CN106546187A - 一种长周期光纤光栅曲率传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长周期光纤光栅曲率传感器及其检测方法，曲率传感器包括宽带光源、传感头和光谱仪，传感头为带空气包层且刻有长周期光纤光栅的细芯光纤，宽带光源通过输入单模光纤连接细芯光纤的一端，细芯光纤的另一端通过输出单模光纤连接光谱仪。宽带光源出射的光经过单模光纤后进入到细芯光纤，由于细芯光纤中刻写有长周期光纤光栅，在光谱仪输出光谱中产生长周期光纤光栅损耗峰，本发明根据长周期光纤光栅损耗峰波长漂移计算出待测曲率；由于细芯光纤中的空气包层的存在，有效消除了外界环境折射率变化对曲率测量产生的影响，提高了曲率测量的准确性，同时使得本发明曲率传感器可有效的应用于高湿度或液体环境中。

Description

一种长周期光纤光栅曲率传感器及其检测方法

技术领域

本发明属于曲率传感领域，特别涉及一种长周期光纤光栅曲率传感器及其检测方法。

背景技术

在桥梁、路轨、建筑等结构中，结构弯曲形变的曲率是一个非常重要的参数，它与结构的损伤和失效有直接联系，因此对曲率的测量是必不可少的。长周期光纤光栅是一种新型的光学无源器件，现已在光纤通信和光纤传感领域发挥越来越重要的作用。长周期光纤光栅具有很好的传输谱特性，它把纤芯基模的能量耦合到同向传输的包层模中，从而导致相应波长的传输损耗，是一种理想的带阻传输型无源滤波器件。长周期光纤光栅具有制作工艺简单、插入损耗小、无后向反射、全兼容于光纤、体积小、能埋入智能材料等有优点，在航天工程、自动控制、油井监测及道路桥梁健康检测等诸多领域有广泛潜在价值。另外，由于弯曲长周期光纤光栅传感器机械光学转换部件少，光路封闭，因此在水下运动物体监测、各种危险火灾预警系统及建筑道路结构健康检测中有着广泛应用。

传统的长周期光纤光栅纤芯基模的能量耦合到同向传输的包层模中，谐振波长和谐振强度对外界环境折射率的变化非常敏感，在高湿度或液体环境下，测量弯曲时，外界环境的折射率的变化对该曲率的测量产生影响，很难准确测出曲率的变化。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单的长周期光纤光栅曲率传感器，该曲率传感器有效消除了外界环境折射率变化对曲率测量产生的影响，提高了曲率测量的准确性。

本发明的第二目的在于提供一种上述长周期光纤光栅曲率传感器的检测方法。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种长周期光纤光栅曲率传感器，包括宽带光源、传感头和光谱仪，所述传感头为带空气包层且刻有长周期光纤光栅的细芯光纤，所述宽带光源通过输入单模光纤连接细芯光纤的一端，所述细芯光纤的另一端通过输出单模光纤连接光谱仪。

优选的，所述细芯光纤由内至外分别是纤芯、内包层、空气包层和外包层。

优选的，所述细芯光纤的外包层直径为124～126μm，内包层直径为15～20μm；所述细芯光纤的纤芯直径为2～3μm；所述细芯光纤的纤芯为掺锗纤芯；

所述输入单模光纤和输出单模光纤包层直径为124～126μm，输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯直径为8～8.4μm，输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯为掺锗纤芯。

优选的，所述细芯光纤空气包层包括六个环形布置的空气孔。

优选的，所述空气孔直径为10～30μm。

优选的，所述细芯光纤中的长周期光纤光栅通过光栅刻写装置刻写得到，所述光栅刻写装置包括计算机和CO2激光器，所述细芯光纤在刻写长周期光纤光栅时放置于CO2激光器的有效曝光区，计算机控制CO2激光器输出的激光周期性的打在带空气包层的细芯光纤上，得到长周期光纤光栅。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：

一种上述长周期光纤光栅曲率传感器的检测方法，，包括如下步骤：

S1、宽带光源输出入射光；

S2、入射光经过输入单模光纤、细芯光纤和输出单模光纤后传送至光谱仪；

S3、通过光谱仪的输出光谱获取到长周期光纤光栅光谱；

S4、根据长周期光纤光栅光谱获取到长周期光纤光栅损耗峰波长，并且获取长周期光纤光栅损耗峰波长漂移；

S5、根据步骤S4中获取到的长周期光纤光栅损耗峰波长漂移信息计算出待测曲率，具体为：

Δλ＝Ax；

其中x为待测曲率，A为曲率对应的长周期光纤光栅损耗峰波长漂移系数，Δλ为长周期光纤光栅损耗峰波长漂移。

优选的，步骤S5中，长周期光纤光栅损耗峰波长漂移Δλ为步骤S4中获取到的长周期光纤光栅损耗峰波长减去细芯光纤未受弯曲时光谱仪读取的长周期光纤光栅损耗峰波长。

优选的，细芯光纤未受弯曲时光谱仪读取的长周期光纤光栅损耗峰波长为1517.6364nm。

优选的，所述曲率对应的长周期光纤光栅损耗峰波长漂移系数A＝-0.226。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明曲率传感器包括依次连接的宽带光源、传感头和光谱仪，传感头为带空气包层且刻有长周期光纤光栅的细芯光纤，细芯光纤两端分别通过单模光纤连接光源和光谱仪，可见，本发明传感器组成结构非常简单。

