CN104048623B - 一种基于双芯光纤的光纤微弯传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于双芯光纤的光纤微弯传感器，包括光源、单模光纤耦合器、双芯光纤、第一光功率计、第二光功率计，光源发出的光通过单模光纤耦合器分成两束，单模光纤耦合器的两个输出端分别连接双芯光纤输入端的两个纤芯，两束光分别注入两个纤芯，再分别通过第一传导单模光纤和第二传导单模光纤传输到第一光功率计和第二光功率计，第一光功率计和第二光功率计将检测到的信号输入至角度计算电路从而获得两个纤芯的弯曲角度。本发明降低了两个纤芯间的距离提高了两个纤芯的耦合能力，从而增加了光纤微弯传感器的精度和灵敏度。

Description

一种基于双芯光纤的光纤微弯传感器

技术领域

本发明涉及的是一种传感器，具体地说是测量微弯角度的传感器。

背景技术

当光在光纤中传输时，光波的相位和振幅会因外界温度、压力、震动等因素作用而产生变化，光纤传感器则是利用了这一基本原理来检测物理量变化的传感器。由于光纤的光路是封闭的，因此光纤传感器更适合在高温高压、易燃易爆、腐蚀性情况等恶劣环境下进行测量。因此，光纤传感器在航空航天、石油开采、自动控制等领域得到广泛的应用。

光纤微弯传感器则是其中一种测量物体微小弯曲的器件。通过光纤弯曲导致光相位和振幅变化，来测量压力、速度、应变、流量等环境参量。光纤微弯角度传感器通常分为两种：一种是基于光谱频移，另一种是基于光强变化。基于光谱频移的光纤微弯传感器是通过检测波长的移动来检测弯曲的角度，具有较高的精度和灵敏度，可以实现高精度的检测。但是这种传感器的光纤结构相对复杂并且需要使用光谱分析仪来对信号进行检测，这极大的增加了传感器的制作成本，具有较低的实用性。基于光强变化的光纤微弯角度传感器则是通过检测光纤弯曲导致传输光强度的损耗变化，这种传感器的结构简单、检测技术不复杂，并且具有较低的制作成本。但是基于光强变化的光纤微弯角度传感器具有较低的精度和灵敏度，特别是在小角度情况下，传输光强度的损耗变化较小，并且伴随着光源功率波动，这极大影响了微弯角度的测量结果。

发明内容

本发明的目的在于提供测量微弯角度的一种基于双芯光纤的光纤微弯传感器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于双芯光纤的光纤微弯传感器，其特征是：包括光源、单模光纤耦合器、双芯光纤、第一光功率计、第二光功率计，光源发出的光通过单模光纤耦合器分成两束，单模光纤耦合器的两个输出端分别连接双芯光纤输入端的两个纤芯，两束光分别注入两个纤芯，再分别通过第一传导单模光纤和第二传导单模光纤传输到第一光功率计和第二光功率计，第一光功率计和第二光功率计将检测到的信号输入至角度计算电路从而获得两个纤芯的弯曲角度。

本发明还可以包括：

1、通过下式获取N组已知的不同角度的双芯光纤的N个功率差P(z)：

$P\left(z\right)=[P_B\left(0\right)-P_A\left(0\right)]+F^2\left\{2\right[P_A\left(0\right)-P_B\left(0\right)]+\frac{2({\mathrm{\β}}_B-{\mathrm{\β}}_A)}{\stackrel{\‾}{C}}{\left[P_A\left(0\right)P_B\left(0\right)\right]}^{1/2}\}{\sin }^2\left(\frac{\stackrel{\‾}{C}}{F}z\right),$

其中P_A(0)和P_B(0)分别是两个纤芯的初始功率值，β_i(i＝A,B)是两个纤芯的传播常数，是耦合系数，z是两个光纤的长度；

通过数学线性拟合方法计算出功率差和两个光纤弯曲角度的线性化函数，并将线性化函数输入到角度计算电路中；

角度计算电路获取第一光功率计和第二光功率计的信号后，通过线性化函数获得两个纤芯的弯曲角度。

本发明的优势在于：本发明采用1×2单模光纤耦合器将光源发出的光一分为二，并同时注入双芯光纤的两个纤芯中去，这样降低了两个纤芯因能量耦合而引起的强烈波动，增加了传感器的测量范围。采用的双芯光纤的两个纤芯间距为16μm，降低了两个纤芯间的距离提高了两个纤芯的耦合能力，从而增加了光纤微弯传感器的精度和灵敏度。因此，相比于基于光强的光纤微弯传感器，本发明具有更高的精度和灵敏度。此外采用的双芯光纤制造简单，并且使用功率计代替光谱分析仪作为信号探测器。从而，相比于基于光谱频移的光纤微弯传感器，在相同精度和灵敏度的情况下，采用双芯光纤制造的光纤微弯传感器具有更低的制造成本，更高的实用性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明双芯光纤的横截面图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～2，基于双芯光纤的光纤微弯传感器包括光源1，单模光纤耦合器2，双芯光纤3，传导单模光纤4和5，光功率计6和7，数字电路8组成。光源1发出的光通过单模光纤耦合器2分成两束，两束光同时被注入到双芯光纤3的两个纤芯。

