CN107421469A - 一种基于倾斜少模光纤光栅的扭转传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于倾斜少模光纤光栅的扭转传感器，包括宽带光源、起偏器、偏振控制器、光纤固定夹、倾斜少模光纤光栅、光纤旋转器、光谱仪，其中所述偏振控制器通过倾斜少模光纤光栅连接至光纤旋转器；所述光纤旋转器通过少模光纤连接至光谱仪；所述宽带光源发出的光信号经过单模光纤传输至起偏器获得线偏振光，利用偏振控制器改变线偏振光的偏振态，并旋转光纤旋转器使倾斜少模光纤光栅发生扭转，将倾斜少模光纤光栅激发出高阶模式后通过少模光纤传输至光谱仪，由光谱仪获得倾斜少模光纤光栅的透射谱。本发明可利用少模光纤中高阶模式的偏振态随光纤扭转改变的特性，实现通过倾斜少模光纤光栅透射谱对光纤扭转的传感，具有较高的敏感性。

Description

一种基于倾斜少模光纤光栅的扭转传感器
技术领域
本发明涉及一种基于倾斜少模光纤光栅的扭转传感器，属于光纤光栅传感器的技术领域。
背景技术
倾斜光纤光栅由于其能够激发包层模，增强光纤与外界交互的特性，一直受到人们的关注，并被广泛运用于温度、应力、折射率等外界环境因素的测量。为提高倾斜光纤光栅的灵敏性，常用的方法有在光纤外镀上薄膜介质，运用长周期光栅等结构。而普通的倾斜光纤光栅对于光纤扭转并没有很好的灵敏性。为实现对扭转的传感测量，Dawei Yu等采用椭圆纤芯的少模光纤作为扭转的传感。然而如何更好的测量光纤的扭转，简化设备结构依然是一个挑战。
但目前的光纤光栅扭转传感器，存在灵敏度低、体积大、对温度及应力变化敏感、成本高的问题，使得其在工作中信号易产生衰减，无法稳定工作的，导致无法准确的利用透射光谱的变化测量出光纤的扭转角度问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于倾斜少模光纤光栅的扭转传感器，解决前的光纤光栅扭转传感器有较低的敏感性，在工作中信号易产生衰减，导致无法准确的利用透射光谱的变化测量出光纤的扭转角度问题。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于倾斜少模光纤光栅的扭转传感器，包括宽带光源、起偏器、偏振控制器、光纤固定夹、倾斜少模光纤光栅、光纤旋转器、光谱仪，其中宽带光源通过单模光纤依次连接起偏器、偏振控制器；所述偏振控制器通过倾斜少模光纤光栅连接至光纤旋转器，且光纤固定夹设置于偏振控制器与倾斜少模光纤光栅之间；所述光纤旋转器通过少模光纤连接至光谱仪；所述宽带光源发出的光信号经过单模光纤传输至起偏器获得线偏振光，利用偏振控制器改变线偏振光的偏振态，并旋转光纤旋转器使倾斜少模光纤光栅发生扭转，将倾斜少模光纤光栅激发出高阶模式后通过少模光纤传输至光谱仪，由光谱仪获得倾斜少模光纤光栅的透射谱。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述倾斜少模光纤光栅设置的倾斜角度为1度至4度。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明的基于倾斜少模光纤光栅的扭转传感器，通过光纤旋转器的旋转使光纤发生扭转，倾斜少模光纤光栅中激发出的高阶模的偏振态随光纤扭转而发生变化，光纤传输光强也随着偏振态的变化而变化。最终将光纤的扭转反映为光纤透射谱的变化。通过起偏器和偏振控制器得到线偏振光，利用少模光纤中高阶模式的偏振态随光纤扭转改变的特性，实现通过倾斜少模光纤光栅透射谱对光纤扭转的传感，所运用的倾斜少模光纤光栅中激发出的高阶模对于扭转有较高的敏感性。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具备的优点有：
（1）利用在少模光纤上刻制的倾斜光纤光栅进行扭转角度的测量。本发明所用的器件均采用全光纤耦合方式，不易受到外界的干扰。从而能够利用透射光谱的变化测量出光纤的扭转角度，利用少模光纤中高阶模式的偏振态随光纤扭转改变的特性，实现通过倾斜少模光纤光栅透射谱对光纤扭转的传感。相比普通倾斜光纤光栅有较高的敏感性。
（2）本发明将少模光纤直接与光谱仪相连，避免了连接过程中高阶模式的衰减。
（3）本发明采用全光纤结构，结构简单，可连续稳定工作。该扭转传感器易于与被测物集成，且具有较高的灵敏度。
附图说明
图1是本发明基于倾斜少模光纤光栅的扭转传感器结构示意图。
图2为本发明在光栅倾斜角为1度的倾斜少模光纤光栅在不同扭转角度下的透射谱。
图3为本发明倾斜角度为2度的倾斜少模光纤光栅在不同扭转角度下的透射谱。
图4为本发明倾斜角度为3度的倾斜少模光纤光栅在不同扭转角度下的透射谱。
图5为本发明倾斜角度为4度的倾斜少模光纤光栅在不同扭转角度下的透射谱。
图6为本发明各倾斜角度光栅光强差与扭转角度变化曲线。
其中，附图标记解释为：1-宽带光源，2-单模光纤，3-起偏器，4-偏振控制器，5-光纤固定夹，6-倾斜少模光纤光栅，7-光纤扭转器，8-少模光纤，9-光谱仪。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明设计了一种基于倾斜少模光纤光栅的扭转传感器，包括宽带光源1、起偏器3、偏振控制器4、光纤固定夹5、倾斜少模光纤光栅6、光纤旋转器7、光谱仪9，其中宽带光源1通过单模光纤2依次连接起偏器3、偏振控制器4；所述偏振控制器4通过倾斜少模光纤光栅6连接至光纤旋转器7，且光纤固定夹5设置于偏振控制器4与倾斜少模光纤光栅6之间；所述光纤旋转器7通过少模光纤8连接至光谱仪9。
