CN105043264A - 基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于宏弯损耗效应的位移检测传感器。通过宏弯引起光纤内模场畸变，引起宏弯损耗。由两根塑料裸光纤形成双绞宏弯辐射耦合结构，利用宏弯损耗效应实现两根光纤之间的耦合，称为宏弯辐射耦合。通过宏弯半径改变宏弯损耗的光能量，引起接收光纤内光功率变化，从而实现对物体位移的检测。首次将宏弯辐射耦合结构应用于位移检测，同时实现了低成本，低功耗，高性能的位移传感器。

Description

基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器

技术领域

本发明涉及位移传感技术，具体为一种基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器。

背景技术

位移移测量在很多领域内是必不可少的，例如，纳米技术系统，精密仪器，微加工，结构损伤，桥梁变形等。目前，人们常用的位移传感器有电位式，磁敏式，电感式，电阻式，光电式，超声波式等。光电式位移传感器有激光式，光栅式以及光纤式。相较于其他位移测量法，光纤位移测量技术具有容易布置，价格低廉，灵活性高，全程非电测量，无电磁干扰等优点，在结构健康监测，桥梁变形领域内具有广泛的应用前景。目前，关于光纤位移传感器的研究越演越烈。有的学者将集中精力研制高分辨率的位移传感器，其分辨率达到纳米级别，甚至毫微米级，但其测量范围相对较低，为微米级甚至纳米级，例如，法布里-珀罗式，光纤光栅式，干涉式等。而有的学者将精力集中在大量程的位移传感技术上，其测量范围能够达到毫米级，但其分辨率在几十个微米，甚至毫米级，例如，ZhaoYong等利用光纤光栅设计的位移传感器测量范围为50mm，其分辨率为0.06mm。另外，有的位移传感器同时具备精度高，分辨率大的特点。例如，ZhouXinlei等利用法布里-珀罗干涉仪制成的位移传感器测量范围3mm，分辨率达到0.084nm，具有很高的参数支持。但是结构复杂，检测设备价格昂贵，限制了其在生活，生产过程中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于宏弯损耗效应的位移检测传感器。通过宏弯引起光纤内模场畸变，引起宏弯损耗。由两根塑料裸光纤形成双绞宏弯辐射耦合结构，利用宏弯损耗效应实现两根光纤之间的耦合，称为宏弯辐射耦合。通过宏弯半径改变宏弯损耗的光能量，引起接收光纤内光功率变化，从而实现对物体位移的检测。在较大尺度范围内(140mm)具有微尺度(最大达到8um)的分辨率。在提高分辨率的同时也兼顾了传感器的测量范围。另外，其易于布置，结构简单，成本低，在结构检测，桥梁变形等领域具有很好的发展前景。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器，包括两根光纤，其中一根为传光光纤，另一根为接收光纤，所述传光光纤始端连接LED光源、终端连接光功率计P1，所述接收光纤始端用黑色盖帽密封固定、终端连接光功率计P2。

所述传光光纤和接收光纤通过双绞后形成宏弯辐射耦合结构；所述双绞宏弯辐射耦合结构的始端固定，为固定端；终端移动，为移动端。

初始状态下，所述宏弯辐射耦合结构的圆周部分的弯曲半径等于阈值，所述阈值为当入射光在传光光纤的纤芯-包层界面上的入射角θ等于全内反射角θ_c时所对应的弯曲半径，即设纤芯的折射率为n_co，包层的折射率为n_cl，那么θ_c＝sin^-1(n_cl/n_co)；也就是说，纤芯和包层的折射率确定后，临界角就是已知值，那么，宏弯辐射耦合结构的圆周部分的弯曲半径就可以通过相关计算确定，在此不再赘述。

如图1所示，该光纤位移传感器由LED光源、宏弯辐射耦合结构以及光功率计组成。传光光纤始端连接LED光源，终端连接光功率计P1；接收光纤终端连接光功率计P2，始端用黑色盖帽密封固定，以防可见光，污染等的干扰；P1和P2分别用以检测传光光纤和接收光纤的输出功率。光纤位移传感器是由传光光纤和接收光纤通过双绞后形成双绞宏弯辐射耦合结构，利用两条光纤的宏弯辐射耦合效应来检测位移的。

当传感器位于初始状态时，入射角等于临界角，设n_co为纤芯折射率，n_cl为包层折射率，θ为入射光线与光纤轴线的夹角(即入射角)，θ_c＝sin^-1(n_cl/n_co)为临界角。

