CN105352441B - 一种采用多芯光纤测量多方向位移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用多芯光纤测量多方向位移的方法，利用多芯光纤45°镜面的反射和透射作用，使得光纤端面的反射光与镜面物体的反射光形成干涉，再根据快速傅里叶变换为基础的算法可以解调出腔长变化，从而测得物体多个方向上的位移，测量精度高。

Description

一种采用多芯光纤测量多方向位移的方法

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种使用多芯光纤用于测量多方向位移的方法。

背景技术

光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能；径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等。因此，光纤传感器可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、应变、温度、速度、位移等。目前，光纤的应用主要是基于单芯光纤，但是，单芯光纤中由于只有一束光的传输，只能对于一个方向的物理量进行测量。随着光纤技术的不断发展,各种新型结构光纤也日益得到发展，出现了二芯、四芯、六芯等多芯光纤，四芯光纤干涉图样为正方形分布的光斑，很容易实现莫尔编码，这对四芯光纤在用于光纤传感方面提供了很大的优越性，如果是高双反射率保偏光纤，还可通过控制四个纤芯的偏振角来调节调制度。但市场上还没有采用多芯光纤进行物理量测量的实践，尤其是对多方向的位移测量。

发明内容

本发明提供一种采用多芯光纤测量多方向位移的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种采用多芯光纤测量多方向位移的方法，包括如下步骤：

1)对多芯光纤的至少一个纤芯端面进行45°的反射镜面加工，至少一个纤芯45°反射镜面的反射方向与多芯光纤端面的垂直方向呈空间立体垂直；

2)将加工完成的多芯光纤固定在被测物体上，被测物体沿多芯光纤端面的平行或垂直方向移动产生第一方向的位移；

3)多芯光纤端面的反射光与镜面物体的反射光形成干涉，得到光强信号的条纹对比度V，如下式所示：

其中I₁,I₂分别为多芯光纤端面反射光和镜面物体反射光的光强；

4)由步骤3)得到的条纹对比度V，结合光强信号的表达式，得到干涉信号I_R，如下式所示：

其中I₀是直流分量，n为光纤反射率，L为腔长，为初相位，该初相位一般取值π或0；

5)将步骤4)的干涉信号I_R进行标准化处理，根据频率与波长的关系，将带入干涉信号I_R的式中，得到光谱信号：

6)对步骤5)得到的光谱信号进行采样处理，将频率v看成独立变量，将横坐标λ转换为利用MATLAB中的插值算法，对得到的光谱信号重新取样到频域进行快速傅里叶变换，得到干涉信号的频域图像，第一个峰值对应于直流分量I₀，第二个峰值则对应于干涉信号频率f，计算腔长L，如下式所示：

7)解调出腔长变化，测得第一方向上的位移，重复上述步骤，依次测得多方向移动产生的位移。

优选地，所述多芯光纤末端的45°反射镜面上涂覆有铂层。

由以上技术方案可知，本发明利用多芯光纤45°镜面的反射和透射作用，使得光纤端面的反射光与镜面物体的反射光形成干涉，再根据快速傅里叶变换为基础的算法可以解调出腔长变化，从而测得物体多个方向上的位移，测量精度高。

附图说明

图1为本发明的测量原理图，示出了两个方向的测量；

图2为图1的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

本发明多芯光纤测量多方向位移使用到的设备有激光器、光纤光栅解调仪、扇出装置、光电探测器、采集卡及电脑，其中激光器作为光源，多芯光纤与光电探测器之间所接的扇出装置也是测量系统的重要一环，其作用是将所接入多芯光纤的每根纤芯以单模光纤的形式输出，单模光纤被放在一个V型槽阵列中。安装时，首先将四个单模光纤组成的V型槽阵列耦合在扇出装置的V型槽端口，通过使用反射率匹配凝胶和一个手动的三维平移台进行调整来完成，然后，采用同样的方法将多芯光纤直接耦合在扇出装置的多芯光纤端口。

本实施例中采用四芯光纤来进行位移测量，可测量两方向和三方向的位移，利用聚焦离子束加工技术对四芯光纤的末端进行加工，将纤芯端面加工成45°的反射镜面，其中测量二维方向时，参照图1和2，取四芯光纤10中的两根纤芯进行测量，其中第一纤芯12的端面加工为45°反射镜面，第二纤芯11端面不做处理，纤芯45°反射镜面的反射方向与多芯光纤端面的垂直方向垂直，四芯光纤10水平侧端和下端分别放置第一镜面物体20和第二镜面物体30，第二纤芯11和第一纤芯12端面的反射光与第一镜面物体20和第二镜面物体30的反射光形成干涉，再根据以快速傅里叶变换为基础的算法可以解调出腔长变化，从而测得二维方向上的位移。

