程中并進(jìn)行求解，得出當(dāng)前彎曲方向角與曲率。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的矢量彎曲傳感方法，其特征在于，在所述步驟S7中，施加的曲率表達(dá)式具體為：

其中，l是未彎曲的光纖長度，Δl是移動的距離，c是施加的曲率。