(2)本发明曲率传感器中宽带光源出射的光经过单模光纤后进入到细芯光纤，由于细芯光纤中刻写有长周期光纤光栅，因此在光谱仪输出光谱中产生长周期光纤光栅损耗峰。由于曲率能够引起长周期光纤光栅损耗峰波长的漂移，并且曲率变化和长周期光纤光栅损耗峰波长的漂移存在一定的关系，因此在通过光谱仪输出光谱中的长周期光纤光栅光谱获知到长周期光纤光栅损耗峰波长漂移的情况下，能够计算出待测曲率；本发明曲率传感器中由于细芯光纤中的空气包层的存在，有效消除了外界环境折射率变化对曲率测量产生的影响，解决折射率与曲率的交叉敏感问题，提高了曲率测量的准确性，同时使得本发明曲率传感器可有效的应用于高湿度或液体环境中。

附图说明

图1是本发明曲率传感器结构示意图。

图2是本发明曲率传感器中细芯光纤的结构示意图。

图3是本发明曲率传感器中细芯光纤弯曲操作示意图。

图4是本发明曲率传感器中光谱仪输出光谱中长周期光纤光栅损耗峰对应的波长随曲率变化的漂移图。

图5是本发明长周期光纤光栅损耗峰波长漂移的曲率响应曲线图。

图6是本发明曲率传感器中光谱仪输出光谱中长周期光纤光栅损耗峰对应的波长随折射率变化的漂移图。

图7是本发明长周期光纤光栅损耗峰的折射率响应曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例公开了一种长周期光纤光栅曲率传感器，如图1所示，包括宽带光源1、传感头3和光谱仪4，传感头3为带空气包层且刻有长周期光纤光栅的细芯光纤，宽带光源1通过输入单模光纤21连接细芯光纤的一端，细芯光纤的另一端通过输出单模光纤22连接光谱仪4。

如图2所示，本实施例中细芯光纤由内至外分别是纤芯44、内包层43、空气包层和外包层41。细芯光纤空气包层包括六个环形布置的空气孔42。本实施例中细芯光纤的外包层直径可选择为124～126μm，内包层直径可选择为15～20μm。空气孔直径可选择为10～30μm。细芯光纤的纤芯直径可选择为2～3μm；其中在本实施例中细芯光纤外包层直径为125μm，内包层直径为15μm，空气孔直径为20μm，纤芯直径为2μm。本实施例中的细芯光纤的纤芯为掺锗纤芯。

本实施例中输入单模光纤和输出单模光纤包层直径都为124～126μm，输入单模光纤和输出单模光纤纤芯直径都为8～8.4μm，输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯都为掺锗纤芯。

本实施例中宽带光源输出的光谱为1250～1650nm。

本实施例中细芯光纤中的长周期光纤光栅通过光栅刻写装置刻写得到，其中光栅刻写装置包括计算机和CO2激光器，细芯光纤在刻写长周期光纤光栅时放置于CO2激光器的有效曝光区，计算机控制CO2激光器输出的激光周期性的打在带空气包层的细芯光纤上，得到长周期光纤光栅。

本实施例还公开了一种基于上述长周期光纤光栅曲率传感器的检测方法，包括如下步骤：

S1、宽带光源输出入射光；

S2、入射光经过输入单模光纤、细芯光纤和输出单模光纤后传送至光谱仪；

S3、通过光谱仪的输出光谱获取到长周期光纤光栅光谱；其中由于细芯光纤中刻写有长周期光纤光栅，因此在光谱仪输出光谱中产生长周期光纤光栅损耗峰。

S4、根据长周期光纤光栅光谱获取到长周期光纤光栅损耗峰波长，并且计算出长周期光纤光栅损耗峰波长漂移；

S5、根据步骤S4中获取到的长周期光纤光栅损耗峰波长漂移信息计算出待测曲率，具体为：

Δλ＝Ax；

其中x为待测曲率，A为曲率对应的长周期光纤光栅损耗峰波长漂移系数；Δλ为长周期光纤光栅损耗峰波长漂移，该值为步骤S4中获取到的长周期光纤光栅损耗峰波长减去细芯光纤未受弯曲时光谱仪输出的长周期光纤光栅损耗峰波长。

本实施例中，曲率对应的长周期光纤光栅损耗峰波长漂移系数A＝-0.226；长周期光纤光栅损耗峰波长漂移Δλ＝λ-λ₀，λ为上述检测方法中步骤S4获取到的长周期光纤光栅损耗峰波长，λ₀为细芯光纤未受弯曲时光谱仪读取的长周期光纤光栅损耗峰波长，其中λ₀为1517.6364nm。即：