当光纤的弯曲半径小于一定的阈值，此时，入射光在纤芯-包层界面上的入射角小于其全内反射角(临界角)时，低阶模会向高阶模的转变，从而引起能量的损耗，即宏弯损耗。如图3所示，其中，光纤1为接收光纤，2为传光光纤，入射光10由LED光源发出，进入传光光纤内，直接输出光进入光功率计P1；发生宏弯损耗后，耦合输出光进入光功率计P2。损耗系数为菲涅尔传输系数(theFresneltransmissioncoefficient)T，表示为：

$T=\frac{4\cos \mathrm{\θ}{({\cos }^2\mathrm{\θ}-{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_c)}^{1/2}}{{[\cos \mathrm{\θ}+{({\cos }^2\mathrm{\θ}-{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_c)}^{1/2}]}^2}...\left(1\right);$

其中，由于损耗的量不可能比传光光纤中光能量多，所以T<1。

双绞宏弯辐射耦合结构的始端固定，为固定端，终端移动，为移动端。当移动端背向始端移动，则双绞宏弯辐射耦合结构的圆周部分的半径R逐渐减小，入射角θ将随之改变，则T将随之增大，此时传光光纤的损耗功率将增大。若输入的总功率为P₀，则损耗的功率(理论上，等于P₀减去光功率计P1的测得值)表示为：

P₀·T………………………………………………………(2)；

宏弯辐射的光能量将在传光光纤外部空间形成辐射场。当接收光纤足够接近传光光纤，辐射场的部分光进入接收光纤而重新分布，沿接收光纤轴线传播，其光能量受到耦合系数K的影响。

假设两根裸光纤之间的耦合系数为常数K，则接收光纤接收到的光功率P_接收为：

P_接收＝P₀·T·K…………………………………………………(3)；

同时，接收光纤也处于弯曲状态，接收光纤中的能量也将辐射出去，其损耗的功率为P_损耗，表示为：

P_损耗＝P₁·T＝P₀·T·K·T………………………………………(4)；

由式(3)和(4)得，接收光纤的输出功率为：

P₂＝P_接收-P_损耗

＝P₀TK-P₀T²K

＝PK(T-T²)………………………………………………..(5)；

当0<T<1时，P₂随着T增大而增大。因此，当入射角等于临界角时，不发生宏弯辐射，接收光纤的输出功率为一最小固定值；移动端不断位移，使得宏弯辐射耦合结构的圆周部分的半径不断减少，接收光纤的输出功率随着宏弯半径R的减小而增大。其中，接收光纤的输出功率可以直接由光功率计P2测得。当移动端随着滑动杆移动时，光功率计P2所测光功率随之改变，从图5中可知，宏弯辐射耦合结构的移动端的位移与P2端输出功率之间存在一一对应的关系，且属于单调函数。根据P2端输出功率的变化可以直接由图6中查找出位移的变化量，实现位移检测。

本发明设计合理，提出了一种基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器，其测量范围达到140mm，其分辨率达到8um，实现了在较大尺度范围内具有微尺度分辨率位移传感。另外，本位移传感器结构简单，成本低廉，易于布置，可应用于桥梁变形检测，结构损伤检测等领域，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1表示光纤位移传感器的原理示意框图。

图2表示传光光纤和接收光纤双绞后形成的宏弯辐射耦合结构示意图。

图3表示光纤宏弯辐射耦合效应示意图。

图4表示光纤位移传感器的实施例示意图。

图5表示通过三组实验数据所绘制的输出功率随着位移变化趋势图。

图6表示某一种位移传感器的输出功率随着位移变化的标准曲线图。

图中，1-传光光纤，2-接收光纤，3-纤芯，4-包层，10-入射光，20-直接输出光，30-耦合输出光，100-宏弯辐射耦合结构，101-固定端，102-移动端，200-固定板，201-圆形腔，202-固定槽，203-移动槽，204-移动杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器，包括两根光纤，其中一根为传光光纤1，另一根为接收光纤2，如图1所示，所述传光光纤1始端连接LED光源、终端连接光功率计P1，所述接收光纤2始端用黑色盖帽密封固定、终端连接光功率计P2。

如图2所示，所述传光光纤1和接收光纤2通过双绞后形成宏弯辐射耦合结构100；所述双绞宏弯辐射耦合结构100的始端固定，为固定端101；终端移动，为移动端102。

如图3所示，在初始状态下，所述宏弯辐射耦合结构100的圆周部分的弯曲半径等于阈值，所述阈值为当入射光10在传光光纤1的纤芯3-包层4界面上的入射角θ等于全内反射角θ_c时所对应的弯曲半径，即设纤芯3的折射率为n_co，包层4的折射率为n_cl，那么θ_c＝sin^-1(n_cl/n_co)；用于确定初始状态时，传感器中宏弯辐射耦合结构的圆周部分的半径。

