CN102607448A

CN102607448A - 一种基于光纤lp21模式的光纤应变传感器及其测量方法

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Publication number: CN102607448A
Application number: CN2012100639251A
Authority: CN
Inventors: 袁余锋; 魏婉婷; 范宇强; 吴兴坤
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明涉及一种基于光斑图形变化测量物体的扭转量或空间弯曲量的新型光纤应变传感及其测量方法。一种光纤光斑产生及传感装置，包括光源、模式选择器和基于光纤LP₂₁模式的光纤，所述光源与模式选择器的输入端连接，所述模式选择器的输出端与光纤的输入端连接，所述的光纤包括入射部分、传感部分、出射部分，所述的传感部分包括与光纤入射部分相连的传感部分输入端、与光纤出射部分相连的传感部分输出端，所述的传感部分输入端、传感部分输出端是呈弧状。本发明提供一种性能优秀，而且结构简单，成本低，利于大范围推广应用的基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器。

Description

一种基于光纤LP21模式的光纤应变传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传感方式及其装置，更具体地说，涉及一种基于光斑图形变化测量物体的扭转量或空间弯曲量的新型光纤应变传感及其测量方法。

背景技术

光纤应变传感器是指外界将应变施加到光纤上，通过检测光信号的改变来测量外界应变量的传感器。光纤应变传感器主要包括光纤弯曲传感与光纤扭转传感器。光纤弯曲应变传感主要包括基于光能量损耗的微弯传感器，与基于光纤光栅特性的弯曲传感器以及基于光纤光斑图形变化的弯曲传感器。但前两种均无法测量扭转应变，且有但是现在有弯曲半径受限，设备较为复杂，成本高，抗干扰性差的缺陷。光纤扭转传感器则结构较复杂，且兼有前面所提到的缺点。

发明内容

本发明的目的是解决以上提出的问题，提供一种性能优秀，而且结构简单，成本低，利于大范围推广应用的基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器。

本发明的技术方案是这样的：

一种光纤光斑产生及传感装置，包括光源、模式选择器和基于光纤LP₂₁模式的光纤，所述光源与模式选择器的输入端连接，所述模式选择器的输出端与光纤的输入端连接，所述的光纤包括入射部分、传感部分、出射部分，所述的传感部分包括与光纤入射部分相连的传感部分输入端、与光纤出射部分相连的传感部分输出端，所述的传感部分输入端、传感部分输出端是呈弧状。

作为优选，光纤的入射部分与出射部分不在同一条直线上，所述的传感部分输入端、传感部分输出端存在位置差。

作为优选，光纤的入射部分与出射部分平行。

作为优选，传感部分输入端、传感部分输出端之间还包括与光纤的入射部分与出射部分垂直的光纤段。

作为优选，传感部分输入端、传感部分输出端的弧状半径不小于15mm。

一种基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器，包括可弯曲与扭曲的基板、光斑探测器和至少一组以上上述的光纤光斑产生及传感装置；每一组光纤光斑产生及传感装置的光纤的传感部分固定于所述的基板上；所述光纤的出射部分与所述光斑探测器的探测面相对，以使所述光纤的出射部分所输出的光斑能投射在所述的探测面。

作为优选，所有光纤光斑产生及传感装置的传感部分的输入端互相接触且两组光纤光斑产生及传感装置的传感区段的输出端互相接触；各组光纤光斑产生及传感装置的传感分部输入端、传感部分输出端相互分离。

作为优选，相邻的两组光纤光斑产生及传感装置构成一对光纤光斑产生及传感装置；在每一对光纤光斑产生及传感装置中，两组光纤光斑产生及传感装置的传感部分的输入端互相接触且两组光纤光斑产生及传感装置的传感区段的输出端互相接触；各组光纤光斑产生及传感装置的传感分部输入端、传感部分输出端相互分离。