λ＝-0.226x+1517.6364；

本实施例在获取到长周期光纤光栅损耗峰波长漂移Δλ＝λ-1517.6364的情况下，根据上式即可计算出待测曲率。

如图3所示为细芯光纤弯曲操作示意图，将输入单模光纤和输出单模光纤分别用光纤夹具夹住，其中将两个光纤夹具对应分别设置在两个平台上，其中有最少一个平台可移动，平台最小可移动10微米，记下最初的两个光纤夹具之间的距离L，移动平台，对细芯光纤施加推力，可观察到细芯光纤弯曲，对比光谱仪在细芯光纤每次弯曲时输出的长周期光纤光栅光谱，可以看到长周期光纤光栅光谱漂移情况。如图4所示为光谱仪输出光谱中长周期光纤光栅损耗峰对应的波长随曲率变化的漂移图。如图5所示为长周期光纤光栅损耗峰波长漂移的曲率响应曲线，其中图5中圆圈代表测到的数据点，实线表示经过数值线性拟合得到的曲线。从图5中可看出测量值与理论值基本相符合，线性度可达到99.1％；通过图4和图5可以看出，长周期光纤光栅损耗峰波长随曲率的增大而减小，其灵敏度可达到-0.226nm/m^-1。

本实施例中由于细芯光纤内包层被六个大空气孔环形包围，因此长周期光纤光栅损耗峰对外界折射率的变化不敏感；如图6所示为光谱仪输出光谱中长周期光纤光栅损耗峰对应的波长随折射率变化的漂移图。如图7所示为长周期光纤光栅损耗峰波长的折射率响应曲线，从图6和图7中可以看出，本实施例中长周期光纤光栅损耗峰波长基本不随外界折射率的变化而变化。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种长周期光纤光栅曲率传感器，包括宽带光源、传感头和光谱仪，其特征在于，所述传感头为带空气包层且刻有长周期光纤光栅的细芯光纤，所述宽带光源通过输入单模光纤连接细芯光纤的一端，所述细芯光纤的另一端通过输出单模光纤连接光谱仪。

2.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅曲率传感器，其特征在于，所述细芯光纤由内至外分别是纤芯、内包层、空气包层和外包层。

3.根据权利要求2所述的长周期光纤光栅曲率传感器，其特征在于，所述细芯光纤的外包层直径为124～126μm，内包层直径为15～20μm；所述细芯光纤的纤芯直径为2～3μm；所述细芯光纤的纤芯为掺锗纤芯；

所述输入单模光纤和输出单模光纤包层直径为124～126μm，输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯直径为8～8.4μm，输入单模光纤和输出单模光纤的纤芯为掺锗纤芯。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的长周期光纤光栅曲率传感器，其特征在于，所述细芯光纤空气包层包括六个环形布置的空气孔。

5.根据权利要求4所述的长周期光纤光栅曲率传感器，其特征在于，所述空气孔直径为10～30μm。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的长周期光纤光栅曲率传感器，其特征在于，所述细芯光纤中的长周期光纤光栅通过光栅刻写装置刻写得到，所述光栅刻写装置包括计算机和CO2激光器，所述细芯光纤在刻写长周期光纤光栅时放置于CO2激光器的有效曝光区，计算机控制CO2激光器输出的激光周期性的打在带空气包层的细芯光纤上，得到长周期光纤光栅。

7.一种基于权利要求1所述的长周期光纤光栅曲率传感器的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、宽带光源输出入射光；

S2、入射光经过输入单模光纤、细芯光纤和输出单模光纤后传送至光谱仪；

S3、通过光谱仪的输出光谱获取到长周期光纤光栅光谱；

S4、根据长周期光纤光栅光谱获取到长周期光纤光栅损耗峰波长，并且获取长周期光纤光栅损耗峰波长漂移；

S5、根据步骤S4中获取到的长周期光纤光栅损耗峰波长漂移信息计算出待测曲率，具体为：

Δλ＝Ax；

其中x为待测曲率，A为曲率对应的长周期光纤光栅损耗峰波长漂移系数，Δλ为长周期光纤光栅损耗峰波长漂移。

8.根据权利要求7所述的长周期光纤光栅曲率传感器的检测方法，其特征在于，步骤S5中，长周期光纤光栅损耗峰波长漂移Δλ为步骤S4中获取到的长周期光纤光栅损耗峰波长减去细芯光纤未受弯曲时光谱仪读取的长周期光纤光栅损耗峰波长。

9.根据权利要求8所述的长周期光纤光栅曲率传感器的检测方法，其特征在于，细芯光纤未受弯曲时光谱仪读取的长周期光纤光栅损耗峰波长为1517.6364nm。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的长周期光纤光栅曲率传感器的检测方法，其特征在于，所述曲率对应的长周期光纤光栅损耗峰波长漂移系数A＝-0.226。