CN103712575A - 光学的弯曲曲率测试方法及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感领域的测量技术，为提供结构简单、插入损耗小、精度高、无需在光纤上刻蚀光栅的传感器，而且该传感器能够消除外界温度的交叉影响，可以提高检测精度。为此，本发明采用的技术方案是，光学的弯曲曲率测试方法及传感器，包括下列步骤：（1）测量单根纤芯的弯曲特性：监测干涉谱峰值随弯曲曲率变化而变化的情况；（2）测量单根纤芯的温度特性（3）利用两根纤芯进行弯曲特性的检测：（4）计算弯曲曲率本发明主要应用于曲率测量。

Description

光学的弯曲曲率测试方法及传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感领域的测量技术，是一种具有温度补偿功能的弯曲曲率测量装置，具体讲，涉及光学的弯曲曲率测试方法及传感器。

背景技术

光纤传感器具有质轻、结构简单、灵敏度高、精度高、抗电磁干扰、可以在一些环境恶劣空间狭小的地方工作，因此该传感器自从被提出以后就得到了广泛的关注和研究。目前已有多种形式的光纤传感器被提出，这其中包括基于FBG光纤传感器、基于LPFG光纤传感器、基于MMI光纤传感器等，这些传感器可以实现温度、应变、折射率、位移、弯曲曲率等物理量的检测。而对于一些类似于人的肢体关节运动的机构，如仿生物机器、智能机器人、虚拟手等智能机器，弯曲曲率的检测尤为重要，到目前为止国内外就弯曲曲率传感器的研究已有了一些的研究和报道。

美国专利文献U.S.20030072515中公开了一种利用两个FBG进行弯曲曲率的检测。该检测方法将两个FBG分别贴附在待检测机构的两个面上，当机构发生弯曲变形时，通过检测两个FBG特征波长变化量来求得弯曲的曲率。这种方法的缺点是在贴附FBG时两者的位置要精确的对应上，而且还要考虑机构的温度梯度对测量结果的影响。美国专利文献U.S.7324714B1，名为《MULTICORE FIBER CURVATURE SENSOR》的专利报道了一种利用干涉原理实现弯曲曲率检测的传感器。该传感器需要在多芯光纤中刻上光栅，多芯光纤的每一根纤芯后面都要连接一个干涉计。该检测方法系统结构复杂，需要在多芯光纤上刻光栅增加了制作的难度和成本，最主要的是光源在与多芯光纤之间是空间耦合，增加了操作难度，而且还很难保证每根纤芯获得的能量是相等的。美国专利文献U.S.6940062B2,名为《OPTICAL FIBER CURVATURE SENSORFOR MEASURING BODY MOTION AND ITS ADHESIVE METHOD》的专利报道了一种用于检测人的肢体弯曲传感器。该弯曲传感器主要结构是一根包层被去除掉的光纤，利用的是弯曲致使光能量衰减的原理，报道称还可以实现弯曲方向的检测。但是该传感器最大的缺点就是检测精度不高，依据能量损耗实现弯曲曲率的检测存在很大的误差。

在国内，专利号为CN102538702A，名为《侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器》的专利报道了一种将散射剂（散射体与染色剂和粘接剂的混合物混合而成）涂敷于纤芯侧表面，以此来增加光纤对弯曲敏感性的弯曲传感器。该曲率传感器的原理是基于光纤倏逝场散射损耗随弯曲变形改变产生对输出光强调制作用的机理，在部分芯包界面掺杂散射体，制成侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其散射损耗同光纤的弯曲半径有关，光纤弯曲半径的微小变化，可使输出光强损耗发生明显变化，通过检测出射能量的变化实现弯曲曲率的检测。但是这种传感器需要一个参考光路，目的是为了消除温度对曲率检测的影响，这使得检测系统变得更加复杂；而且这种传感器需要涂覆散射剂，增加使制作成本和难度。专利号为CN101865665A，名为《光纤型弯曲参量的测定装置及方法》的专利报道了一种是基于光纤微弯损耗变化的一种新型结构及方法，该方法可以测定待测物体的弯曲曲率及变化，并可以做到能够同时测量弯曲的方向角度及其变化。由于该方法是利用弯曲损耗来实现曲率的检测，所以检测误差比较大。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出了一种新型的光学弯曲曲率传感器，其结构简单、插入损耗小、精度高、无需在光纤上刻蚀光栅，而且该传感器能够消除外界温度的交叉影响，可以提高检测精度，本发明予以实现的技术方案是，光学的弯曲曲率测试方法，包括如下步骤：