作为优选，所述的基板分为N+2个部分，N为固定在所述的基板上的光纤光斑产生及传感装置的光纤的传感部分的数量，并与光纤的传感部分一一对应进行固定。

作为优选，在所述的光斑探测器前设置光学衰减片。

作为优选，所述的基板的弯曲半径不小于5mm。

一种基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器的测量方法，步骤如下：

步骤一、光源产生的光线通过模式选择器进入应变传感器，光信号通过应变传感器中的光纤的传感部分，通过基于光纤LP₂₁模式的传输特性对光信号进行处理；

步骤二、通过应变传感器的光信号在经过处理后，进入信号处理设备，实现对物体的扭转量或空间弯曲量的测量。

作为优选，对物体的扭转量由信号处理设备接收到的光斑的旋转角度判断得出，判断公式为：其中，n为光纤的折射率取值，P₄₄为光纤的弹光系数。

本发明的有益效果如下：

本发明主要利用光纤LP₂₁的弯曲与扭转特性设计应变传感器，同时具体设计了可以测量特定点的弯曲应变或扭转应变的光纤传感器。将光纤的扭转效应转变为测量弯曲半径的大小，同时利用LP₂₁模式在光纤弯曲时光斑不变形的特性可以排除光纤传感区域以外的部分的弯曲对测量的影响，设计的双光纤并列结构能够排除光纤并列部分扭曲对测量的影响，实现对传感区域的扭转应变的测量，解决了之前的基于光斑传感的光纤传感器不能实现对特定点弯曲量与扭转量的稳定测量，传感区以外的光纤应变又会严重影响测量结果，无法进行大规模应用等不足。

本发明所述的技术方案具有更大的弯曲测量范围，弯曲半径可以为5mm-∞范围，光源光强的衰减对结果没有影响，能够实现对扭转应变的测量。结构简单，成本低，性能稳定，没有温度影响，测量范围广，实现对扭转应变的测量。LP₂₁光斑形状稳定，没有干扰，便于测量，可以分别单独测量弯曲应变与扭转应变，可以对特定区域进行测量，设置多个传感器时相互之间没有影响，可以设置传感器阵列。

附图说明

图1是光纤光斑产生及传感装置的实施例的结构示意图；

图2是基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器的实施例的结构示意图；

图3是当光纤作纯弯曲应变时，光斑的变化趋势示意图；

图4是当光纤作纯扭转应变时，光斑的变化趋势示意图；

图5光斑旋转角度与光纤扭转角度之间的数量关系示意图；

图6是基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器的另一实施例的结构示意图；

图中，1是光源，2是模式选择器，4是入射部分，5是传感部分输入端，6是光纤段，7是传感部分输出端，8是出射部分，9是光学衰减片，10是光斑探测器，12是入射区，13是传感区，14是出射区，20是测量光纤，24是参考光纤，131是第一传感区，132是第二传感区，22是测量光纤的入射部分中，位为传感部分与参考光纤的传感部分之间的一段光纤，26是参考光纤的出射部分中，位为传感部分与测量光纤的传感部分之间的一段光纤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行进一步详细说明：

一种光纤光斑产生及传感装置，包括光源1、模式选择器2和基于光纤LP₂₁模式的光纤，所述光源1与模式选择器2的输入端连接，所述模式选择器2的输出端与光纤的输入端连接，所述的光纤包括入射部分4、传感部分、出射部分8，所述的传感部分包括与光纤入射部分4相连的传感部分输入端5、与光纤出射部分8相连的传感部分输出端7，所述的传感部分输入端5、传感部分输出端7是呈弧状。

光纤的入射部分4与出射部分8不在同一条直线上，所述的传感部分输入端5、传感部分输出端7存在位置差。光纤的入射部分4与出射部分8平行。

传感部分输入端5、传感部分输出端7之间还包括与光纤的入射部分4与出射部分8垂直的光纤段6。传感部分输入端5、传感部分输出端7的弧状半径不小于15mm。

一种基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器，包括可弯曲与扭曲的基板、光斑探测器10和至少一组以上上述的光纤光斑产生及传感装置；每一组光纤光斑产生及传感装置的光纤的传感部分固定于所述的基板上；所述光纤的出射部分8与所述光斑探测器10的探测面相对，以使所述光纤的出射部分8所输出的光斑能投射在所述的探测面。

所有光纤光斑产生及传感装置的入射部分4互相接触且两组光纤光斑产生及传感装置的出射部分8互相接触；各组光纤光斑产生及传感装置的传感部分输入端5、传感部分输出端7相互分离。

另一种方案，相邻的两组光纤光斑产生及传感装置构成一对光纤光斑产生及传感装置；在每一对光纤光斑产生及传感装置中，两组光纤光斑产生及传感装置的入射部分4互相接触且两组光纤光斑产生及传感装置的出射部分8互相接触；各组光纤光斑产生及传感装置的传感部分输入端5、传感部分输出端7相互分离。

