CN104154883B - 一种基于倾斜光纤光栅熔融拉锥结构的倾角测量传感器 - Google Patents

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一种基于倾斜光纤光栅熔融拉锥结构的倾角测量传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、光纤环形器(2)、连接光纤(3)、倾斜光纤光栅(4)和熔融拉锥结构(5)、毛细套管(6)、出射光纤(7)组成；光纤环形器(2)三个端口按照顺时针方向依次分别与入射光纤(1)以及连接光纤(3)和出射光纤(7)相连接，连接光纤(3)的另一端与倾斜光纤光栅(4)的左端相连接，熔融拉锥结构(5)位于倾斜光纤光栅(4)的中间位置，倾斜光纤光栅(4)和熔融拉锥结构(5)共同组成倾角测量传感头结构，毛细套管(6)包裹于倾斜光纤光栅(4)的表面；本发明灵敏度高、抗外界电磁干扰能力强，可以实现倾角大小和方向的同时测量，具有应用于各类实际工程中的潜力。

Description

一种基于倾斜光纤光栅熔融拉锥结构的倾角测量传感器
技术领域
一种基于倾斜光纤光栅熔融拉锥结构的倾角测量传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
光纤光栅传感器因其简单的结构和较高的灵敏度而在光纤传感领域中得到了广泛研究与 应用，现已成为光纤通信和传感领域中重要的器件之一。常见的应用包括大型结构的应变和 温度准分布式测量，油(气)井下压力和流量的测量，航天飞机运行状态的监测，桥梁变形 测量等，并且光纤光栅的应用范围随着研究的深入在不断扩大。光纤光栅传感以其本质安全、 不受电磁干扰、灵敏度高、质量轻、体积小、易于复用(网络)、可远距离遥测、能埋入工程 结构等特点而在传感领域备受关注并且得到广泛应用，已成为传感技术发展的主流方向之一。 随着布拉格光栅、长周期光栅以及其他各种光纤光栅刻写技术的逐渐成熟，越来越多的单参 数传感、多参数传感、分布式传感可以方便的利用光纤光栅来实现。
倾斜光纤光栅与传统的布拉格光纤光栅类似，但是由于其栅面倾角与光纤轴向不再垂直 而使得前向传输的纤芯模式同时耦合为后向传输的布拉格纤芯模和包层模。因此，倾斜光纤 光栅同时具备了布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅的优点，包层模倏逝场受到外界环境各种 参量变化的影响，从而可以利用激发的纤芯模和包层模对外界参量的变化进行传感测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于倾斜光纤光栅熔融拉锥结构的倾角测量传感器。该装置 能够将外围待测倾角的变化量转化为探测信号的强度变化量。具有结构简单、易于操作、灵 敏度高等特点。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于倾斜光纤光栅熔融拉锥结构的倾角测量传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、 光纤环形器(2)、连接光纤(3)、倾斜光纤光栅(4)和熔融拉锥结构(5)、毛细套管(6)、出射光纤 (7)组成；光纤环形器(2)三个端口按照顺时针方向依次分别与入射光纤(1)以及连接光纤(3)和 出射光纤(7)相连接，连接光纤(3)的另一端与倾斜光纤光栅(4)的左端相连接，熔融拉锥结构(5) 位于倾斜光纤光栅(4)的中间位置，倾斜光纤光栅(4)和熔融拉锥结构(5)共同组成倾角测量传感 头结构，毛细套管(6)包裹于倾斜光纤光栅(4)的表面。
所述的基于倾斜光纤光栅熔融拉锥结构的倾角测量传感器，其特征在于：倾斜光纤光栅 (4)长度为22厘米，光栅栅面倾角为10度，左右两部分倾斜光纤光栅均由毛细套管(6)包裹于 表面。
所述的基于倾斜光纤光栅熔融拉锥结构的倾角测量传感器，其特征在于：熔融拉锥结构 (5)位于倾斜光纤光栅(4)的中间位置，长度为2厘米，腰椎半径为62.5微米，锥区结构表面无 毛细套管(6)包裹。
