CN105423953A - 一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅曲率传感器 - Google Patents

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康娟
周晓影
王小蕾
赵春柳
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Abstract

本发明公开了一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅曲率传感器，它由宽带光源、入射单模光纤、长周期光纤光栅、光纤球型结构、出射单模光纤、光谱分析仪构成。当外界环境如曲率发生变化时，长周期光纤光栅的周期和内嵌球型结构的圆度都随之发生变化，两者变化的叠加效果，导致传感器的透射光谱谐振峰漂移量远高于传统的长周期光纤光栅，通过监测透射光谱中峰值波长的漂移量来测量曲率，可以实现曲率测量的同时提高测量的灵敏度。该内嵌球形结构长周期光纤光栅传感器具有灵敏度高，制造简单，成本低，实用性高等优点。

Description

一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅曲率传感器
技术领域
本发明涉及一种光纤传感器，尤其涉及一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅(LPG)曲率传感器。
背景技术
结构的曲率变形作为一个重要的参数，在以往通常采用间接测量的方式获得，具体为：先利用应变计测量结构表面的应变，再根据应变与曲率之间的关系推算出被测结构的曲率。这种方法较为复杂，且应用范围受限，当测量较大的弯曲变形时，应变计拉伸后难以恢复原状，因而无法测量较大的弯曲变形。
随着光纤技术的发展，光纤曲率传感器也得到飞速发展，其成本低，精度高，可实现大曲率的测量等优点，使得其正逐渐取代以应变计为主的间接测量方法。常见的光纤曲率传感器，如基于光纤拉锥的曲率传感器，结构简单，但是灵敏度较低，且传感器脆弱易断；基于光子晶体错位熔接方法的曲率传感器，灵敏度较高，但成本也较高，且熔接困难；上述的这些光纤曲率传感器在实际应用中均受到限制。
为了解决上述光纤曲率传感器的灵敏度低、传感头脆弱，成本高等缺点，本发明设计了一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅结构来进行曲率的传感与测量。当外界环境如曲率发生变化时，长周期光纤光栅的周期和内嵌球型结构的圆度都两者都随之发生变化，两者变化的叠加效果，导致传感器的透射光谱谐振峰漂移量远高于传统的长周期光纤光栅，通过监测透射光谱中谐振峰峰值波长的漂移量实现曲率的测量，同时两者的叠加效果提高了测量的灵敏度。该内嵌球形结构长周期光纤光栅传感器具有灵敏度高，结构简单，成本低等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅曲率传感器，该传感器制作简单，结构紧凑，成本低且灵敏度远优于传统普通长周期光纤光栅。
本发明所采用的技术方案为：
一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅曲率传感器，包括：宽带光源(1)、入射单模光纤(2)、长周期光纤光栅(3)、光纤球型结构(4)、出射单模光纤(5)、光谱分析仪(6)；宽带光源(1)的输入端与入射单模光纤(2)的一端相连、入射单模光纤(2)的另一端与长周期光纤光栅(3)的一端相连，长周期光纤光栅(3)的另一端与出射单模光纤(5)的一端相连，出射单模光纤(5)的另一端与光谱分析仪(6)相连，长周期光纤光栅(3)的中间嵌入球型结构(4)。
所述的一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅曲率传感器，其特征在于内嵌的光纤球形结构(4)在长周期光纤光栅(3)的正中，其直径为187um-207um。
所述的一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅曲率传感器，其特征在于内嵌的光纤球形结构(4)在长周期光纤光栅(3)的正中，其直径为187um-207um。
本发明的工作原理是：宽带光源1发出的光通过入射单模光纤2后进入内嵌球形结构4的长周期光纤光栅3后，光在纤芯和包层中分别传输，最后除了包层中损耗的光外，其余通过出射单模光纤输出。当内嵌球形结构4的长周期光纤光栅的曲率发生变化的时候，长周期光纤光栅3中的每个被调制的折射率横截面发生倾斜，导致其等效周期发生改变。谐振波长如下表示：