所述的基板分为N+2个部分，N为固定在所述的基板上的光纤光斑产生及传感装置的光纤的传感部分的数量，并与光纤的传感部分一一对应进行固定。

在所述的光斑探测器10前设置光学衰减片9。

所述的基板的弯曲半径不小于5mm。

步骤一、光源1产生的光线通过模式选择器2进入应变传感器，光信号通过应变传感器中的光纤的传感部分，通过基于光纤LP₂₁模式的传输特性对光信号进行处理；

对物体的扭转量由信号处理设备接收到的光斑的旋转角度判断得出，判断公式为：

其中，n为光纤的折射率取值，P₄₄为光纤的弹光系数。

LP₂₁模式是光纤的多种低阶多模中的一种，它的光斑图是四个子光斑组成的中心对称图形，它的激发与光源入射光纤的角度相关，只有在特定角度才可以进行激发(出自Selective mode injection and observation for few-mode fiber optics(APPLIED OPTICS/Vol.30，No.30/20 October 1991))。从波动理论上进行解释，LP₂₁模是光线的一种线偏振模，由两个光纤的模式兼并而成，即LP₂₁＝HE₃₁+EH₁₁，其中HE₃₁与EH₁₁可以通过求解光纤的麦克斯韦方程组得到(出自《光纤理论与技术》(曾甫泉，西安交通大学出版社，1990))。

实施例1

如图1所示的光纤光斑产生及传感装置，包括光源1、模式选择器2和基于光纤LP₂₁模式的光纤，所述光源1与模式选择器2的输入端连接，所述模式选择器2的输出端与光纤的输入端连接。

光纤是普通的光纤，例如石英光纤、塑料光纤等。光源1的波长与光纤有关，关系为使得光纤的归一化截止频率Vc要大于5.135，这个条件下LP₂₁模式能够在光纤里产生并且传播。LP₂₁模式的产生是通过模式选择器2产生，模式选择器2是一个能够调节入射到光纤内部的模式的装置，光纤模式的激发与光纤入射的角度有关，因此模式选择器2能够调节入射光角度从而激发LP₂₁模式，具体结构可以有很多种，例如光纤耦合器，FC光纤接头，SC光纤接头，ST光纤接头，法兰盘，适配器，也可以是搭建的可以调节入射光角度的光耦合装置。通过观察光斑出射的形状判断耦合的模式，当光斑为对称的四斑分布时即可确定激发的是LP₂₁模式。

本实施例中，光源1的波长为650nm，光纤为G652标准光纤。光纤的传感部分输入端5、传感部分输出端7沿基板横向方向存在位置差，光纤的入射部分4与出射部分8应该平行于基板边线，传感部分输入端5、传感部分输出端7的弧状半径不能小于15mm，半径过小将导致LP₂₁模式在弯曲部分引起泄露。传感部分输入端5、传感部分输出端7的弧状中间可以有一段垂直的光纤段6，所述的光纤段6与传感部分输入端5、传感部分输出端7一起构成将基板弯曲应变转化为光纤扭转应变的结构。也可以不设置光纤段6，从而让传感部分输入端5、传感部分输出端7的弧状相切构成将基板弯曲应变转化为光纤扭转应变的结构。整个传感区的横向传感范围总长度为光纤的入射部分4、传感部分、出射部分8的所有横向距离相加。

实施例2

如图2所示的基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器，包括实施例1所述的光纤光斑产生及传感装置、光学衰减片9、光斑探测器10、电脑、基板(包含入射区12、传感区13、出射区14)。

光纤的入射部分4与光纤的出射部分8与基板的传感区13相垂直，实现基板在横向弯曲时光纤的入射部分4、出射部分8只有纯弯曲应变，没有扭转应变。所有光纤光斑产生及传感装置的入射部分4互相接触且两组光纤光斑产生及传感装置的出射部分8互相接触；各组光纤光斑产生及传感装置的传感部分输入端5、传感部分输出端7相互分离。

光斑探测器10用于探测光斑形状的光学探测设备，例如CCD，COMS，摄像头，光电二极管。直接将光斑投射在光斑探测器10上，会导致探测器饱和，因此在其前需要设置光学衰减片9，光学衰减片9的衰减度根据光源1决定，一般10％透过率的光学衰减片9比较合适。

光斑探测器10与信号处理设备为配套装置，有两种方案：

第一种方案为光斑探测器10为CCD或者CMOS等光电图像探测器，信号处理设备为电脑。光斑探测器10连接到电脑，电脑通过软件截取光斑探测器10上的截图，然后使用软件处理光斑截图，计算光斑图的各光斑中心点的位置。

第二种方案为光斑探测器10为光电二极管，信号处理设备为数字信号设备。光电二极管用于探测光斑特定点的光强，数字信号处理设备根据得到的光强通过与光斑中心光强的对比，计算得到光斑旋转经过的角度。

基板的作用是用于固定光纤，引起应变，基板的选材需要薄，形变要均匀，并且只能沿着光纤方向进行弯曲应变。光纤与基板的固定，需要应用软性的胶水进行紧密固定，这样可以使得应变变得缓慢均匀，满足LP₂₁进行纯弯曲形变的要求。