所述宏弯辐射耦合结构100置于黑色套管内，不仅可屏蔽可见光，防止污染，另外还能防止划伤光纤。

如图4所示，宏弯辐射耦合结构100置于固定板200，所述固定板200上形成一圆形腔201，所述固定板200上沿圆形腔201的任一切线设有一切线槽，所述切线槽以切点为界，位于切点左侧为固定槽202，位于切点右侧为移动槽203；所述移动槽203内安装有移动杆204；所述宏弯辐射耦合结构100的圆周部分正好置于固定板200的圆形腔201内，所述宏弯辐射耦合结构100的固定端101通过硅胶粘贴于固定槽202内，其移动端102位于移动槽203内并通过硅胶粘贴于移动杆204的一端。

具体实施时，所述传光光纤1和接收光纤2均采用塑料光纤。塑料光纤(POF)是由高透明聚合物如聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤(光导纤维)。不同的材料具有不同的光衰减性能和温度应用范围。

使用前，在实验条件下，通过至少三组实验数据，绘制出图5所示的曲线，然后在误差允许的范围内，求取平均值，绘制出标准曲线，如图6所示。使用时，例如检测某一建筑物的位移，将固定板置于固定参照物上，将移动杆与被测建筑物相连；当被测建筑物发生微量位移后，移动杆发生位移，拉动宏弯辐射耦合结构的移动端发生位移，进而使得宏弯辐射耦合结构的圆周部分的半径减小，发生宏弯损耗增大，通过实时读取光功率计P2的数值，即可通过图6中的标准曲线关系，直观读出建筑物的位移量。

基于宏弯损耗效应的位移检测系统，结构上利用两根裸光纤以固定步长双绞后形成宏弯环形结构，即双绞宏弯辐射耦合结构，首次将其运用于位移传感；原理上首次在光纤位移传感器上运用宏弯诱导技术。材料上使用的柔韧性好的POF。通过宏弯引起光纤内模场畸变，引起宏弯损耗。由两根塑料裸光纤形成双绞宏弯辐射耦合结构，利用宏弯损耗效应实现两根光纤之间的耦合，称为宏弯辐射耦合。通过宏弯半径改变宏弯损耗的光能量，引起接收光纤内光功率变化，从而实现对物体位移的检测。

结构健康监测是土木工程学重要研究领域，其发展对认识结构的破坏机理，识别和修正计算模型，最终提高结构防灾减灾能力，具有重大的意义。对于结构监测的传感器，需要一个易于安装，可靠性好，耐久性强的传感器。另外，还需要易于传输的传感器。而本发明具有这些特点，同时兼具响应速度快，分辨率高等特点。使之在结构健康监测中具有很大的发展潜力。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (4)

1.一种基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器，其特征在于：包括两根光纤，其中一根为传光光纤(1)，另一根为接收光纤(2)，所述传光光纤(1)始端连接LED光源、终端连接光功率计P1，所述接收光纤(2)始端用黑色盖帽密封固定、终端连接光功率计P2；

所述传光光纤(1)和接收光纤(2)通过双绞后形成宏弯辐射耦合结构(100)；所述双绞宏弯辐射耦合结构(100)的始端固定，为固定端(101)；终端移动，为移动端(102)；

所述宏弯辐射耦合结构(100)的圆周部分的弯曲半径等于阈值，所述阈值为当入射光(10)在传光光纤(1)的纤芯(3)-包层(4)界面上的入射角θ等于全内反射角θ_c时所对应的弯曲半径，即设纤芯(3)的折射率为n_co，包层(4)的折射率为n_cl，那么θ_c＝sin^-1(n^cl/n_co)。

2.根据权利要求1所述的基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器，其特征在于：所述宏弯辐射耦合结构(100)置于黑色套管内。

3.根据权利要求1或2所述的基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器，其特征在于：还包括固定板(200)，所述固定板(200)上形成一圆形腔(201)，所述固定板(200)上沿圆形腔(201)的任一切线设有一切线槽，所述切线槽以切点为界，位于切点左侧为固定槽(202)，位于切点右侧为移动槽(203)；所述移动槽(203)内安装有移动杆(204)；所述宏弯辐射耦合结构(100)的圆周部分正好置于固定板(200)的圆形腔(201)内，所述宏弯辐射耦合结构(100)的固定端(101)通过硅胶粘贴于固定槽(202)内，其移动端(102)位于移动槽(203)内并通过硅胶粘贴于移动杆(204)的一端。

4.根据权利要求3所述的基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器，其特征在于：所述传光光纤(1)和接收光纤(2)均采用塑料光纤。