（1）测量单根纤芯的弯曲特性：监测干涉谱峰值随弯曲曲率变化而变化的情况；

（2）测量单根纤芯的温度特性

在（1）的基础上让光纤保持某一弯曲状态或者让其处于直线状态下不变，改变环境的温度，同样用宽带光源作为输入，利用光谱仪实时监测输出的干涉谱峰值随温度变化而变化的情况；

（3）利用两根纤芯进行弯曲特性的检测：

在（1）的基础上利用两根纤芯进行弯曲曲率的检测，输入光源为宽带光源，利用光谱仪接收两根纤芯的输出干涉谱线，实时记录两根纤芯输出的干涉谱线峰值的变化情况；

（4）计算弯曲曲率

在（3）的基础上计算出两根纤芯在不同弯曲状态下干涉峰/谷波长的变化量，再将这两根纤芯对应的波长变化量做差，得到的是一个与温度无关的波长变化量，这个变化量与光纤弯曲状态是一一对应的，通过绘图软件便可以绘制出一个波长变化量与弯曲曲率之间关系图。

两根纤芯一根为单模光纤，另一纤芯为多芯少模光纤的一根纤芯，耦合时，两纤芯轴线存在一定的错位，目的是为了使少模光纤中LP01和LP11模式可以被等功率激发。

光学的弯曲曲率测试传感器，由宽带光源、单模光纤、三维调整架、多芯少模光纤、光谱仪组成，所述的单模光纤的末端分别夹持在三维调整架；所述的多芯少模光纤的两端固定在三维调整架上；所述的三维调整架调节分辨率为1μm，用来实现单模光纤和多芯少模光纤之间的空间耦合；所述的光谱仪用来接收出射单模光纤输出的干涉信号。

本发明的技术特点及效果：

本发明与以往的弯曲曲率传感器相比，不需要在光纤上刻蚀光栅，也不需要将单模光纤与多芯少模光纤进行熔接，这既简化了制作的工艺，同时也降低了制作的成本。现有的光纤弯曲曲率传感器只能进行曲率的检测，不能消除外界温度的影响，导致检测的结果不准确。而本发明一个显著的优点就是可以消除温度的影响，提高检测的精度。这种新型的多模光纤弯曲曲率传感器市场前景广阔，具有良好的技术转化基础，同时还具有广泛的社会效益。

附图说明

附图1是本发明的整体结构示意图，图中：

1-宽带光源     2、8-单模光纤

3、5、6、7-三维调整架     4-多芯少模光纤

9-光谱仪。

附图2单模光纤与多芯少模光纤耦合的一种方式，图中：

附图3单模光纤与多芯少模光纤另一种耦合方式，图中：

2，、8，-单模光纤：锥形光纤束。

附图3描述的是一种最新的多芯光纤耦合方式，这种耦合方式利用锥形光纤束与多芯少模光纤进行耦合，可以一次对准实现多根纤芯之间的耦合。

具体实施方式

本发明的目的在于设计出一种结构简单、插入损耗小、制作成本低且能够消除温度交叉影响的多芯少模光纤弯曲曲率传感器，用于实现机械结构弯曲曲率的检测。

本发明予以实现的技术方案如下。

（1）测量单根纤芯的弯曲特性

首先搭建测量单根纤芯弯曲特性的实验系统，用宽带光源作为输入，利用光谱仪接收输出干涉谱信息，实时监测干涉谱峰值随弯曲曲率变化而变化的情况。

（2）测量单根纤芯的温度特性

在（1）的基础上让光纤保持某一弯曲状态或者让其处于直线状态下不变，改变环境的温度，同样用宽带光源作为输入，利用光谱仪实时监测输出的干涉谱峰值随温度变化而变化的情况。

