CN102288136A - 一种基于非对称双芯光纤的扭转传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于非对称双芯光纤的扭转传感器，包括宽谱光源、单模光纤、非对称双芯光纤和光谱分析仪；非对称双芯光纤的两端分别通过光纤锥与第一单模光纤和第二单模光纤的一端连接，构成光纤马赫-泽德干涉仪；第一单模光纤的另一端与宽谱光源连接，第二单模光纤的另一端与光谱分析仪连接。本发明利用非对称双芯光纤将传感臂与参考臂集成在一根光纤中，结构紧凑，可以有效补偿温度变化的影响，提高了系统的稳定性；不需要复杂的光栅写入设备，制作方便，成本低。

Description

一种基于非对称双芯光纤的扭转传感器

技术领域

本发明涉及的是一种光纤扭转传感器，尤其涉及一种基于非对称双芯光纤的扭转传感器。

背景技术

利用扭转传感器来测量由于外力导致的结构扭转在科学研究和工业中具有非常重要的应用。传统的扭转传感器的体积较大，很难将其埋入结构来监测结构内部的扭转变化。

光纤传感器由于体积小，可绕性好，可以方便的埋入结构内部。目前的光纤扭转传感器主要是基于长周期光纤光栅和倾斜光纤布拉格光栅的，这种传感器存在机械强度差、对温度变化敏感并且难于分辨扭转的方向等缺点。另一种光纤扭转传感器是基于双模高双折射光子晶体光纤的，但是这种传感器需要结构复杂且价格昂贵的光子晶体光纤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑，可以有效补偿温度变化的影响，提高系统的稳定性；制作方便，成本低的基于非对称双芯光纤的扭转传感器。

本发明的目的是这样实现的：

包括宽谱光源、单模光纤、非对称双芯光纤和光谱分析仪；非对称双芯光纤的两端分别通过光纤锥与第一单模光纤和第二单模光纤的一端连接，构成光纤马赫-泽德干涉仪；第一单模光纤的另一端与宽谱光源连接，第二单模光纤的另一端与光谱分析仪连接。

本发明还可以包括：

1、所述非对称双芯光纤包括位于光纤轴心的中间芯和偏离光纤轴心的偏芯，直径范围在125μm-400μm之间，偏芯与中间芯之间的距离大于10μm。

2、所述非对称双芯光纤的中间芯与偏芯的直径相等。

3、所述非对称双芯光纤的中间芯与偏芯的直径不相等。

4、所述光纤锥是通过在单模光纤与非对称双芯光纤之间的焊点进行熔融拉锥的方式制作的光纤锥。

本发明利用非对称双芯光纤构成集成式马赫-泽德干涉仪，在扭转过程中双芯光纤的偏芯与中间芯的伸长量不同，导致干涉谱的峰值位置发生移动，实现对扭转的高精度测量。

本发明是基于光纤干涉原理，利用非对称双芯光纤的偏芯和中间芯对扭转量具有不同响应的特性，通过监测宽谱光干涉峰的波长漂移来测量扭转的变化。下面以使用宽谱光源进行测量为例，具体给出本发明专利的工作原理。

如图2所示的非对称双芯光纤，由中间芯、偏芯和包层组成。设非对称双芯光纤的长度为L，中间芯和偏芯的折射率分别为n₁和n₂，两个纤芯之间的距离为d。那么根据干涉原理，干涉谱中干涉峰所在波长处光在两个纤芯的光程差等于该波长的整数倍，即对于某个干涉峰，有

(n₁-n₂)L＝mλ                          (1)

其中m为整数，λ是干涉峰对应的波长。

如果非对称双芯光纤发生以光纤轴心为中心的扭转，那么由于中间芯位于光纤的轴心，其长度不会发生改变；而偏芯的长度会发生变化，其长度可以看作是围绕光纤轴心，以距离d为半径的圆柱形螺旋线的长度。设扭转角度为θ，那么根据螺旋线长度计算公式，偏芯的长度可以表示为：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}\sqrt{{\left(\mathrm{\πd}\right)}^2+{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\θ}}L\right)}^2}-L---\left(2\right)$