可弯曲的基板可用于支撑与固定传感装置，是能够弯曲与扭曲的薄片，例如金属薄片、塑料薄片、木质薄片等。基板的弯曲半径不能小于5mm，半径小于5mm将破坏LP_21模式的传播条件。

LP₂₁模式的图形是四光斑结构，根据研究当光纤进行弯曲应变时，LP₂₁模式的光斑基本保持不变，即不发生旋转也不发生变形。在图3中，光纤弯曲半径分别为20cm，30cm，50cm，100cm，∞时的实验结果，光斑从左至右变化，弯曲半径依次增大。从图3中可以非常明显地看到光斑保持原来的形状，即光纤弯曲对LP₂₁模式的光斑图形没有影响。

同样根据研究当光纤进行扭转应变时，LP₂₁模式的光斑会绕着光斑中心进行旋转，而在旋转过程中保持四光斑分布形式不变。在图4的LP₂₁模式的光纤扭转实验结果中，光斑从左至右变化，相邻的图之间光纤扭转角度差为30°，扭转部分光纤长度为20cm。当光纤扭转角度从0°到330°以30°间隔进行增加，光斑会跟着旋转，并保持四光斑形状不变。

进行更加密集的数据采集，得到光斑旋转角度与光纤扭转角度之间的关系为图5的结果，横坐标为光纤扭转角度，纵坐标是光斑旋转角度，两者之间为线性关系。理论上经过推导与计算得到斜率为1+n²P₄₄，其中n为光纤的折射率取值，P₄₄为光纤的弹光系数。图5中，横坐标为光纤扭转角度，纵坐标为光斑扭转角度，散点为图中每幅光斑图的旋转角度关系，其中的直线为对图中散点的线性拟合。

实施例3

如图6所示，本实施例与实施例2的区别在于添加了参考光纤24，用于矫正光纤入射部分4与出射部分8扭转对光纤的影响，从而在实现传感部分的弯曲测量的同时，避免传感部分与以外的弯曲与扭曲对测量的影响。

引入参考光纤24的模式具体是：相邻的两组实施例1所述的光纤光斑产生及传感装置构成一对光纤光斑产生及传感装置；在每一对光纤光斑产生及传感装置中，两组光纤光斑产生及传感装置的入射部分4互相接触且两组光纤光斑产生及传感装置的出射部分8互相接触；各组光纤光斑产生及传感装置的传感部分输入端5、传感部分输出端7相互分离。

光源1的波长都为650nm，模式选择器2与实施例2相同。测量光纤20为传感光纤，而测量光纤20的入射部分4中，位为传感部分与参考光纤24的传感部分之间的一段光纤22用于测量弯曲应变。参考光纤24用于矫正测量光纤20的入射部分4、出射部分8的扭转对光纤的影响。而参考光纤24的出射部分8中，位为传感部分与测量光纤20的传感部分之间的一段光纤26为无应变部分，为了避免对测量结果的影响，这部分光纤是不能发生弯曲与扭转的。将测量光纤20和参考光纤24的入射部分4、出射部分8紧密放置，使得他们发生的应变量相同。

基板用于固定光纤，引起应变，基板的选材需要薄，形变要均匀。基板分为四个区，分别为入射区12、第一传感区131、第二传感区132、出射区14，其中入射区12、出射区14为可以发生扭转应变，也可以发生弯曲应变，并且变化缓慢，这两部分主要是考虑到传感部分前后的引导光纤的存在，并且这两部分基板的形状是任意的，即包括弯曲与扭转。第一传感区131为测量光纤20的传感区，第一传感区131用于测量弯曲应变，因此只能发生沿光纤方向的弯曲。第二传感区132为参考光纤24调整位置区域，第二传感区132不能发生弯曲与扭转，要不然会引入误差。

LP₂₁模式的激发通过模式耦合器实现，经过调整与选择得到单纯的LP₂₁模式，即四光斑分布图。由于LP₂₁模式的特性在发生纯弯曲变化时，光斑的形状不会发生变化，因此可以避免光纤出射部分8与入射部分4的弯曲对测量结果造成的影响。由于测量光纤20和参考光纤24的入射部分4、出射部分8紧密放置、并列紧靠，因此它们的扭转应变造成的光斑扭转角度是相同的。测得参考光纤24的光斑旋转的角度，得到测量光纤20上由于入射部分4与出射部分8扭转而引起的转角。弯曲应变的测量是通过测量光纤20的传感部分的结构实现，当传感部分的弧状弯曲半径发生变化时，光纤有扭转行为，因为LP₂₁模式的扭转特性，可以导致光斑探测器10上的光斑发生旋转。因此测得测量光纤20出射部分8的光斑旋转的角度减去参考光纤24出射部分8的光斑旋转角度即可得到由于弯曲而引起的转角大小，由此可以测得弯曲应变的大小。