（3）利用两根纤芯进行弯曲特性的检测

在（1）的基础上利用两根纤芯进行弯曲曲率的检测，输入光源为宽带光源，利用光谱仪接收两根纤芯的输出干涉谱线，实时记录两根纤芯输出的干涉谱线峰值的变化情况。

（4）计算弯曲曲率

在（3）的基础上可以计算出两根纤芯在不同弯曲状态下干涉峰/谷波长的变化量，再将这两根纤芯对应的波长变化量做差，得到的是一个与温度无关的波长变化量，这个变化量与光纤弯曲状态是一一对应的，通过绘图软件便可以绘制出一个波长变化量与弯曲曲率之间关系图。

下面结合具体的实施方式对本发明实施方案作进一步详细的描述。

首先结合附图1对该弯曲传感器进行整体描述。如附图1所示本发明是一种光纤弯曲曲率传感器，所述的光纤弯曲传感器由宽带光源（1），单模光纤（2）、（8），三维调整架（3）、（5）、（6）、（7），多芯少模光纤（4），光谱仪（9）组成。所述的宽带光源（1）的谱线宽度为1525-1565nm；所述的单模光纤的末端（2）和（8）分别夹持在三维调整架（3）和（7）上；所述的多芯少模光纤（4）的两端固定在三维调整架（5）和（6）上；所述的三维调整架（3）、（5）、（6）、（7）调节分辨率为1μm，用来实现单模光纤和多芯少模光纤之间的空间耦合；所述的光谱仪（9）分辨率为10pm，用来接收出射单模光纤（8）输出的干涉信号。

根据附图1搭建传感系统，测量单根少模光纤的弯曲特性，测量过程中利用附图2所示的耦合方式，对于本发明来说附图2是最佳的耦合方式。单模光纤（2）和（8）与多芯少模光纤（4）的一根纤芯进行空间耦合。对准过程是通过调节三维调整架（3）、（5）、（6）、（7）来实现的，单模光纤（2）与多芯少模光纤（4）的一根纤芯耦合时，两纤芯轴线存在一定的错位，目的是为了使少模光纤中LP01和LP11模式可以被等功率激发，使干涉效果更加明显。多芯少模光纤（4）末端出射的干涉信号耦合进入单模光纤（8）中，干涉信号被光谱仪（9）接收并显示。当光谱仪（9）可以接收到明显的干涉光谱时，固定三维调整架（3）、（5）、（6）、（7）。再利用一个圆柱体紧贴着多芯少模光纤（4），使得多芯少模光纤发生一定的弯曲。光谱仪（9）记录不同曲率下干涉谱线，将发生弯曲后的干涉谱与未弯曲状态下的谱线进行比较，可以获得干涉峰/谷波长变化量的大小，每一个波长变化量对应一个弯曲状态，由此可以计算出单根少模光纤的弯曲特性。

其中，当单模光纤与少模光纤耦合时，激发出少模光纤内LP01模式和LP11模式，这两种模式轴向传播常数不同，两种模式传播过一段距离后会产生一个相位差，彼此之间会发生干涉。干涉会产生干涉峰值和谷值，这些峰值和谷值也就是所谓的特征波长，特征波长由传感部分少模光纤长度、纤芯折射率、纤芯半径决定。外界物理量引起少模光纤长度、纤芯折射率、纤芯半径变化将会导致特征波长变化，基于此实现对外界物理量的检测。

单根少模光纤温度特性的测量是在弯曲特性检测的基础上进行的。当多芯少模光纤（4）处于某一弯曲状态下时，保持此弯曲曲率不变，改变环境的温度，以10摄氏度为一个步长，温度的变化范围从25—85摄氏度，温度每改变一次光谱仪（9）采集一次干涉谱线，将这些变化后谱线图与初始温度下干涉谱线进行比较，可以获得干涉谱线峰值/谷值变化量的大小，每一个变化量对应一个环境温度，由此可以计算出单根少模光纤的温度特性。

