[發明專利]一種基于光纖模式色散的彎曲測量裝置

有效

• 申請號: 202110624728.1
• 申請日: 2021-06-04
• 公開（公告）號: CN113375592B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 柴全;馬占宇;于浪;廉宇航;徐德港;張建中;田野
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01B9/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種基于光纖模式色散的彎曲測量裝置，屬于光纖彎曲/曲率傳感或測量領域，該裝置包括：寬譜白光光源、光纖耦合器、光電探測模塊、軟件驅動模塊、單模?多模?單模光纖結構、光纖探頭、延遲掃描反射鏡。主要通過光纖白光干涉儀空間域掃描，測量單模?多模?單模光纖結構末端面反射信號的相位延遲，憑借光纖白光干涉技術高分辨率和大動態范圍的特點，實現光纖模式色散的精準測量，并實時解調彎曲過程中的各個模式彎曲損耗變化，實現彎曲/曲率測量或傳感。

技術領域

本發明涉及一種基于光纖模式色散的彎曲測量裝置，屬于光纖彎曲/曲率傳感或測量領域。

背景技術

光纖彎曲傳感器相比于電學傳感器而言，體積更小并且抗電磁干擾，通常具有較高的靈敏度和多樣的功能性，比較廣泛地應用在能源輸送、醫學儀器、航空航天、核電設備、工業生產等領域，在平面度檢測和表面曲率檢測方面也有重要應用。

目前光纖彎曲傳感器一直是較為熱門的研究方向，現有的光纖彎曲傳感器主要包括：強度型、干涉型和光柵型三大類[Di,H.,Y.Xin and J.Jian,Review of optical fibersensors for deformation measurement.Optik,2018.168:703-713.]。

強度型主要依賴于光纖彎曲損耗的檢測分析[游善紅,郝素君,殷宗敏,李新碗,單模光纖中彎曲損耗的測試與分析.光子學報,2003(04):409-412]，光纖彎曲時纖芯中的能量會泄露到包層，甚至直接輻射出光纖。這種傳感裝置結構簡單，但是彎曲測量精度有限，最大問題在于彎曲損耗隨彎曲半徑的變化呈現震蕩衰減的趨勢[L.,F.and M.G.,Bendloss in single-mode fibers.Journal of Lightwave Technology,1997.15(4):671-679.]。

干涉型普遍采用模式干涉(也稱模間干涉)的原理，主要通過表面腐蝕、錯位熔接、多段級聯、光纖拉錐、球形熔接、多芯光纖等結構，實現多種模式激發并干涉，結合光譜檢測實現光纖彎曲傳感。此類方法中有些光纖微結構難以制備，脆弱易壞，有些裝置的曲率測量范圍有限。

光柵型包括光纖布拉格光柵和長周期光纖光柵，對于光纖布拉格光柵而言，需要借助其他方法加工處理才能實現彎曲傳感，比如錯位熔接、柵區拉錐、傾斜光柵、側面腐蝕等手段，長周期光柵在應用中一直存在溫度、應變、折射率、彎曲等物理量交叉敏感的問題[饒云江,王義平,朱濤,光纖光柵原理及應用.科學出版社,2006:p.13.]，為了解決這個問題常常需要更加復雜的設計。

發明內容

本發明的目的在于針對現有光纖彎曲傳感器的局限性，提出一種利用光纖白光干涉空間域掃描技術檢測模式色散的新型彎曲傳感或測量裝置，將光纖中彎曲損耗根據不同模式進行拆分，解決傳統分析過程中彎曲損耗隨彎曲半徑的變化呈現震蕩衰減的問題，同時該裝置傳感測量區是由常見的單模光纖、多模光纖和單模光纖熔接形成的簡單結構，成本低、容易制備且便于封裝。

本發明的目的是這樣實現的：包括寬譜白光光源(1)、光纖耦合器(2)、光電探測模塊(3)、軟件驅動模塊(4)、單模-多模-單模光纖結構(5)、光纖探頭(6)、延遲掃描反射鏡(7)；光纖耦合器通過單模光纖分別與寬譜白光光源、光電探測模塊、單模-多模-單模光纖結構、光纖探頭連接，軟件驅動模塊通過電路與延遲掃描反射鏡、光電探測模塊連接。

本發明還包括這樣一些結構特征：

1.寬譜白光光源(1)中光信號通過光纖耦合器(2)分束，一束光進入測量臂，經單模光纖與多模光纖熔接點處激發出多種模式，并經過單模光纖末端端面反射，原路返回至光纖耦合器(2)，另一束光進入光纖探頭(6)，形成準直空間光束，并經過延遲掃描反射鏡(7)原路返回至光纖耦合器(2)，兩束光信號合并在一起被光電探測模塊(3)檢測；軟件驅動模塊(4)通過電路控制延遲掃描反射鏡(7)的空間域掃描，并與光電探測模塊(3)的白光干涉信號實時對應并解調。