λD＝(nco-ncl)Λ(1)
其中λD为长周期光纤光栅的谐振峰，nco为纤芯的有效折射率，ncl为包层的有效折射率，Λ为长周期光纤光栅的周期。由公式可知，输出波长随周期的改变而漂移。
此外曲率的变化导致内嵌球型结构4的圆度亦发生变化，其与长周期光纤光栅叠加的共同效果如下表示：
λ S = d ( sin i - s i n θ ) m - - - ( 2 )
其中，λs为内嵌球形结构和长周期光纤光栅共同作用的谐振波长，d为长周期光纤光栅常数，i为光束入射角，θ为光栅衍射角，随球型结构圆度的变化而变化，最终导致输出波长的较大幅度漂移。
本发明的有益效果是：传感头制作简单，仅需普通的光纤熔接机和CO2激光器即可；传感头成本低，仅需普通的单模光纤即可；传感头灵敏度高，曲率变化导致长周期光纤光栅的周期和内嵌球形结构的圆度均发生变化，两者变化的叠加效果，增大了光谱谐振峰的漂移量，提高了测量灵敏度。
附图说明
图1为一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅曲率传感器的结构示意图；
图2为本发明的传感器谐振波长与被测曲率关系示意图。
具体实施方法
以下结合附图及实验实例对本发明做进一步描述：
图1中，一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅曲率传感器，包括宽带光源1、入射单模光纤2、长周期光纤光栅3、光纤球型结构4、出射单模光纤5、光谱分析仪6；宽带光源1的输入端与入射单模光纤2的一端端连接，入射单模光纤2的另一端与长周期光纤光栅3的一端连接，长周期光纤光栅3的中端嵌入光纤球型结构4，长周期光纤光栅3的另一端与出射单模光纤5的一端相连，出射单模光纤5的另一端与光谱分析仪6的输入端连接。
上述的一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅曲率传感器，其特征在于内嵌的光纤球形结构(4)在长周期光纤光栅(3)的正中，其直径为187um-207um；长周期光纤光栅(3)的周期为605um，长度为24mm，透射谱在1200nm-1600nm可调。
一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅曲率传感器，其工作方式为：宽带光源1的中心波长为1550纳米，其发出的光通过入射单模光纤2后进入长周期光纤光栅3时，一部分光进入长周期光纤光栅3的包层，激发包层模在长周期光纤光栅3的包层中传输；另一部分光保持在纤芯中传输，纤芯中的光经过光纤球型结构4时，一部分光继续保持在纤芯中传输，另一部分光进入光纤球型结构4的包层，与长周期光纤光栅3包层中的光共同作用产生新的包层模。当纤芯和包层中的光传输到出射单模5时，纤芯和包层的光相遇，产生特定波长的谐振峰。当外界曲率发生变化时，长周期光纤光栅的周期和内嵌球型结构的圆度都随之发生变化，两者变化的叠加效果，导致传感器透射光谱的谐振峰发生漂移。图2为被测曲率变化与谐振波长的关系示意图，曲率测量范围为0-0.71m-1，灵敏度高达-104nm/m-1。

Claims (3)

1.一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅曲率传感器，包括：宽带光源(1)、入射单模光纤(2)、长周期光纤光栅(3)、光纤球型结构(4)、出射单模光纤(5)、光谱分析仪(6)；宽带光源(1)的输出端与入射单模光纤(2)的一端相连、入射单模光纤(2)的另一端与长周期光纤光栅(3)的一端相连，长周期光纤光栅(3)的另一端与出射单模光纤(5)的一端相连，出射单模光纤(5)的另一端与光谱分析仪(6)相连，长周期光纤光栅(3)的中间嵌入球型结构(4)。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅曲率传感器，其特征在于内嵌的光纤球形结构(4)在长周期光纤光栅(3)的正中，其直径为187um-207um。
3.根据权利要求1所述的一种内嵌球形结构的长周期光纤光栅曲率传感器，其特征在于所述的长周期光纤光栅(3)的周期为605um，长度为24mm，透射光谱波段在1200nm-1600nm可调。
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