附图2描述的是单模光纤与多芯少模光纤的一种空间耦合方式，由于该弯曲传感器需要利用两根少模纤芯，所以要进行两次对准耦合。具体的耦合过程为当单模光纤（2）和（8）与其中一个纤芯耦合时，例如纤芯（12），通过调节三维调整架使得耦合效果达到最佳，光谱仪采集出射干涉信号；再次调整单模光纤（2）和（8）与纤芯（15）进行耦合，同样通过调节三维调整架的调节使得耦合效果达到最佳，光谱仪采集出射干涉信号。

具有温度补偿功能的多芯少模光纤弯曲曲率传感器整体结构示意图如附图1所示，最佳的耦合方式如附图2所示。本发明需要利用多芯少模光纤（4）中纤芯（12）和（15）实现弯曲曲率的检测，多芯少模光纤发生弯曲时，纤芯（12）和（15）对应的弯曲曲率不同，导致它们出射的干涉谱线存在差异，即干涉峰/谷波长变化量不同。弯曲的产生和谱线的采集与单根少模纤芯弯曲特性检测相同，唯一不同的是此时需要利用两根纤芯来实现传感，因此单模光纤和多芯少模光纤需要两次对准耦合。附图2描述的是一种空间耦合方式，这种耦合方式无需纤芯间的熔接，而且还可以根据实际需求进行实时的调整，该耦合方式相比于最新的锥形光纤束耦合方法更适合本发明。纤芯（12）、（15）每个弯曲状态下出射的干涉谱线均由光谱仪（9）采集，每根纤芯干涉谱线处理方法与单根少模纤芯处理方式相同。

图2所示的是一种耦合结构，利用单模光纤与少模光纤进行耦合。单模光纤作为输入端将光信号注入少模光纤中，并且激发出少模光纤内的LP01和LP11模式，耦合时单模光纤和少模光纤之间存在一定的错位，以保证可以等功率激发出LP01和LP11模式，尽可能提高调制深度，这样子可以使得干涉条纹更加的明显。出射端同样利用单模光纤和少模光纤进行空间耦合，单模光纤接收少模光纤出射的干涉信号并在光谱仪上显示。

光谱仪（9）采集（12）和（15）干涉谱线，分别计算出它们干涉峰/谷对应波长的变化量与弯曲曲率之间的关系，再将获取的结果做差，即两根纤芯干涉峰/谷对应的周期变化量与曲率之间的关系，这种做差的方法可以去除温度的交叉影响，实现温度补偿，获取更加准确的测量结果。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种光学的弯曲曲率测试方法，其特征是，包括如下步骤：

（1）测量单根纤芯的弯曲特性：监测干涉谱峰值随弯曲曲率变化而变化的情况；

（2）测量单根纤芯的温度特性

在（1）的基础上让光纤保持某一弯曲状态或者让其处于直线状态下不变，改变环境的温度，同样用宽带光源作为输入，利用光谱仪实时监测输出的干涉谱峰值随温度变化而变化的情况；

（3）利用两根纤芯进行弯曲特性的检测：

在（1）的基础上利用两根纤芯进行弯曲曲率的检测，输入光源为宽带光源，利用光谱仪接收两根纤芯的输出干涉谱线，实时记录两根纤芯输出的干涉谱线峰值的变化情况；

（4）计算弯曲曲率

在（3）的基础上可以计算出两根纤芯在不同弯曲状态下干涉峰/谷波长的变化量，再将这两根纤芯对应的波长变化量做差，得到的是一个与温度无关的波长变化量，这个变化量与光纤弯曲状态是一一对应的，通过绘图软件便可以绘制出一个波长变化量与弯曲曲率之间关系图。

2.如权利要求1所述的光学的弯曲曲率测试方法，其特征是，两根纤芯一根为单模光纤，另一纤芯为多芯少模光纤的一根纤芯，耦合时，两纤芯轴线存在一定的错位，目的是为了使少模光纤中LP01和LP11模式可以被等功率激发。

3.一种光学的弯曲曲率测试传感器，其特征是，由宽带光源、单模光纤、三维调整架、多芯少模光纤、光谱仪组成，所述的单模光纤的末端分别夹持在三维调整架；所述的多芯少模光纤的两端固定在三维调整架上；所述的三维调整架调节分辨率为1μm，用来实现单模光纤和多芯少模光纤之间的空间耦合；所述的光谱仪用来接收出射单模光纤输出的干涉信号。

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