当测量三维方向时，取四芯光纤中的三根纤芯进行测量，其中两根纤芯的端面加工为45°反射镜面，另外一根纤芯的端面不做处理，两个纤芯45°反射镜面的反射方向与多芯光纤端面的垂直方向呈空间立体垂直。扇出装置将三根光纤接入光电探测器即可对三维方向进行位移测量，通过对于各方向的光谱数据进行解调即可得到位移量。

二维方向的测量步骤具体描述如下：

步骤一、将加工完成的多芯光纤固定在被测物体上，被测物体沿多芯光纤端面的平行方向(前后方向)移动产生第一方向的位移；

步骤二、第二纤芯11端面的反射光与第一镜面物体20的反射光形成干涉，得到光强信号的条纹对比度V，如下式所示：

其中I₁,I₂分别为多芯光纤端面反射光和镜面物体反射光的光强；

步骤三、由式(1)得到的条纹对比度V，结合光强信号的表达式，得到干涉信号I_R，如下式所示：

其中I₀是直流分量，n为光纤反射率，一般取1.46，L为腔长，为初相位，初相位一般取值π或0；

步骤四、将式(2)的干涉信号I_R进行标准化处理，根据频率与波长的关系，将带入干涉信号I_R的式中，得到光谱信号：

步骤五、对式(3)得到的光谱信号进行采样处理，将频率v看成独立变量，将横坐标λ转换为利用MATLAB中的插值算法，对得到的光谱信号重新取样到频域进行快速傅里叶变换，得到干涉信号的频域图像，腔长由频域图的峰值位置来确定，第一个峰值对应于直流分量I₀，第二个峰值则对应于干涉信号频率f，计算腔长L，如下式所示：

步骤六、解调出腔长变化，测得端面的平行方向(前后方向)上的位移；

步骤七、被测物体沿多芯光纤端面的垂直方向移动产生第二方向的位移，利用第一纤芯12端面的45°反射镜面的反射光与第二镜面物体30的反射光形成干涉，采用上述步骤中的算法，测得第二方向上移动产生的位移。

对于地貌的测量与确定，可以通过改变多芯光纤中各纤芯的镜面角度，移动多芯光纤后，由干涉信号经过解调算法得到地貌的形状，采用上述的解调算法，得到各纤芯探测所得腔长的差别，从而确定地貌的变化。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种采用多芯光纤测量多方向位移的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对多芯光纤的至少一个纤芯端面进行45°的反射镜面加工，至少一个纤芯45°反射镜面的反射方向与多芯光纤端面的垂直方向呈空间立体垂直；

2)将加工完成的多芯光纤固定在被测物体上，被测物体沿多芯光纤端面的平行或垂直方向移动产生第一方向的位移；

3)多芯光纤端面的反射光与镜面物体的反射光形成干涉，得到光强信号的条纹对比度V，如下式所示：

<mrow> <mi>V</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>I</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>I</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>I</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>I</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中I₁,I₂分别为多芯光纤端面反射光和镜面物体反射光的光强；

4)由步骤3)得到的条纹对比度V，结合光强信号的表达式，得到干涉信号I_R，如下式所示：

其中I₀是直流分量，n为光纤反射率，L为腔长，为初相位；

5)将步骤4)的干涉信号I_R进行标准化处理，根据频率与波长的关系，将带入干涉信号I_R的式中，得到光谱信号：

6)对步骤5)得到的光谱信号进行采样处理，将频率v看成独立变量，将横坐标λ转换为利用MATLAB中的插值算法，对得到的光谱信号重新取样到频域进行快速傅里叶变换，得到干涉信号的频域图像，第一个峰值对应于直流分量I₀，第二个峰值则对应于干涉信号频率f，计算腔长L，如下式所示：

<mrow> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>c</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>

7)解调出腔长变化，测得第一方向上的位移，重复上述步骤，依次测得多方向移动产生的位移。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多芯光纤末端的45°反射镜面上涂覆有铂层。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中初相位取值π或0。