实施例2所述的光纤应变传感器可以多组一起使用；实施例3所述的光纤应变传感器可以多对组合，同时使用。此时所述的基板分为N+2个部分，N为固定在所述的基板上的光纤光斑产生及传感装置的光纤的传感部分的数量，并与光纤的传感部分一一对应进行固定。

本发明的测量方法有以下步骤组成：一、利用激光发射器产生一束激光通过模式选择器2进入应变传感器；二、光信号通过中间的传感部分，通过基于光纤LP₂₁模式的传输特性对光信号进行处理；三、通过传感器的光信号在经过处理后，进入信号处理设备，最终实现对物体的扭转量或空间弯曲量的测量。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域中的普通技术人员来说，在不脱离本发明核心技术特征的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种光纤光斑产生及传感装置，包括光源(1)、模式选择器(2)和基于光纤LP₂₁模式的光纤，所述光源(1)与模式选择器(2)的输入端连接，所述的光纤包括入射部分(4)、传感部分、出射部分(8)，所述模式选择器(2)的输出端与光纤的入射部分(4)连接，其特征在于，所述的传感部分包括与光纤入射部分(4)相连的传感部分输入端(5)、与光纤出射部分(8)相连的传感部分输出端(7)，所述的传感部分输入端(5)、传感部分输出端(7)是呈弧状。

2.根据权利要求1所述的光纤光斑产生及传感装置，其特征在于，光纤的入射部分(4)与出射部分(8)不在同一条直线上，所述的传感部分输入端(5)、传感部分输出端(7)存在位置差。

3.根据权利要求2所述的光纤光斑产生及传感装置，其特征在于，光纤的入射部分(4)与出射部分(8)平行。

4.根据权利要求3所述的光纤光斑产生及传感装置，其特征在于，传感部分输入端(5)、传感部分输出端(7)之间还包括与光纤的入射部分(4)与出射部分(8)垂直的光纤段(6)。

5.根据权利要求1所述的光纤光斑产生及传感装置，其特征在于，传感部分输入端(5)、传感部分输出端(7)的弧状半径不小于15mm。

6.一种基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器，其特征在于：包括可弯曲与扭曲的基板、光斑探测器(10)和至少一组以上权利要求1至5其中一项所述的光纤光斑产生及传感装置；每一组光纤光斑产生及传感装置的光纤的传感部分固定于所述的基板上；所述光纤的出射部分(8)与所述光斑探测器(10)的探测面相对，以使所述光纤的出射部分(8)所输出的光斑能投射在所述的探测面。

7.根据权利要求6所述的基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器，其特征在于，所有光纤光斑产生及传感装置的入射部分(4)互相接触且两组光纤光斑产生及传感装置的出射部分(8)互相接触；各组光纤光斑产生及传感装置的传感部分输入端(5)、传感部分输出端(7)相互分离。

8.根据权利要求6所述的基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器，其特征在于，相邻的两组光纤光斑产生及传感装置构成一对光纤光斑产生及传感装置；在每一对光纤光斑产生及传感装置中，两组光纤光斑产生及传感装置的入射部分(4)互相接触且两组光纤光斑产生及传感装置出射部分(8)互相接触；各组光纤光斑产生及传感装置的传感部分输入端(5)、传感部分输出端(7)相互分离。

9.根据权利要求7或8所述的基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器，其特征在于，所述的基板分为N+2个部分，N为固定在所述的基板上的光纤光斑产生及传感装置的光纤的传感部分的数量，并与光纤的传感部分一一对应进行固定。

10.根据权利要求9所述的基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器，其特征在于，在所述的光斑探测器(10)前设置光学衰减片(9)。

11.根据权利要求7所述的基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器，其特征在于，所述的基板的弯曲半径不小于5mm。

12.一种基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器的测量方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、光源(1)产生的光线通过模式选择器(2)进入应变传感器，光信号通过应变传感器中的光纤的传感部分，通过基于光纤LP₂₁模式的传输特性对光信号进行处理；

13.根据权利要求12所述的基于光纤LP₂₁模式的光纤应变传感器的测量方法，其特征在于，对物体的扭转量由信号处理设备接收到的光斑的旋转角度判断得出，判断公式为：

其中，n为光纤的折射率取值，P₄₄为光纤的弹光系数。