那么中间芯和偏芯之间的光程差为n₂·ΔL。

由于两路干涉臂的光程差发生变化，透射光谱中干涉峰的位置会发生偏移，设偏移量为Δλ。通常偏芯的伸长量较小，一般小于1μm，所以引起的光纤芯光程差的变化不会超过一个波长，那么对于新的干涉峰所对应的波长λ+Δλ，有

(n₁-n₂)L+n₂·ΔL＝m(λ+Δλ)           (3)

结合公式(1)、(2)和(3)，得到

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{n_2\mathrm{\λ}}{(n_1-n_2)L}\·\mathrm{\ΔL}=\frac{n_2\mathrm{\λ}}{(n_1-n_2)L}\·[\frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}\sqrt{{\left(\mathrm{\πd}\right)}^2+{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\θ}}L\right)}^2}-L]---\left(4\right)$

从公式(4)可以看出，对于确定波长的光源和确定长度的非对称双芯光纤，透射谱中干涉峰的位置移动只与扭转角度有关。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明的扭转传感器是基于光纤干涉原理，利用非对称双芯光纤将传感臂与参考臂集成在一根光纤中，结构紧凑，可以有效补偿温度变化的影响，提高了系统的稳定性；不需要复杂的光栅写入设备，制作方便，成本低。

附图说明

图1是本发明实施例中的基于非对称双芯光纤的扭转传感器的结构示意图。

图2是一种非对称双芯光纤的端面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

结合图1，本发明的一种基于非对称双芯光纤的扭转传感器，包括宽谱光源1、单模光纤2、光纤锥3、非对称双芯光纤4、光纤锥5、单模光纤6和光谱分析仪7；单模光纤2和6分别通过光纤锥3和5与非对称双芯光纤4的两端相连，构成光纤马赫-泽德干涉仪；宽谱光源1与单模光纤2相连，单模光纤6与光谱分析仪7相连。

非对称双芯光纤4包括位于包层43中的中间芯41和偏芯42，中间芯41位于光纤的轴心，偏芯42与中间芯41之间的距离大于10μm；非对称双芯光纤4的直径为125μm-400μm；

光纤锥3是通过在单模光纤2与非对称双芯光纤4之间的焊点进行熔融拉锥的方式制作的；光纤锥5是通过在单模光纤6与非对称双芯光纤4之间的焊点进行熔融拉锥的方式制作的。

在工作时，宽谱光源1发出的光经过单模光纤2到达光纤锥3，并通过光纤锥3耦合入非对称双芯光纤4的两个芯41和42中。两束光分别沿纤芯41和42传输，经过光纤锥5后被耦合入单模光纤6中并发生干涉；干涉信号被光谱分析仪7检测。如果双芯光纤4发生扭转，在偏芯42中传输的光信号的光程会发生变化，而在中间芯41中传输的光信号的光程可以认为不变。那么在两个纤芯中传输的光信号的光程差会随之发生变化，从而引起光谱分析仪7显示的干涉光谱中干涉峰的位置发生偏移。因此，通过监测干涉峰的位置变化就可以方便地实现对扭转的测量。

Claims (5)

1.一种基于非对称双芯光纤的扭转传感器，包括宽谱光源、单模光纤、非对称双芯光纤和光谱分析仪；其特征是：非对称双芯光纤的两端分别通过光纤锥与第一单模光纤和第二单模光纤的一端连接，构成光纤马赫-泽德干涉仪；第一单模光纤的另一端与宽谱光源连接，第二单模光纤的另一端与光谱分析仪连接。

2.根据权利要求1所述的基于非对称双芯光纤的扭转传感器，其特征是：所述非对称双芯光纤包括位于光纤轴心的中间芯和偏离光纤轴心的偏芯，直径范围在125μm-400μm之间，偏芯与中间芯之间的距离大于10μm。

3.根据权利要求2所述的基于非对称双芯光纤的扭转传感器，其特征是：所述非对称双芯光纤的中间芯与偏芯的直径相等。

4.根据权利要求2所述的基于非对称双芯光纤的扭转传感器，其特征是：所述非对称双芯光纤的中间芯与偏芯的直径不相等。

5.根据权利要求1-4任何一项所述的基于非对称双芯光纤的扭转传感器，其特征是：所述光纤锥是通过在单模光纤与非对称双芯光纤之间的焊点进行熔融拉锥的方式制作的光纤锥。

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