本发明中基于双芯光纤的光纤微弯传感器中双芯光纤3的光纤采用如图2所示的结构，该双芯光纤由单两个纤芯组成，包层直径为40μm，两个纤芯301和302的直径为8.2μm。

当两束光被分别同时注入双芯光纤的两个纤芯，两个纤芯之间产生耦合现象，根据模式耦合方程，两个纤芯(A和B)间的功率差为：

$P\left(z\right)=[P_B\left(0\right)-P_A\left(0\right)]+F^2\left\{2\right[P_A\left(0\right)-P_B\left(0\right)]+\frac{2({\mathrm{\β}}_B-{\mathrm{\β}}_A)}{\stackrel{\‾}{C}}{\left[P_A\left(0\right)P_B\left(0\right)\right]}^{1/2}\}{\sin }^2\left(\frac{\stackrel{\‾}{C}}{F}z\right)$

其中：P_A(0)和P_B(0)是两个纤芯的初始功率值，β_i(i＝A,B)是两个纤芯的传播常数，是耦合系数。两个光纤的长度z

当光纤被弯曲时，光纤的折射率发生变化，根据保角变换：

$n_{\mathrm{eq}}(x,y)=n(x,y)\exp \left(\frac{p}{R}\right)$

其中：n(x,y)是直光纤的折射率分布，n_eq(x,y)是弯曲后光纤的折射率分布，R是弯曲半径，p＝x或y为距离弯曲中心的距离。

经过双芯光纤3的两束光从输出端经过传导单模光纤4和5传输到光功率计6和7，功率计6和7分别测量出两个纤芯传输的功率，光功率计6和7检测的数字信号最终传输到数字电路8中，通过运算最终解算出光纤的弯曲角度，实现两个光纤A、B弯曲角度的测量。

经过双芯光纤3的两束光从输出端经过传导单模光纤4和5传输到光功率计6和7，功率计6和7分别测量出两个纤芯传输的功率。

制作好的基于双芯光纤的光纤微弯传感器通过实验测试出20个不同弯曲角度(弯曲角度范围在0°到5°)所对应的功率计6和7的功率差，并通过数学线性拟合方法计算出功率差和弯曲角度的线性化函数(由于制造工业和设备连接处损耗的差异性，线性化函数各有不同)，并将线性化函数输入到角度计算电路8中。

光功率计6和7检测的数字信号传输到角度计算电路8中，通过运算最终解算出光纤的弯曲角度，实现弯曲角度的测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：由光源、单模光纤耦合器、双芯光纤、传导单模光纤、光功率计和数字电路组成，光源发出的光通过单模光纤耦合器分成两束：两束光分别同时注入双芯光纤的两个纤芯。两束光通过双芯光纤时发生耦合，并通过两根单模光纤传输到两个光功率计，光功率计检测到的信号经过数字电路处理可得到弯曲的角度，实现光纤微弯传感器测量微弯角度的功能。

光源为半导体激光器，功率为1w，光源发出的光的波长为1550nm。

单模光纤耦合器是一个由SMF-82型号光纤制作而成的1×2单模光纤耦合器，具有一个输入端和两个输出端，将光分成相同强度的两束光传出。

双芯光纤的两个纤芯的直径为8.2μm，两个纤芯的间距为16μm，双芯光纤包层直径为40μm。。

双芯光纤弯曲方向沿X轴方向。

传导单模光纤的型号为SMF-82。

功率计的分辨率为1nW。

Claims (1)

1.一种基于双芯光纤的光纤微弯传感器，其特征是：包括光源、单模光纤耦合器、双芯光纤、第一光功率计、第二光功率计，光源发出的光通过单模光纤耦合器分成两束，单模光纤耦合器的两个输出端分别连接双芯光纤输入端的两个纤芯，两束光分别注入两个纤芯，再分别通过第一传导单模光纤和第二传导单模光纤传输到第一光功率计和第二光功率计，第一光功率计和第二光功率计将检测到的信号输入至角度计算电路从而获得两个纤芯的弯曲角度；

通过下式获取N组已知的不同角度的双芯光纤的N个功率差P(z)：

$P\left(z\right)=\[P_B\left(0\right)-P_A\left(0\right)\]+F^2\{2\[P_A\left(0\right)-P_B\left(0\right)\]+\frac{2({\mathrm{\β}}_B-{\mathrm{\β}}_A)}{\stackrel{\‾}{C}}{\[P_A\left(0\right)P_B\left(0\right)\]}^{1/2}\}{\sin }^2\left(\frac{\stackrel{\‾}{C}}{F}z\right),$

其中P_A(0)和P_B(0)分别是两个纤芯的初始功率值，β_i(i＝A,B)是两个纤芯的传播常数，是耦合系数，z是两个光纤的长度；

通过数学线性拟合方法计算出功率差和两个光纤弯曲角度的线性化函数，并将线性化函数输入到角度计算电路中；

角度计算电路获取第一光功率计和第二光功率计的信号后，通过线性化函数获得两个纤芯的弯曲角度。