[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

本發(fā)明提供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、環(huán)形器、扇入扇出設(shè)備、雙芯少模光纖和光譜儀；還提供矢量彎曲傳感方法，由寬帶光源將寬帶光經(jīng)環(huán)形器和扇入扇出設(shè)備輸入雙芯少模光纖中進(jìn)行反射；反射光經(jīng)環(huán)形器輸出至光譜儀中，記錄下彎曲前的共振峰反射率；將雙芯少模光纖向某一個方向彎曲，由光譜儀記錄下彎曲后的共振峰反射率；計算得到兩個纖芯彎曲前后的反射率變化并代入矩陣方程中，同時獲取彎曲方向角和曲率。在傳感過程中，由于溫度變化會引起共振峰的波長偏移，但對反射率的影響微乎其微，因此該方案在實現(xiàn)彎曲方向角和曲率傳感的過程中，能避免溫度對矢量彎曲傳感的干擾，有效提高傳感結(jié)果精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種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。

背景技術(shù)

光纖光柵彎曲傳感器因其具有尺寸小、抗電磁干擾、靈敏度高等優(yōu)點，已經(jīng)在智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、機(jī)器人姿態(tài)檢測與控制、機(jī)械工程等領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用。

光纖光柵彎曲傳感器存在的主要問題是在單個纖芯中寫入光纖光柵構(gòu)成的彎曲傳感器，如：離軸布拉格光柵、偏心光纖光柵等，只能獲取彎曲曲率而無法識別彎曲方向。雖然通過兩個或以上單芯光纖光柵傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)曲率與彎曲方向的識別，但這對傳感器的封裝提出了巨大的挑戰(zhàn)，并且當(dāng)兩個傳感光柵的集成度不夠高時，容易引起額外的測量誤差。

目前主流的光纖彎曲傳感是基于布拉格光纖光柵開展的，如公開號為CN1323320C的中國發(fā)明專利于2007年6月27日公開的光纖布拉格光柵，其實現(xiàn)原理為彎曲會導(dǎo)致布拉格光柵產(chǎn)生擠壓或拉伸，引起反射波長偏移，通過偏移量得出彎曲信息。但在實際使用過程中，溫度的變化也會導(dǎo)致布拉格光柵的反射波長偏移，所以容易對此類光纖彎曲傳感器造成干擾。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有的光纖彎曲傳感由于溫度的變化導(dǎo)致布拉格光柵的反射波長偏移，存在傳感結(jié)果容易被干擾的技術(shù)缺陷，提供一種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。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

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、環(huán)形器、扇入扇出設(shè)備、光譜儀；還包括刻寫了傾斜光柵的雙芯少模光纖；所述扇入扇出設(shè)備包括第一輸入口和第二輸入口；其中：

所述寬帶光源將寬帶光輸入所述環(huán)形器中；寬帶光經(jīng)由所述環(huán)形器通過所述扇入扇出設(shè)備第一輸入口或第二輸入口輸入所述雙芯少模光纖中，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)形器輸出至所述光譜儀中，由所述光譜儀記錄下當(dāng)前雙芯少模光纖對應(yīng)輸入口的纖芯的LP11共振峰反射率。

上述方案中，在雙芯少模光纖不彎曲的情況下，利用光譜儀觀察該纖芯中傾斜光柵的反射光譜，記錄下LP11共振峰反射率；再將環(huán)形器的輸出端接入扇入扇出設(shè)備的第二輸入口，記錄下另一個纖芯的LP11共振峰反射率；然后，把刻寫了傾斜光柵的雙芯少模光纖向某一個方向彎曲，用上述實現(xiàn)過程，觀察兩個纖芯中傾斜光柵反射光譜，分別記錄LP11共振峰反射率；最后分別計算出兩個纖芯共振峰反射率的變化量，根據(jù)測量原理獲得彎曲方向角和曲率。

其中，所述雙芯少模光纖包括第一纖芯和第二纖芯；寬帶光經(jīng)由所述環(huán)形器通過所述扇入扇出設(shè)備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。

其中，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。

上述方案中，LP01模和LP11模兩種模式均可產(chǎn)生共振峰，但只通過LP11共振峰進(jìn)行傳感。

其中，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。