所述宽带光源1发出的光信号经过单模光纤2传输至起偏器3获得线偏振光，利用偏振控制器4可以改变入射线偏振光的偏振态，并旋转光纤旋转器7使倾斜少模光纤光栅6发生扭转，将倾斜少模光纤光栅6激发出高阶模式后通过少模光纤8传输至光谱仪9，由光谱仪9获得倾斜少模光纤光栅6的透射谱。其采用刻有倾斜光纤光栅6的少模光纤8作为扭转的传感，相比普通倾斜光纤光栅有较高的灵敏性。
其中，所述宽带光源1发出的光信号经过单模光纤2连接到起偏器3和偏振控制器4，目的是得到理想的线偏振光，之后将单模光纤与少模光纤熔融连接，在少模光纤中激发出高阶模式；光纤固定夹5在倾斜少模光纤光栅6的左面，光纤旋转器7在倾斜少模光纤光栅6右面，通过光纤旋转器7的旋转使光纤发生扭转，倾斜少模光纤光栅6中激发出的高阶模的偏振态随光纤扭转而发生变化，光纤传输光强也随着偏振态的变化而变化。最终将光纤的扭转反映为倾斜少模光纤光栅透射谱的变化。
本发明的原理是：宽带光源1发出的光信号经过单模光纤2连接到起偏器3，可得到线偏振光；利用偏振控制器4可以改变入射光线的偏振态，起偏器3的输出端与偏振控制器4继续以单模光纤相连，得到理想的线偏振光；由于少模光纤中存在不同的模式，基模与高阶模在光纤传输的过程中容易产生双折射效应。由于双折射现象的存在，两个模式传输时会发生干涉效应，从而导致了传输光强出现强弱交替的变化。光纤的扭转将改变模式的双折射效应，进一步导致了倾斜少模光纤光栅传输谱强弱的变化。
如图2所示为本发明在光栅倾斜角为1度的倾斜少模光纤光栅，在不同扭转角度下的透射谱线。光栅的透射谱在1540-1546nm和1552-1560nm波段存在传输强度的强弱交替变换。以1552-1555nm为例，当光纤发生扭转的时候，倾斜少模光纤光栅传输强度会随着扭转角度的变化而发生明显得到强弱变化。当光纤发生顺时针扭转时，传输强度随着扭转角度变大而变强；当发生逆时针扭转时，传输强度则随着扭转角度变大而变弱。
如图3、图4、图5所示为本发明在倾斜角为2度至4度的倾斜少模光纤光栅的扭转传感器在不同扭转角度下的透射谱，可以看出随着光栅倾斜角度的增加，透射谱线中光强的高低变化越来越不明显，这是由于随着光栅倾斜角度的变大，更多的纤芯传输能量被反射至包层中，因而导致了光强变化的不明显。
图6为本发明不同倾斜角度少模光纤光栅的光强差与扭转角度变化曲线。其中当倾斜角度为1°时，光纤灵敏度最高，并且在扭转角度为0—-180°范围内光强差的变化与扭转角度几乎呈线性变化，相应的灵敏度可以为0.01dB/°。对于其他倾斜角度的少模光纤光栅来说，由于光栅倾角的增大，光强差的变化变得不够明显。
根据上述曲线，可知当光纤发生扭转的时候，光纤传输谱会随着扭转角度的变化而发生明显强弱变化。当光纤发生顺时针扭转时，光纤传输谱随着扭转角度变大而变强；当发生逆时针扭转时，传输谱则随着扭转角度变大而变弱。通过计算出传出光强的差值，可以得到扭转角度与传输光强的对应关系，并由此做出相应的扭转角度-光强差曲线。
综上，本发明利用在少模光纤上刻制的倾斜光纤光栅进行扭转角度的测量，所用的器件均采用全光纤耦合方式，不易受到外界的干扰。能够利用透射光谱的变化测量出光纤的扭转角度，利用少模光纤中高阶模式的偏振态随光纤扭转改变的特性，实现通过倾斜少模光纤光栅透射谱对光纤扭转的传感，相比普通倾斜光纤光栅有较高的敏感性。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于倾斜少模光纤光栅的扭转传感器，其特征在于：包括宽带光源、起偏器、偏振控制器、光纤固定夹、倾斜少模光纤光栅、光纤旋转器、光谱仪，其中宽带光源通过单模光纤依次连接起偏器、偏振控制器；所述偏振控制器通过倾斜少模光纤光栅连接至光纤旋转器，且光纤固定夹设置于偏振控制器与倾斜少模光纤光栅之间；所述光纤旋转器通过少模光纤连接至光谱仪；所述宽带光源发出的光信号经过单模光纤传输至起偏器获得线偏振光，利用偏振控制器改变线偏振光的偏振态，并旋转光纤旋转器使倾斜少模光纤光栅发生扭转，将倾斜少模光纤光栅激发出高阶模式后通过少模光纤传输至光谱仪，由光谱仪获得倾斜少模光纤光栅的透射谱。
2.根据权利要求1所述基于倾斜少模光纤光栅的扭转传感器，其特征在于：所述倾斜少模光纤光栅设置的倾斜角度为1度至4度。
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Assignor: Nanjing Post & Telecommunication Univ.

Contract record no.: X2019980001260

Denomination of invention: Torsion sensor based on tilted few-mode optical fiber grating

Granted publication date: 20190716

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Record date: 20191224

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Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2019980001260

Date of cancellation: 20220304