本发明的工作原理是：倾斜光纤光栅(4)由于在中间位置拉制出熔融拉锥结构(5)而分割为 左右两部分，测量时，左端的倾斜光纤光栅(4)固定在装置上保持不变，右端的倾斜光纤光栅 (4)可以活动，由于毛细套管(6)的保护作用使得倾斜光纤光栅(4)的左右两部分始终分别保持直 线形状而不会弯曲，熔融拉锥结构(5)区域可以自由弯曲实现任意倾斜角度的变化。
入射光经过光纤环形器(2)和连接光纤(3)进入由倾斜光纤光栅(4)和熔融拉锥结构(5)组成 的传感探头后，经过倾角变化调制的反向传输的光再次经过连接光纤(3)和光纤环形器(2)后进 入出射光纤(7)，纤芯模和包层模的光强度分别为：
其中Pbragg、分别为纤芯布拉格模和包层模的光强度(假设入射光强度为1)，θ和分 别为倾角的大小和方向，是熔融拉锥结构(5)的透射率，是熔融拉锥结构(5)的包层 模透射率，是倾斜光纤光栅(4)的包层模耦合效率。
本发明的有益效果是：该倾角测量传感器中采用的倾斜光纤光栅(4)可以同时激发布拉格 纤芯模和反向传输的包层模，由于熔融拉锥结构(5)是圆柱形对称结构而倾斜光纤光栅(4)是非 圆柱形对称结构，所以倾斜光纤光栅(4)右端的变化产生的倾角大小和方向会对纤芯模和包层 模带来不同的影响，纤芯模变化只与倾角的大小相关，包层模的变化与倾角的大小和方向同 时相关，这样就可以实现倾角的大小和方向的同时测量。此外，布拉格纤芯模可以作为参考 波长，消除传感测量中的温度交叉敏感效应。
附图说明
图1是本发明的基于倾斜光纤光栅熔融拉锥结构的倾角测量传感器示意图；
图2是本发明的倾角测量传感探头示意图；
图3是本发明的测量不同倾角大小时的干涉光谱变化实验图；
图4是本发明的倾角灵敏度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：
参见附图1，由入射光纤(1)、光纤环形器(2)、连接光纤(3)、倾斜光纤光栅(4)和熔融拉锥 结构(5)、毛细套管(6)、出射光纤(7)组成；光纤环形器(2)三个端口按照顺时针方向依次分别 与入射光纤(1)以及连接光纤(3)和出射光纤(7)相连接，连接光纤(3)的另一端与倾斜光纤光栅(4) 的左端相连接，熔融拉锥结构(5)位于倾斜光纤光栅(4)的中间位置，倾斜光纤光栅(4)和熔融拉 锥结构(5)共同组成倾角测量传感头结构，毛细套管(6)包裹于倾斜光纤光栅(4)的表面。
参见附图2，倾斜光纤光栅(4)长度为22厘米，光栅栅面倾角为10度，左右两部分倾斜 光纤光栅均由毛细套管(6)包裹于表面。熔融拉锥结构(5)位于倾斜光纤光栅(4)的中间位置，长 度为2厘米，腰椎半径为62.5微米，锥区结构表面无毛细套管(6)包裹。图3为室温条件下测 量的不同倾角大小时的干涉光谱变化实验图。可见，当倾角从0～25度范围变化时，对应的反 射光谱的ghost模式附近波长的光强度逐渐降低，而波长基本不发生漂移，该传感器的灵敏 度为4.16dBm/deg。对强度变化进行解调可以得到传感器的拟合变化曲线如图4所示，其拟 合方程为：y＝1.53exp(-x/8.24)-29.15。

Claims (1)

1.一种基于倾斜光纤光栅熔融拉锥结构的倾角测量传感器，其特征在于：入射光经过入射光纤(1)进入光纤环形器(2)和连接光纤(3)，进入由倾斜光纤光栅(4)和熔融拉锥结构(5)组成的传感探头后，经过倾角变化调制的反向传输的光再次经过连接光纤(3)和光纤环形器(2)后进入出射光纤(7)；在倾斜光纤光栅(4)中间位置拉制出熔融拉锥结构(5)而分割为左右两部分，测量时，左端的倾斜光纤光栅(4)固定在装置上保持不变，右端的倾斜光纤光栅(4)可以活动，由于毛细套管(6)的保护作用使得倾斜光纤光栅(4)的左右两部分始终分别保持直线形状而不会弯曲，熔融拉锥结构(5)区域可以自由弯曲实现任意倾斜角度的变化。
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